CC BY
4В.И. ДЕМИДЧЕНКО, Г.Н. МАСЛЯЕВА, Г.И. ДЕЙКУН
V.I. DEMIDCHENKO, G.N. MASLYAEVA, G.I. DEYKUN
С ЗАБОТОЙ ОБ ЭКОНОМИИ И ПРИРОДЕ
CONCERNED ABOUT ECONOMY AND NATURE
ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ, ЕЁ НЕДОСТАТКИ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
EFFICIENCY OF THE POWER PLANT OF THE TRANSPORT SYSTEM, ITS DISADVANTAGES. ENVIRONMENTAL ISSUES
Сведения об авторах: Демидченко Владимир Иванович - профессор кафедры физики и электротехники Краснодарского высшего военного авиационного училища лётчиков имени Героя Советского Союза А.К. Серова, кандидат технических наук, доцент (г. Краснодар. E-mail: 9298265500@mail. ru);
Масляева Галина Николаевна - заведующая кафедрой физики и электротехники Краснодарского высшего военного авиационного училища лётчиков имени Героя Советского Союза А. К. Серова, кандидат педагогических наук, доцент (г. Краснодар. E-mail: maslyeva@yandex. ru);
Дейкун Геннадий Иванович - доцент кафедры физики и электротехники Краснодарского высшего военного авиационного училища лётчиков имени Героя Советского Союза А. К. Серова, полковник в отставке, доцент (г. Краснодар. E-mail: g. deykun57@mail. ru).
Аннотация. Статья имеет своей целью проинформировать читателей об эффективности и конструктивных недостатках современных поршневых двигателей внутреннего сгорания, а также кратко выразить своё понимание экологических и климатических проблем, возникших от эксплуатации транспортных систем.
Ключевые слова: эффективный КПД, поршневые двигатели, силовые установки, экология, климат, трансмиссия, изохорный процесс, изобарный процесс.
Information about the authors: Vladimir Demidchenko - Professor of the Subdepartment of Physics and Electrical Engineering of the Krasnodar Higher Military Aviation School of Pilots named after Hero of the Soviet Union A. K. Serov, Cand. Sc. (Tech.), Associate Professor (Krasnodar. E-mail: 9298265500@mail. ru);
Galina Maslyaeva - Head of the Subdepartment of Physics and Electrical Engineering of the Krasnodar Higher Military Aviation School of Pilots named after Hero of the Soviet Union A. K. Serov, Cand. Sc. (Ped.), Associate Professor (Krasnodar. E-mail: maslyeva@yandex. ru);
Gennady Deikun - Associate Professor of the Subdepartment of Physics and Electrical Engineering of the Krasnodar Higher Military Aviation School of Pilots named after Hero of the Soviet Union A. K. Serov, colonel (ret), Associate Professor (Krasnodar. E-mail: g. deykun57@ mail. ru).
Summary. The article aims to inform readers about the efficiency and design disadvantages of modern reciprocating internal combustion engines, as well as briefly express their understanding of the environmental and climatic problems that have arisen from the operation of transport systems.
Keywords: effective efficiency, four-stroke reciprocating internal combustion engine, liquid piston, isobaric heat removal, hydraulic transmission, hydraulic piston chambers, turbine, pressure lines, level sensors, gas and liquid valves.
Эксплуатация поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением поршня отметила столетний юбилей. Их успех и широкое применение на наземном, водном и воздушном транспорте, в стационарной энергетике и сельском хозяйстве, для привода компрессоров, насосов и других целей обусловлены технико-экономическими показателями. По современным представлениям экономичность поршневых двигателей при номинальной нагрузке достаточно высокая и достигает 25...45%.
Газотурбинные двигатели работают при температурах не более 1000 °С для обеспечения допустимой теплонапряжённости элементов рабочего колеса турбины и по этой причине до сих пор уступают поршневым. Надежды на увеличение их экономичности возлагаются на совершенствование термодинамических схем, новые способы расширения газов в турбинах, применение недорогостоящих жаростойких композитных материалов, организацию охлаждения лопаток. Возможность применения газотурбинных двигателей внутреннего сгорания на автомобильном транспорте рассматривается уже 30 лет. Газотурбинные двигатели считаются экологически чистыми в сравнении с поршневыми. Обусловлено это полным расширением рабочего тела. Трудность использования такого двигателя состоит в необходимости применения многоступенчатых турбин для полного срабатывания потенциальной энергии давления горячих газов. Большая экономичность поршневых двигателей в сравнении с газотурбинными объясняется ещё и невысокими значениями начальных параметров рабочего тела. И всё же дви-
гатели этого типа экономически несовершенны из-за значительной металлоёмкости системы двигатель - трансмиссия и, как следствие, широкого набора зубчатых передач, а следовательно, и значительных потерь энергии от механической необратимости двигателя и вспомогательных механизмов и столь же больших потерь энергии с продуктами сгорания, выбрасываемыми в атмосферу, так как их остаточное давление и температура в такте расширения в момент открытия выхлопного клапана выше начальных параметров цикла. По результатам исследования двигателей параметры состояния рабочего тела в конце расширения: для дизелей без наддува: Рк = 0,25.0,6 МПа и Тк = 1000.1200 К, а для карбюраторных двигателей: Рк = 0,4.0,6 МПа и Тк = 1400.1700 К. Кроме того, реальные условия эксплуатации карбюраторных и дизельных транспортных двигателей нестационарны. Так, например, в границах города продолжительность дискретного режима работы автомобиля 40 лет назад достигала 67%. Подобная ситуация приводит к падению КПД транспортного двигателя в 1,35.1,45 раза. Что же касается нынешнего времени, когда длительные пробки не только в черте города, но и за его пределами, стали обычным явлением, продолжительность дискретного режима работы автомобильного транспорта достигает не менее 100%. По данным фирмы «Форд», двигатель, загруженный на 25% от номинала, работает с КПД, равным 10%. Отечественные же специалисты считают, что реальный КПД двигателя по этой причине на тяжёлых автопоездах составляет 4.8%. С целью частичного устранения указанной нестационарности в работе дви-
гателя современные специалисты в настоящее время предлагают перейти на автоматическое 9-сту-пенчатое регулирование режима движения транспортных средств вместо пятиступенчатого. Это якобы уменьшит потребление топлива на малых скоростях на 30%. Признанный уровень эффективности европейских автомобилей в среднем для всех машин составляет 1 л горючего на 10 км дороги. Считается, что это высокая эффективность. В итоге по наименее оптимистическим оценкам КПД автомобильного бензинового двигателя не превышает 10%, а с учётом потерь при переработке и транспортировке жидкого топлива - не более 7%. Автомобили же нашей страны преимущественно - 75% с бензиновыми двигателями.
В работе на основе анализа данных проведен расчёт эффективного коэффициента полезного действия транспортной энергетической установки. Он оказался, как это только что отмечалось, равным 10%.
Итак, 10%. Именно поэтому экологическая проблема «автомобиль - окружающая среда» является острейшей. Отработавшие газы автомобильных двигателей внутреннего сгорания содержат около 280 вредных компонентов, в том числе вещества 1 и 2-го классов опасности: свинец, бенз(а)пи-рен, диоксины, сажа, окислы азота и др. Наибольшую экологическую опасность у дизельных двигателей представляют оксиды азота и твёрдые частицы. Выброс оксидов азота обусловлен высокими температурами в процессе сгорания топлива. Автомобильные диоксины (их насчитывается порядка 210) чаще всего связывают с этилированным бензином, в который для повышения октанового числа и антиде-
тонационных свойств добавляют этиловую жидкость. Последняя представляет собой смесь тетраэ-тилсвинца и специальных добавок. Из-за тетраэтилсвинца выхлопы становятся ещё и источником свинцового отравления. Но источником выброса диоксинов являются также неэтилированный бензин и дизельное топливо, так как диоксины образуются уже в самом процессе получения топлива из нефти из-за участия в нём газообразного хлора.
Крайнюю опасность в масштабе планеты имеет продукт сгорания ископаемых видов топлива: угля, нефти, газа - диоксид углерода СО2. Накапливаясь в атмосфере, он становится изолятором для потока теплоты с поверхности земли в космическое пространство и тем самым создаёт для неё парниковый эффект, а это в свою очередь привело уже к серьёзным климатическим изменениям.
Автомобильный транспорт является одним из основных потребителей нефти, запасы которой ограничены. А потребление её 25 лет назад составляло в среднем 24 млрд баррелей в год. Есть ещё один шокирующий факт, взятый из того же источника: «В 2002 г. в результате сжигания ископаемых видов топлива в атмосферу был выброшен в общей сложности 21 млрд тонн СО2...». Продолжительность жизни СО2 достигает 100 лет. Эти данные позволяют судить о той исключительной экологической опасности, в которой находится человечество. И это после недавнего спасения от проблемы озоновых дыр. И получается, что основной ценностью в жизни людей являются возможности окружающей среды. Но из экономических соображений бережного отношения к этому и ряду других ресурсов природы не получается. Тепловые электростанции продолжают строиться, автомобилям с двигателями внутреннего сгорания «ещё далеко до заката» по причине отработанности технологии их производства и поэтому низкой стоимости. Труд-
но оценить оптимизм и чёткую решительность ряда государств отказаться от выпуска бензиновых и дизельных автомобилей «к 2040 году» - Великобритания; «к 2032 году» - Шотландия; полностью ликвидировать продажу «автомобилей с ДВС... к 2025 году - Норвегия. Министр экологии и солидарности Франции также «.намерен прекратить продажу автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями к 2040 году».
Вот такие смелые планы. Планируется переход на гибридные и полностью электрические транспортные средства. Кстати, первые гибридные двигатели появились в 1997 году под маркой «Тойота». Прошло 25 лет. Результат не наблюдается. А двигатель на чистой воде якобы наблюдался в 2008 году. Заметим, что создание автомобилей с нулевым выбросом также сопровождается производством СО2. Конечно, есть уверенность, что это количество будет меньшим при эксплуатации. А при производстве автомобиля - нет.
Улучшение экологичности двигателя внутреннего сгорания, прежде всего, связано с увеличением эффективного КПД автомобиля. Меньший расход топлива даст меньше выброс вредных веществ, а упрощение конструкции силовой установки - заметное облегчение
автомобиля по массе и также увеличение КПД.
И последнее, о водородном топливе. По мнению авторов статьи, это по-прежнему теоретический вариант. Обусловлено данное утверждение следующими недостатками водорода: низкая плотность; высокая склонность к утечке; двигатель нуждается в очень чистом водороде; желательно производство водорода в специальном центре с последующим распределением его по заправочным пунктам, но транспортировка газообразного водорода крайне непроизводительна, а следовательно, и нерентабельна так как его потери достигают 50%; привлекательна транспортировка жидкого водорода, но сжижение его при - 253 °С экономически неприемлемо; 1 кг жидкого водорода эквивалентен по теплоте сгорания 3,5 л нефти. При сжигании такого количества нефти выделяется такое же количество СО2 как и при сжижении 1 кг водорода; стоимость транспортных автомашин, как и стоимость прокладки трубопроводов, высокая; водород делает сталь очень хрупкой, он не имеет запаха, горит невидимым пламенем; водородный двигатель требует высокой частоты его заправки. Скорее всего, вопрос об использовании транспортного водорода недостаточно продуман.
Только коренное изменение идеологии транспортной силовой установки позволяет уменьшить выброс СО2 в атмосферу и трудные условия существования людей в перенасыщенных автотранспортом городах. Необходим двигатель принципиально новой конструкции с резко сниженным потреблением горючего, с малыми необратимыми потерями, неметаллоёмкий. Такой двигатель будет иметь значительно лучшие экологические показатели. К этому, в первую очередь, стремятся специалисты передовых в автомобилестроении стран.
С момента рождения автомобиля произошли революционные преобразования только в технологии производства. Конечно, имело место эволюционное совершенствование двигателя, трансмиссии, кузова, его дизайна и интерьера и других узлов, но конструкция двигателя не претерпела принципиальных изменений. Поэтому дальнейшая рационализация карбюраторных и дизельных двигателей не даёт желаемого эффекта. Проблема серьёзного уменьшения расхода топлива на транспорте, а следовательно, улучшения экологических показателей, конечно же, не может быть решена и совершенствованием эксплуатационных факторов. А проблема эта актуальна, ну хотя бы потому, что основным топливом автомобиля остаётся бензин. Что же касается роторно-поршневого двигателя Ванкеля, то эксперименты с опытными образцами пока не оставляют надежды на их будущность по соображениям чётко изложенным. Нельзя не отметить и того обстоятельства, что в двигателе Ванкеля не достигнуто чисто вращательное движение ротора. В нём происходит вращение и одновременно возвратно-поступательное движение ротора.
Из изложенного очевидна острота вопроса о повышении экономичности, надёжности и эко-логичности силовых установок
транспортных систем. Нужна новая транспортная энергетическая установка - экономичная и недорогостоящая. На наш взгляд, основными недостатками современного транспортного средства являются:
1. Невозможность постоянной эксплуатации двигателя в режиме максимальной экономичности, соответствующем оптимальной расчётной нагрузке. Этот недостаток обусловлен дискретным режимом работы двигателя. Дискретность же эксплуатации двигателя вызвана необходимостью постоянной синхронизации режима работы двигателя с режимом движения транспортного средства, и достигается это регулированием подачи топлива и с помощью коробки передач.
Стабильного, единственного и оптимального режима работы двигателя, исключающего все режимы неполной нагрузки, можно достичь при устранении механической связи в системе: двигатель - вал с колёсами транспортного средства. Последняя мысль реальна при наличии в трансмиссии аккумулирую-ще-стабилизирующего элемента, сглаживающего все неравномерности потребления транспор-тно-энергетическим средством вырабатываемой двигателем энергии. Или замены механической трансмиссии гидравлической. Первая идея не нова и успешно используется в большой энергетике - аккумулирующие станции.
2. Наличие механической трансмиссии с большим числом контактных пар и значительной металлоёмкостью - второй недостаток современных транспортных систем.
Механическая трансмиссия -это начальный этап в эволюции трансмиссий. Она кажется надёжной, так как выстроена в виде последовательности металлических, контактирующих между собой, элементов. Однако это не лучший способ передачи энергии, получае-
мой в цилиндре ДВС, к потребителю-колесу, например, автомобиля. Именно по этой причине перешли к уменьшению протяжённости «цепочки» трансмиссии, то есть на передний привод. Но при этом остались та же система регулирования топлива с коробкой передач, кривошипно-шатунный механизм и коленчатый вал, поршни, разделяющие объёмы цилиндров, а следовательно, механическая необратимость и необходимость использования масел в целях смазки и охлаждения. От всего этого можно отказаться, если ввести гидравлическую трансмиссию и перейти от количественного регулирования к подаче одного и того же количества топлива, но с разными промежутками времени. Этим и обеспечится оптимально-стационарный режим в работе двигателя. При этом в силовой транспортной системе возможно использование четырёх- или двухтактного поршневого двигателя. Новым в конструкции высокоэффективной силовой установки является то, что в её двигателе вместо жёсткого поршня, шатуна, коленчатого вала применён поршень в виде рабочей жидкости с поплавком. В случае четырёхтактного двигателя два такта являются тактами неполного хода. Функционирование четырёхтактного двигателя осуществляется тремя датчиками уровней жидкости в каждом цилиндре двигателя, объединённых единым коммутатором, включающим по заданной программе пять исполнительных органов каждого цилиндра двигателя для принудительного перемещения трёх жидкостных и одного газового клапана и подачи импульса на топливный насос с форсункой или свечу зажигания. Оптимальный режим работы транспортной силовой установки обеспечивается заслонкой, устанавливающей скорость наполнения рабочей жидкостью соответствующего цилиндра и тем самым частоту процессов горения, и управляе-
мой от органа, расположенного в кабине транспортного средства (ранее - педаль газа). Коробки передач, а следовательно, и сцепления в предлагаемой конструкции нет. Гидравлическая трансмиссия открытого или закрытого контура состоит из нагнетательной магистрали и магистралей высокого и низкого давления,объединённых цилиндрами двигателя и ёмкостью, компенсирующей разность расхода. В гидравлической трансмиссии размещена гидравлическая турбина с расположенными на её валу центробежным насосом, колёсами транспортного средства и маховиком. Режим работы реверсивных турбин привода колёс регулируется управляющим элементом из кабины транспортного средства.
Предложения по замене механической трансмиссии гидравлической также существенно уменьшат необратимые механические потери, так как будут исключены сцепление, коробка передач, карданный вал и другие элементы. Заметим, что конструировать транспортный двигатель для работы на постоянном режиме, не зависящем от режима работы транспортного средства, легче по той причине, что он будет работать при неизменных параметрах. И поэтому точнее можно рассчитать фазы газообмена, работу топливной аппаратуры и другие элементы двигателя.
Стоимость транспортной установки может быть уменьшена за счёт ликвидации технологически сложных и дорогостоящих элементов, узлов в системе двигатель - трансмиссия, то есть резкого снижения металлоёмкости и конструктивного упрощения при одновременном увеличении моторесурса. Снижение металлоёмкости - перспективный путь экономии горючего на автотранспорте. Исследования показали, что устранение 100 кг массы легкового автомобиля даёт экономию 0,5-1,0 л бензина и 0,4 л дизель-
ного топлива на каждые 100 км пробега.
3. Третьим недостатком является изохорный отвод теплоты низкотемпературному источнику. Снижение величины неизбежно отводимой теплоты возможно при полном использовании потенциальной энергии давления продуктов сгорания, то есть замены изохорного процесса отдачи теплоты холодному источнику на изобарный. Изобарность отвода теплоты в окружающую среду обусловлена тем, что потенциальная энергия рабочей жидкости преобразуется в энергию вращения вала колеса с помощью гидравлической турбины, и тем, что гидравлическая трансмиссия сообщается с атмосферой. Шум, производимый автомобилем, при этом уменьшится. Среднее значение уровня дорожного шума достигает 75.84 дБ, а по частотам - от 25 до 75 Гц. По данным Всемирной организации здравоохранения предельной нормой для человеческого организма является уровень шума в 50 дБ. Шум приводит к выделению гормонов из гипофиза, что влияет на функции желёз. Следствием этого является нервное возбуждение, повышение содержания холестерина в крови, язвы и болезни сердца. Имеет место возрастающая зависимость человека от неуклонного роста числа автомобилей и оглушающего шума городов. Снижение уровня шума автомобилей достигается усилиями специалистов автомобильной промышленности за счёт уменьшения шума отдельных узлов и агрегатов автомобиля и разработки устройств шумоподавления. Основной вклад в генерацию шума вносят кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом, коробка передач, механическая трансмиссия, глушитель. Вот от этих элементов силовой установки автомобиля нужно избавиться. И эта задача осуществима, как и устранение недостатков, изложенных в пунктах 1 и 2 с помощью
применения принципа возвратно-поступательного движения эластичного поршня и гидравлической трансмиссии, при которой объёмы камер сжатия и расширения различны и в зависимости от их соотношения можно получить любую степень сжатия, что, как известно, важно для дизельного двигателя. Решение изложенных проблем требует кардинального изменения конструкции силовой установки транспортной системы. И это сделано авторами статьи, которые разработали ряд силовых установок и поршневых двигателей внутреннего сгорания с изобарным отводом теплоты, описанных в патентах и монографии. В предложенных конструкциях двигателей и установок устранены указанные выше недостатки современной транспортной энергетической установки.
Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. Сделан анализ эффективности поршневой силовой установки транспортной системы.
2. Изложены причины низкой эффективности: дискретный режим работы двигателя, обусловленный необходимостью постоянной синхронизации режима его работы с режимом движения транспортного средства; механическая трансмиссия со значительной металлоёмкостью; изохорный отвод теплоты низкотемпературному источнику.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хачиян, А. С. Двигатели внутреннего сгорания / А. С. Хачиян, К. А. Морозов, В. Н. Луканин.- М.: Высшая школа, 1985. 311 с.
2. Фленнери, Т. Грозит ли земле катастрофа? Пер. с англ.- М.: ТД «Издательство Мир книги», 2007. 352 с.
3. Перспективы развития двигателей внутреннего сгорания [Электронный ресурс]; Режим доступа: http://avtonov. info/ perspektivy-dvs.
