1.1 Двигуни внутрішнього згоряння

В теперішній час зростає потреба в ефективних та екологічно чистих автотранспортних засобах. Ця проблема пов’язана з невирішеними задачами, які пов’язані з тим, що в якості силових установок автомобілів застосовуються двигуни внутрішнього згоряння (бензинові, дизельні або з газовим обладнанням), які, як показує аналіз, досягають піку своєї еволюції у галузі екологічної безпеки.

Теплові двигуни, в циліндрах яких одночасно проходять процеси згоряння палива, виділення теплоти і перетворення її частини в механічну роботу, називаються двигунами внутрішнього згоряння.

Розвиток цих двигунів почався з 1860 року, коли французький механік Ленуар вперше побудував невеликий двотактний газовий двигун. Двигун працював без стиснення суміші світильного газу з повітрям. Запалювання робочої суміші відбувалося за допомогою електричної іскри. К.к.д. такого двигуна коливався від 3 до 5% і був нижчим к.к.д. поршневих парових машин того часу, що було наслідком нераціонального циклу, запропонованого винахідником. Однак цей винахід зіграв велику роль у справі створення двигунів внутрішнього згоряння.

Подальший розвиток двигунів внутрішнього згоряння пішов шляхом удосконалення запропонованої конструкції без зміни робочого циклу. На мал. 4.10 представлений такий тип двигуна.

І лише німецькому техніку Ніколаусу Авґусту Отто (1832–1891) з Кельна у 1887 році в співдружності з інженером Е. Ланґеном вдалося побудувати чотиритактний горизонтальний одноциліндровий газовий двигун потужністю 4 к.с. зі стисненням робочої суміші. Двигун працював за принципом, запропонованим французьким інженером Бо-де-Роша. К.к.д. їх двигунів досягав вже 7–18%, тобто був вищим к.к.д. парових машин того часу. Створений двигун можна вважати прототипом сучасних двигунів внутрішнього згоряння, що працюють на газоподібному і рідкому паливі.

 

Мал. 4.10. Атмосферний двигун Отто і Ланґена (1865–1866 рр.)

Мал. 4.11. Двигун Отто. Індикаторна діаграма

Один з перших найвдаліших бензинових двигунів для автомобільної промисловості був запатентований Г. Даймлером в Німеччині у 1885 році.

Двигуни внутрішнього згоряння після значних конструктивних змін стали у ХХ столітті основними двигунами всіх транспортних засобів. Основоположником двигунів внутрішнього згоряння вважається Рудольф Дизель .

 Рудольф Дизель (1858–1913) – німецький інженер, творець двигуна внутрішнього згоряння із запалюванням від стиснення. У 1878 році він закінчив Вищу політехнічну школу в Мюнхені. У патентах 1892 і 1893 рр. Дизель висунув ідею створення двигуна внутрішнього згоряння, що працює за циклом, близьким до ідеального, в якому найвища температура досягалася стисненням чистого повітря. У 1913 році для ведення переговорів Дизель, узявши із собою найцінніші документи з виготовлення двигуна, відплив до Англії. Але до Англії він не дістався, а безслідно зник з корабля за невідомих обставин.

1.2. Удосконалення двигунів внутрішнього згорання (двз)

Вдосконалення існуючих двигунів проводиться за такими основ­ними напрямками:

• поліпшування системи запалювання;

• зміна процесів подачі палива в циліндри двигуна;

• встановлення додаткових приладів, які зменшують вміст шкідливих компонентів у відпрацьованих газах.

• оптимізації робочого процесу;

• застосування інтелектуальних сис­тем керування силовими установками автомобілів,

• утилізації теплоти та нейтралізації токсичних компонентів відпрацьованих газів

• застосуванням альтернативних джерел енергії для двигунів внутріш­нього згоряння (газогенератори, паливні елементи) та використанням екологічних пальних (стиснутий або зріджений газ, етанол, водень, біо­дизель);

• використанням альтернативних силових установок (СУ) для автомо­більних транспортних засобів (електродвигуни, гідравлічні двигуни, інер­ційні двигуни тощо), які не забруднюють навколишнє середовище.

 Система запалювання значною мірою впливає на процеси згорання палива. Відомо, що система іскрового запалювання робочої суміші за допомогою традиційного розподільника-переривника не завжди задовольняє сучасним вимогам, ( зв’язаним з повним згоранням палива).

 Цей при­лад достатньо „капризний”. В умовах експлуатації він не завжди на­дійно здійснює запа­лювання суміші, а це супроводжується підвищен­ням у вихлопі продуктів неповного згорання окису вуглецю і неспаленого палива.

 Значне поліпшення в цьому відношенні дає застосування безконтак­тного електронного запалювання, яке забезпечує більш потужний розряд на свічках запалення і відрізняється більшою стабільністю роботи. В останній час система електронного запалювання знаходить все більше роз­повсюдження. На деяких нових моделях зарубіжних автомобілів ця сис­тема доповнюється мікро-ЕОМ, яка автоматично оцінює момент випере­дження запалювання суміші,  залежно від навантаження на двигун і швид­кості руху, оптимізує витрати палива і склад відпрацьованих газів.

 Для поліпшення процесу згорання палива в циліндрі широке засто­сування  знаходить фор камерне або факельне запалювання. Суть його по­лягає в тому, що в малій форкамері багата суміш підпалюється, як  зви­чайно, електричною іскрою, а утворений при цьому потужний факел по­лум’я запалює основну частину більш бідної робочої суміші в циліндрі, що супроводжується поліпшенням згорання палива. Такі двигуни дозволяють зменшити викиди всіх токсичних компонентів, включаючи й окисли азоту, і при цьому економити до 10% палива.

Зміна процесів подачі палива в циліндри досягається низкою заходів.

 Перший з них – це спроба встановлення на двигуні двох карбю-раторів, відрегульованих на подачу бідної робочої суміші та нормальної робочої суміші. Відповідно, перший карбюратор живить дви­гун на холостому ході, а другий – на робочих режимах.

Пізніше були розроблені нові, більш складні конструкції карбю­раторів, здатних а одному блоці сполучати вказані функції і готува­ти необхідний склад робочої суміші на будь-який режим роботи двигу­на.

 Другий захід полягає в зміні клапанного механізму з метою більш тонкого розпилення і кращого перемішування суміші при над­ходженні її в циліндри. В ряді нових конструкцій передбачається ре­гулювання висоти піднімання впускних клапанів залежно від на­вантаження, що поліпшує процес заповнення циліндрів сумішшю і її зго­рання.

 Третій захід полягає в заміні карбюратора форсунками для безпо-середнього вприскування палива у впускний трубопровід або в циліндри.

 Ця система забезпечує найкраще розпилювання палива і пе­ремішування його з повітрям а також розподілення суміші в окремі циліндри.

 Система безпосереднього вприскування особливо ефективна в спо­лученні з електронним управлінням, яке автоматично дозує паливо  залежно від режиму роботи двигуна. При цьому не тільки знижуєть­ся токсичність газів і збільшується економія, а й підвищується по­тужність двигуна на 10...20%.

Основним недоліком автомобілів з ДВЗ, крім шкідливих викидів у вигляді хімічних речовин і з'єднань, є його неефективна робота, особливо при експлуатації автомобілів у великих мегаполісах в години пік. Теоретичні та експериментальні дослідження показують, що шляхом оптимізації ступеня стиснення і робочого об’єму ДВЗ може бути поліпшена експлуатаційна паливна економічність і забезпечено зниження викиду парникових газів (СО2) в умовах міського руху не більш ніж на 20-40 %.

В даний час провідні світові виробники автомобілів впроваджують близько 100 різних моделей автомобілів, що працюють на альтернативних видах палива. В якості альтернативних видів палива розглядаються: зріджений нафтовий газ, природний газ, біометан, біопаливо і водень. До 2020 р., згідно резолюції ООН, в країнах Європи очікується збільшення таких автомобілів до 23 % від всього автопарку, з них 10 % (близько 30,5 млн. одиниць) будуть експлуатуватися на природному газі.

Найбільш перспективним видом альтернативного палива є водень. Але сучасний рівень розвитку технологій не дозволяє використовувати водень ефективно.

Виготовлення водневого палива для автомобілів в чотири рази дорожче, ніж виробництво автомобільного бензину в кількості, достатній для виробництва аналогічної кількості енергії. Крім того, залишається проблемою створення «водневої інфраструктури» – мережі заправних станцій і сервісних центрів необхідних для обслуговування автомобілів, що працюють на водневому паливі. За оцінками Аргоннської національної лабораторії, в масштабах США для цього потрібно витратити більше $ 600 млрд. Може тому президент США Барак Обама признав безперспективним розвиток виробництва автомобілів, що працюють на водні, зробивши вибір на користь електромобілів. Він ліквідував «Фонд розвитку автомобілів з водневими двигунами» з бюджетом $ 1,2 млрд., який був заснований його попередником Джорджем Бушем молодшим у 2003 р. Як вважає Обама, майбутнє водневої технології викликає сумніви, особливо на тлі швидкого розвитку ринку електричних транспортних засобів. В теперішній час вирішення екологічних та економічних проблеми в сучасному автомобілебудуванні можливо за рахунок використання електричного привода, який застосовується в електромобілях та гібридних автомобілях. Увага конструкторів до автотранспортних засобів з електричною тягою підтримується також тим, що вони мають важливу перевагу – відсутність шкідливих викидів. По-друге, коефіцієнт корисної дії сучасних електричних двигунів досягає 95 %. В порівнянні, ККД бензинового двигуна в оптимальному режимі не перевищує 30 %, дизельного – 40 %, паливних елементів на водню – 60 %.