Современные двигатели внутреннего сгорания: Современные двигатели внутреннего сгорания: новые модели и инновации от лидеров индустрии автомобилестроения

Содержание

Современные двигатели внутреннего сгорания: новые модели и инновации от лидеров индустрии автомобилестроения

Шествие двигателей внутреннего сгорания продолжается, при этом в них появляются инновации – от изменяемой степени сжатия до клапанов без кулачков. Электрические силовые агрегаты в наши дни на пике моды, но эволюция двигателя внутреннего сгорания не замедлилась. На самом деле, новые изменения происходят быстрее, чем когда-либо. Рассмотрим, например, этот краткий список последних инноваций двигателя: двигатель с турбонаддувом без кулачков; новый дизель с самым низким в мире коэффициентом сжатия; четырехцилиндровый двигатель с переменным коэффициентом сжатия; первый в мире бензиновый двигатель, использующий зажигание при сжатии. Здесь мы собрали фотографии двигателей, предлагающих некоторые из последних инноваций в области силовых агрегатов. От интеллектуальных двигателей грузовиков до крошечных моделей с турбонаддувом, мы предлагаем вам подборку основных достижений последних лет. Пролистайте следующие слайды, чтобы увидеть лучшие из них. 2,2-литровый двигатель Mazda SkyActiv-D имеет самый низкий в мире коэффициент сжатия (14,1:1) среди всех дизельных двигателей, что, как сообщается, дает потребителям множество преимуществ.

Воспользуйтесь нашими услугами

Более низкие показатели сжатия идут рука об руку с более низким давлением и пониженной температурой в верхней части поршня, что способствует лучшему смешению воздуха и топлива, а также уменьшает проблемы с оксидами азота и сажей, давно ассоциирующиеся с дизельным двигателем, говорит Mazda.

Более того, более низкий коэффициент сжатия SkyActiv-D обеспечивает меньшее трение и меньший вес конструкции. На нью-йоркском автосалоне на прошлой неделе японский автопроизводитель объявил, что собирается изменить антидизельные настроения последнего времени, установив новый 2,2-литровый дизельный двигатель на компактный кроссовер CX-5 2019 года.

Представьте себе полноразмерный пикап, работающий всего на двух цилиндрах. Это то, на что способен Chevrolet Silverado, благодаря добавлению в новый 2,7-литровый турбодвигатель электромеханического регулируемого распределительного вала и функции активного управления подачей топлива (Active Fuel Management). В целом, двигатель предлагает 17 различных схем отключения цилиндров, что позволяет ему справиться практически с любой ситуацией при движении. «Это все равно, что иметь разные двигатели для работы на низких и высоких оборотах», — отметил главный инженер двигателя Том Саттер в пресс-релизе. «Профиль распределительного вала и синхронизация клапанов полностью отличаются на низких и высоких скоростях». Двигатель мощностью 310 л.с. и крутящим моментом 471.8 Нм заменяет 4,3-литровый V-6 на Silverado.

Производитель суперкаров Koenigsegg Automotive AB возлагает большие надежды на технологию безкулачкового двигателя, которую он представил на концептуальном автомобиле в 2016 году. Известная как FreeValve, эта технология использует «пневмо-гидравлические-электронные» приводы для управления процессом сгорания в каждом цилиндре. Koenigsegg говорит, что с помощью этих приводов, вместо кулачковых валов, можно более точно управлять процессом сгорания в каждом цилиндре. FreeValve также позволяет люксовому автопроизводителю отказаться от других дорогостоящих автозапчастей, включая корпус дроссельной заслонки, кулачковый привод, ГРМ, выпускной клапан, предкаталитический преобразователь и систему непосредственного впрыска. По слухам, компания готовит технологию для установки на суперкар стоимостью 1,1 миллиона долларов, который будет выпущен в 2020 году. В интервью Top Gear основатель компании Кристиан фон Кёнигсегг (Christian von Koenigsegg) заявил, что FreeValve позволит ему построить автомобиль с нулевым уровнем выбросов и двигателем внутреннего сгорания. «Идея заключается в том, чтобы доказать миру, что даже двигатель внутреннего сгорания может быть полностью СО2-нейтральным», — сказал он.

Говорят, что двигатель Nissan VC-Turbo является первым в мире готовым к производству двигателем с переменным коэффициентом сжатия. VC-Turbo разрабатывался более 20 лет, и он использует усовершенствованную многозвеньевую систему для изменения коэффициента сжатия. Во время работы, угол наклона многозвеньевых рычагов варьируется, что приводит к регулировке верхней мертвой точки поршней. С изменением положения поршня меняется и степень сжатия. Результат — производительность по требованию. Высокий коэффициент сжатия обеспечивает большую эффективность, в то время как низкий коэффициент сжатия увеличивает мощность и крутящий момент. VC-Turbo доступен в Nissan Altima 2019.

3,6-литровый двигатель Pentastar от Fiat Chrysler Automobiles является примером внимательного отношения к деталям и политики постоянного совершенствования. Двигатель использует две ключевые особенности для повышения топливной экономичности и крутящего момента. Первая из них — это регулируемый подъем клапана (VVL). VVL позволяет двигателю оставаться в режиме пониженного подъема до тех пор, пока водитель не потребует больше мощности. Затем он реагирует переключением в режим повышенного подъема для улучшения сгорания топлива. Вторая инновация — это рециркуляция отработавших газов с охлаждением, которая, как говорят, сокращает выбросы вредных веществ, снижает потери при прокачке и позволяет работать без стука при высоких нагрузках двигателя. Эти особенности обеспечивают Pentastar увеличение экономии топлива на 6%, при этом крутящий момент увеличивается на 14,9%. Fiat Chrysler также отмечает, что эти улучшения наблюдаются на скоростях двигателя ниже 3000 оборотов в минуту, когда повышенный крутящий момент необходим больше всего.

В наши дни производительность двигателя — это не только крутящий момент и лошадиные силы. Речь идет и об эффективности. Toyota доказала это в 2018 году, представив 2,5-литровый четырехцилиндровый двигатель Dynamic Force, который, по имеющимся данным, обладает тепловым КПД около 40%. Это большой шаг вперед, учитывая, что большинство современных двигателей приближаются к 30%, что, в свою очередь, означает, что 70% сгорания топлива теряется в виде тепла. Toyota добилась этого с помощью ряда современных усовершенствований, включая длинный ход, высокий коэффициент сжатия, форсунки с двойными распылителями, интеллектуальную регулировку синхронизации клапанов и непосредственный впрыск топлива. Результат: Экономия топлива на трассе 2018 Camry составляет 29 и 41 мг, что на 26% выше по сравнению с предыдущей моделью.

1,5-литровый двигатель EcoBoost от Ford заслуживает внимания, потому что это еще один пример «умного» маленького двигателя, способного управлять относительно большим автомобилем с помощью двух цилиндров. Рядный трехцилиндровый EcoBoost выполняет эту задачу при отключении цилиндра, который определяет ситуацию, когда один цилиндр не нужен, и поэтому автоматически отключает его. Система может отключить или активировать цилиндр всего за 14 миллисекунд для поддержания плавного хода. Однако даже на трех цилиндрах она способна выдать 180 л.с. и 240 Нм крутящего момента (при сгорании 93-октанового топлива). Этот двигатель установлен в европейском Ford Fusion и американском внедорожнике Ford Escape, способном буксировать до 2,000 фунтов.

В 2018 году компания Cadillac еще больше увлеклась турбокомпрессорами, представив двигатель Twin Turbo V-8. Twin Turbo использует «горячую V-образную конфигурацию» — то есть устанавливает турбокомпрессоры в верхней части двигателя, в ложбине между головками. Таким образом, инженеры Cadillac утверждают, что они уменьшили общий размер конструкции двигателя и практически ликвидировали отставание турбокомпрессоров. Использованный на Cadillac CT6 V-Sport, новый двигатель выдает примерно 550 л.с. и обеспечивает потрясающий крутящий момент в 850.1 Нм.

Для тех, у кого есть страсть к старомодным лошадиным силам и крутящему моменту, у Dodge есть ответ в виде 6,2-литрового высокомощного двигателя HEMI V-8. Двигатель, выдающий 797 л.с. и 958.6 Нм крутящего момента, большую часть своей мощности черпает из 2,7-литрового нагнетателя — самого большого заводского нагнетателя среди всех серийных автомобилей. Наряду с нагнетателем в двигателе используются высокопрочные шатуны и поршни, высокоскоростной клапанный механизм и два двухступенчатых топливных насоса. 6,2-литровый двигатель, используемый в Dodge Challenger Hellcat Redeye, способен принимать огромное количество бензина в высокопроизводительном режиме, опорожняя бак чуть менее чем за 11 минут. Хорошая новость, однако, в том, что при нормальных дорожных условиях Hellcat все еще находится на отметке 10.69 л/100 км. Dodge хвастается тем, что Hellcat является самым быстрым в отрасли маслкаром с разгоном 0-100 км/ч в 3,4 секунды.

Поговорим о другой крупной инновации в двигателе 2018 года: Mazda выпустила двигатель SkyActiv-X, который, как говорят, является первым в мире бензиновым двигателем, использующим воспламенение при сжатии. Соединив две классические технологии, инженеры Mazda утверждают, что они объединили высокую тягу бензинового двигателя с эффективностью, крутящим моментом и реакцией дизеля. Ключом к их реализации является технология, известная под названием Spark Controlled Compression Ignition, которая максимально увеличивает зону, в которой возможно воспламенение от сжатия, и обеспечивает плавный переход между воспламенением от сжатия и воспламенением от искры. При внедрении двигателя прошлой осенью Mazda сообщила удивительные цифры: крутящий момент повысился на 10-30%, а КПД — на 20-30% по сравнению с предшественником. Mazda говорит, что двигатель также предлагает большую свободу в выборе передаточных чисел, что еще больше увеличивает экономию топлива и ходовые качества двигателя.

Автор: T-800
Источник: https://habr.com/

Воспользуйтесь нашими услугами

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Двигатели внутреннего сгорания (Инженерная академия, магистратура, очная)

О профессии

Транспортные перевозки играют ключевую роль в развитии экономики стран и регионов. Практически все силовые установки автомобильного, воздушного, водного, железнодорожного и специального транспорта оснащены тепловыми двигателями (в большинстве своем поршневыми). Современные направления двигателестроения связаны с созданием малотоксичных и экономичных двигателей внутреннего сгорания, транспортных средств с гибридными силовыми установками, использованием традиционных и альтернативных топлив.

Выпускники департамента выполняют научно-исследовательские работы любой сложности в области малой энергетики, работают в научно-исследовательских институтах и на заводах двигателестроительной отрасли, занимающихся разработкой новых и модернизацией существующих моделей силовых установок для транспорта и малой энергетики.


Учебный процесс

Учебный процесс в магистратуре направлен на изучение основ создания, исследования, моделирования, производства, эксплуатации двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и энергетических установок с ДВС, процессов преобразования энергии в ДВС, комбинированных ДВС и их элементов. Магистр техники и технологий приобретает навыки по принятию обоснованных решений на стадиях выбора, проектирования, создания, испытаний, эксплуатации, обеспечивающих надежную и экономичную работу энергетических установок с ДВС и комбинированных ДВС, навыки использования принятых в отрасли методов расчета, графических пакетов, баз данных для обеспечения надежной эксплуатации энергетических установок. Он способен выполнять расчеты по определению основных показателей экономичности и надежности ДВС и комбинированных ДВС.

Изучаемые специальные дисциплины охватывают основные направления энергетического машиностроения применительно к двигателям внутреннего сгорания: «Математическое моделирование тепловых двигателей», «Современные энергетические технологии», «Патентоведение», «Автоматическое регулирование тепловых двигателей», «Когенерационные установки на базе тепловых двигателей», «Современные компьютерные коммуникационные технологии», «Методы испытаний ПГТ», «Специальные главы теории тепловых двигателей», «Автоматическое регулирование тепловых двигателей», «Системы топливоподачи ДВС», «Проблемы снижения вредных выбросов ДВС», «Современные проблемы науки и производства в энергетическом машиностроении», «Специальные главы теории и конструирования ДВС».


Практика

В результате прохождения ознакомительных, учебных и производственных практик студенты знакомятся с современной техникой, организацией и управлением предприятиями, а также новейшими методами научных исследований. В рамках педагогической практики выпускники получают навыки преподавательской деятельности. Департамент сотрудничает с ведущими российскими вузами, среди которых МГТУ им. Баумана, МАДИ, МЭИ, КАИ, МАИ, МАМИ. Практики организуются на таких предприятиях, как «Мосэнерго», Объединенный институт высоких температур РАН, «Коломенский завод», ТЭЦ-25 и других флагманах теплоэнергетики.


Карьера

Выпускники могут построить успешную карьеру в инновационно-ориентированных высокотехнологичных двигателестроительных, энергетических и машиностроительных компаниях, работать в структурах, занимающихся научной и конструкторской деятельностью, научных и научно-производственных учреждениях и на предприятиях реального сектора экономики.
Полученные студентами в процессе обучения знания позволяют им плодотворно трудиться в сервисных центрах по обслуживанию, ремонту и проектированию автомобилей, тракторов, быстроходных гусеничных машин, специальной колёсной и гусеничной техники и т.д.
После окончания магистратуры есть возможность продолжения учебной и научной деятельности в аспирантуре.

Geely и Volvo будут совместно разрабатывать двигатели внутреннего сгорания

Zhejiang Geely Holding Group (Geely) и ее дочерняя компания Volvo Car Group (Volvo) объединят свои усилия по разработке современных двигателей.

Zhejiang Geely Holding Group (Geely) и ее дочерняя компания Volvo Car Group (Volvo), полностью находящаяся в собственности концерна, объединят свои усилия по разработке современных двигателей с целью создания ведущего в мире предприятия по производству двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и гибридных силовых установок нового поколения.

Бизнес-проект пока находится на стадии разработки. Предполагается, что данный шаг позволит Volvo Cars сосредоточиться на производстве полностью электрических автомобилей премиум-класса. Компания ожидает, что к середине следующего десятилетия половина глобальных продаж будет приходиться на полностью электрические автомобили, а другая половина – на гибридные модели, поставляемые новым предприятием.

Новое подразделение будет заниматься разработкой эффективных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и гибридных силовых установок, которые получат передовое техническое оснащение, а также их производством для компаний Volvo Cars, Geely Auto, Lynk & Co, Proton, Lotus и LEVC с целью укрепления взаимодействия между брендами.

Предприятие объединит 3000 специалистов Volvo и 5000 сотрудников Geely, работающих над двигателями внутреннего сгорания. Их деятельность включает в себя исследования, разработки, закупки, производство, ИТ и финансы. Сокращений рабочей силы не планируется.

С момента приобретения компанией Geely марки Volvo в 2010 году оба бренда достигли рекордных показателей продаж. Новое бизнес-подразделение должно способствовать дальнейшему сотрудничеству сторон в сфере научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, производства, закупок и прочих операций.

В мировой автомобильной промышленности возрастает спрос на эффективные двигатели внутреннего сгорания и гибридные силовые установки. Проект позволит компаниям продавать двигатели и силовые установки сторонним производителям, тем самым создавая возможности для роста.

«Продолжая работу над переходом к полностью электрифицированным автомобилям, мы в то же время будем увеличивать инвестиции в разработку высокоэффективных двигателей внутреннего сгорания и гибридных силовых установок. Это позволит нам обеспечить клиентов новейшими продуктами и услугами, а также повысить эффективность нашей совместной работы», − заявил президент Zhejiang Geely Holding Group и генеральный директор Geely Auto Group Ань Цунхуэй.

«Гибридным автомобилям необходимы лучшие двигатели внутреннего сгорания. У нового подразделения будут ресурсы, знания и опыт для эффективной разработки этих силовых агрегатов», — комментирует Хокан Самуэльссон, президент и главный исполнительный директор Volvo Cars.

В настоящее время бизнес-план находится на стадии разработки. Затем его рассмотрят руководители компаний и профсоюзов – проект должен получить одобрение со стороны совета директоров и соответствующих органов власти.

Анализ современных двигателей внутреннего сгорания с электросиловыми установками Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

НАУКА БЕЗ ГРАНИЦ • № 6 (34) • 2019

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 62-1/-9

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЭЛЕКТРОСИЛОВЫМИ УСТАНОВКАМИ

Столяров Даниил Михайлович, студент 2-ого курса Института механики и энергетики имени В.П. Горячкина,

Коротких Юлия Сергеевна, старший преподаватель кафедры автомобильного транспорта, Пуляев Николай Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного

транспорта;

ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К.А, Тимирязева, Москва, РФ

В данной статье рассмотрены современный ДВС и электросиловые установки и проведено их сравнение с целью выявления на сегодняшний день лучшего двигателя. Сделаны выводы о положительных свойствах электродвигателя.

Ключевые слова: ДВС; электросиловая установка; электродвигатель; топливо; устройство; ток; автомобиль.

ANALYSIS OF MODERN INTERNAL COMBUSTION ENGINES WITH ELECTRIC POWER PLANTS

Stolyarov Daniil Mikhailovich, student of 2nd course of Institute of engineering and energy named

after V.P. Goryachkin, Korotkikh Yulia Sergeevna, senior lecturer of the Department of road transport, Pulyaev Nikolay Nikolaevich, PhD (Cand. Tech. Sci.), associate professor of the Department of road

transport;

Timiryazev State Agrarian University, Moscow, Russia

This article describes the modern internal combustion engines and electric power plants and compares them in order to identify today the best engine. Conclusions about positive properties of the electric motor are drawn.

Keywords: internal combustion engine; electric power plant; electric motor; fuel; device; current; car

Для цитирования: Столяров Д.М., Коротких Ю.С., Пуляев Н.Н. Анализ современных двигателей внутреннего сгорания с электросиловыми установками // Наука без границ. 2019. № 6(34). С. 56-59.

Значительный рост во всех отраслях требует перемещения большого количества товаров и пассажиров. Высокая проходимость, вместительность и комфорт для работы в различных условиях делают автомобиль одним из основных средств перевозки грузов и пассажиров.

Чтобы выяснить, какой двигатель на сегодняшний день обладает более высокими характеристиками, требуемыми от него, рассмотрим каждый двигатель отдельно.

Современные ДВС с электронным

впрыском топлива

Возможно, серьезным шагом в эволюции автомобильных двигателей является разработка электронной системы впрыска топлива. По сравнению с механическими аналогами, электронные системы дали возможность намного точнее вести контроль количества смеси, которая подается в цилиндры двигателя. Начальные технологические процессы предусмотрели систему электронного впрыска с одной точкой, которая была заменена многото-

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

НАУКА БЕЗ ГРАНИЦ • № 6 (34) • 2019

чечными и даже многопортовыми системами впрыска. Но многопортовый впрыск на сегодняшний день почти не применяется из-за сложности и дороговизны конструкции [5, 6].

Сегодня датчики кислорода, обычно называемые лямбда-зондами, используются в конструкции двигателей впрыска. Такие датчики установлены в системах выпуска отработавших газов, выполняя функцию контроля эффективности сгорания топлива в каждом цикле. На многих автомобилях установлены два или более кислородных датчика до и после каталитического нейтрализатора. Обладая всеми преимуществами, лямбда-зонды имеют существенный недостаток, наиболее явный в российских условиях эксплуатации автомобиля. Данные устройства весьма чувствительны к качеству горючего и при применении топлива невысокого качества имеют все шансы выходить из строя уже после некоторых тысяч пробега [2, 7, 8].

Кроме двигателей, работающих согласно принципу цикла Отто, в мире нынешней автопромышленности применяют и прочие технологии. Таким образом, в качестве варианта мы можем охарактеризовать двигатели, работающие согласно принципу цикла Аткинсона. Но данные двигатели не так распространены из-за меньшей мощности при других равных свойствах. Как правило, бензиновые двигатели, работающие согласно циклу Аткинсона, применяются в смешанных силовых установках [3].

Устройство тягового моторного транспортного средства

Устройство электродвигателя автомобиля зависит от многих факторов. Электродвигатели для электромобилей могут быть равно как постоянного, так и переменного тока. В последнее время только двигатель переменного тока (синхронный либо асинхронный) установлен в автомобиле данного вида. Первоначальные

электродвигатели для машин были постоянного тока. Это логично, поскольку аккумулятор вырабатывает постоянный ток, а электродвигатель также является постоянным током. Они используются сейчас, но не так часто. Двигатели переменного тока намного экономичнее и надежнее. Существует два вида маркировки электродвигателя: АС - двигатель переменного тока, DС - постоянного. Каждый электродвигатель имеет ротор и статор. Ротор - вращающаяся часть, статор не вращается (фиксируется). Ротор и статор имеют обмотки, которые состоят из отдельных проводников. Коллектор предназначен для подачи электрического тока на вращающуюся часть двигателя. От статора к коллектору ток передается с помощью специальных щеток. Взаимодействие магнитных полей вызывает вращение ротора [1].

Двигатели переменного тока работают немного по-другому. Статор создает магнитное поле, которое вращается само по себе. Оно (поле) может уносить стальные предметы, то есть заставлять вращаться ротор. По этой причине на роторе не требуется намотка. Но в этом случае скорость вращения ротора будет отставать от скорости вращения магнитного поля статора. Такие электродвигатели работают асинхронно [1].

Чтобы точно знать, с какой частотой вращается ротор, и отрегулировать эту частоту, необходимо разместить электрическую обмотку на роторе. Такие электродвигатели называются синхронными. Но слабое звено электродвигателя - коллектор вновь появляется. Щетки изнашиваются и требуют замены. Асинхронные двигатели не нуждаются в обслуживании [1].

Во время работы каждый мотор нагревается. По этой причине тема охлаждения электромобилей очень важна. Система охлаждения может быть автономной и принудительной. На электромобилях большой грузоподъемности, например, на БелА-

НАУКА БЕЗ ГРАНИЦ • № 6 (34) • 2019

тЕхНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Зе, принудительное охлаждение (подача охлаждающего воздуха осуществляется специальным вентилятором). Маленькие автомобили и машины на самом двигателе имеют рабочее колесо, которое продувает воздух через двигатель, тем самым охлаждая его.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод.

Полностью разобравшись с каждым двигателем в отдельности и рассмотрев их конструктивные особенности, можно сделать выводы:

1. Надежность. Электромобили намного надежнее своих бензиновых аналогов. У них меньше движущихся и изнашивающихся частей, так как сам двигатель и КПП намного проще. Помимо этого, из-за низкого КПД у бензиновых двигателей выделяет большое количество теплоты во время его работы, что ускоряет износ основных узлов силового агрегата.

2. Пометка. Единственная часть двигателя, которая беспокоит - это аккумулятор. Со временем он теряет часть своей первоначальной электрической емкости. Но статические данные позволяют нам судить, что при правильном уходе маловероятно, что батарея потеряет более 20% своей емкости на расстоянии 250 000 км.

3. Стоимость обслуживания и эксплуатации. Следствием высокой надежности

электромобилей являются низкие затраты на ремонт и техническое обслуживание. В дополнение к этому у них значительно меньше расходных материалов и жидкостей, которые требуют регулярной замены. Полная зарядка с электричеством будет дешевле для владельца автомобиля, чем заполнение бака обычного автомобиля самым дешевым топливом.

4. Скорость и безопасность. У электродвигателей нет необходимости в коробке передач, поэтому способны мгновенно и более точно передавать количество крутящего момента на колеса, благодаря чему электромобили очень динамичны и позволяют безопасно управлять автомобилем. Расположение батареи в днище автомобиля позволяет сместить центр тяжести ниже и увеличивает жесткость корпуса, что положительно сказывается на управляемости и безопасности при боковых столкновениях. Отсутствие массивного двигателя в передней части электромобиля создает своего рода «буферную зону», смягчающую последствия лобового столкновения.

Подводя итог всему вышесказанному, можно сделать вывод, что на современном этапе развития технологий электродвигатели обладают рядом неоспоримых преимуществ, и я думаю, что можно с уверенностью сказать, что будущее транспорта стоит за электрической энергией.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Разработка электромобилей ОАО «АвтоВАЗ». Электромотор для электромобиля [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://10i5.ru/raznoe/elektromotor-dlya-elektromobilya.html. (дата обращения: 11.06.2019).

2. Электродвигатель или ДВС? Плюсы и минусы двух технологий [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://eenergymedia/2018/08/20/elektrodvigatel-ili-dvs-plyusy-i-minusy-dvuh-tehnologij (дата обращения: 12.06.2019).

3. Электродвигатель или ДВС? Противостояние двух технологий [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://renen.ru/an-electric-motor-or-an-ice-confrontation-of-two-technologies (дата обращения: 12.06.2019).

4. История развития бензиновых двигателей внутреннего сгорания [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://sovavto.org/novosti/istoriya-razvitiya-benzinovyx-dvigatelej-vnutrennego-sgoraniya (дата обращения: 12.06.2019).

тЕхНИЧЕСКИЕ НАУКИ

НАУКА БЕЗ ГРАНИЦ • № 6 (34) • 2019

5. Коротких Ю.С. К методу оценки воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду // В сборнике: Проблемы развития технологий создания, сервисного обслуживания и использования технических средств в агропромышленном комплексе. - Воронеж, 2017. - С. 14-18.

6. Коротких Ю.С. Экологический стандарт Евро-6 в Европе и России [Электронный ресурс] // Управление рисками в АПК. 2016. № 1. - Режим доступа: http://www.agrorisk.ru/#!korotkih-1/ lsuyi (дата обращения: 25.05.2016).

7. Пуляев Н.Н., Коротких Ю.С., Приваленко А.Н. Обеспечение экономии топливно-энергетических ресурсов и качества топливно-смазочных материалов. - М. : ООО «Автограф», 2018. - 120 с.

8. Асадов Д.Г. Теоретические основы экологической безопасности на автомобильном транспорте / Д.Г. Асадов, ЮН. Ризаева, ВС. Богданов, Н.Н. Пуляев, Ю.С. Коротких. - М. : УМЦ «Триада», 2017. - 60 с.

REFERENCES

1. Razrabotka elektromobilej OAO «AvtoVAZ». Elektromotor dlya elektromobilya [The development of electric cars of "AVTOVAZ". Electric motor for electric car]. Available at: https://10i5.ru/ raznoe/elektromotor-dlya-elektromobilya.html. (accessed 11.06.2019).

2. Elektrodvigatel' ili DVS? Plyusy i minusy dvuh tekhnologij [The electric motor or internal combustion engine? Pros and cons of two technologies]. Available at: https://eenergy.media/2018/08/20/ elektrodvigatel-ili-dvs-plyusy-i-minusy-dvuh-tehnologij (accessed 12.06.2019).

3. Elektrodvigatel' ili DVS? Protivostoyanie dvuh tekhnologij [The electric motor or internal combustion engine? The confrontation between the two technologies]. Available at: http://renen. ru/an-electric-motor-or-an-ice-confrontation-of-two-technologies (accessed 12.06.2019).

4. Istoriya razvitiya benzinovyh dvigatelej vnutrennego sgoraniya [History of development of gasoline internal combustion engines]. Available at: http://sovavto.org/novosti/istoriya-razvitiya-benzinovyx-dvigatelej-vnutrennego-sgoraniya (accessed 12.06.2019).

5. Korotkikh Yu.S. K metodu ocenki vozdejstviya avtomobil'nogo transporta na okruzhayushchuyu sredu [On the method of assessing the impact of road transport on the environment]. V sbornike: Problemy razvitiya tekhnologij sozdaniya, servisnogo obsluzhivaniya i ispol'zovaniya tekhnicheskih sredstv v agropromyshlennom komplekse, Voronezh, 2017, pp. 14-18.

6. Korotkikh Yu.S. Ekologicheskij standart Evro-6 v Evrope i Rossii [Euro-6 environmental standard in Europe and Russia]. Upravlenie riskami v APK, 2016, no 1. Available at: http://www.agrorisk. ru/#!korotkih-1/lsuyi (accessed 25.05.2016).

7. Pulyaev N.N., Korotkikh Yu.S., Privalenko A.N. Obespechenie ekonomii toplivno-energeticheskih resursov i kachestva toplivno-smazochnyh materialov [Saving fuel and energy resources and ensuring the quality of fuel and lubricants]. Moscow, OOO «Avtograf», 2018, 120 p.

8. Asadov D.G., Rizaeva Yu.N., Bogdanov V.S., Pulyaev N.N., Korotkikh Yu.S. Teoreticheskie osnovy ekologicheskoj bezopasnosti na avtomobil'nom transporte [Theoretical foundations of environmental safety in road transport]. Moscow, UMC «Triada», 2017, 60 p.

Материал поступил в редакцию 12.06.2019 © Столяров Д.М., Коротких Ю.С., Пуляев Н.Н., 2019

Неизбежный крах: почему современный автопром не переживет массового распространения электромобилей

Самым значительным экономическим и социальным потрясением следующего десятилетия будет трансформация автоиндустрии. На смену автомобилям с двигателем внутреннего сгорания придут электромобили. Это звучит банально, но те, кто постоянно про это говорит, не задумываются о последствиях. А они будут совсем не банальными.

Современный автопром — это не только продажа и производство автомобилей, но и один из самых крупных потребителей материалов и нефти на планете, а также гигантский потребитель финансовых ресурсов. Типичная крупная автомобильная компания имеет долг в $150-200 млрд. Если брать всю цепочку создания стоимости автомобиля, от добычи полезных ископаемых до постпродажного обслуживания, автокредитования и страхования, в ней занято 46,5 млн человек. С членами семей получается, что за счет автопрома живет около 200 млн человек в развитых странах. Это 20% населения развитых стран.

Объем продаж на осень 2019 года в автопроме и связанных с ним отраслях, включая финансы, достигал $15 трлн. Это приблизительно 18% мирового ВВП. На конец прошлого года капитализация компаний автопрома также составляла около 18% капитализации всего рынка акций.

Когда произойдет технологический сдвиг в пользу электромобилей, производить большинство электромобилей будут совершенно другие компании — не те, что производят автомобили сейчас. Мы это уже несколько раз наблюдали в истории. Самый ближайший аналог — смена сотовых телефонов на смартфоны. Казалось бы, это очень близкие устройства. Но ни Blackberry, ни Nokia, ни Motorola не стали лидерами рынка смартфонов. В 2007 году, когда Apple выпустила первый iPhone, Nokia производила миллиард сотовых телефонов. От нее не осталось камня на камне.

В истории так происходило всегда, потому что большой компании очень сложно принципиально менять свою работу. Она может великолепно отточить процессы и очень дешево выпускать привычные продукты. Автопром сейчас выпускает очень качественные автомобили очень дешево. Однако электромобиль кардинально отличается от автомобиля, хотя внешне они похожи.

У современного автомобиля основная технология и стоимость – это трансмиссия и двигатель внутреннего сгорания, которые сопряжены механически. Ничего этого в электромобиле нет, а есть электродвигатель и литийионная батарея, которые соединены проводами (а это гораздо более простой и менее требовательный к точности технологический процесс). Ни то, ни другое обычный автопром не производит. Даже Tesla не умеет делать батареи, для нее их выпускает Panasonic. Кроме того, электромобили состоят из меньшего количества деталей, в сочетании с более простыми технологическими операциями сборки это приведет к очень высокой степени роботизации производства и уменьшению его масштаба, а значит, инвестиционного порога для создания новых производств.

Реклама на Forbes

Когда происходит технологический сдвиг, старые бренды воспринимаются как нечто из прошлой жизни. Люди не хотят покупать электрический Mercedes, они хотят покупать Tesla. Именно поэтому концерн Daimler не может эффективно продавать электромобили. Мощности старых автопроизводителей будут разрушены чудовищно, хотя и не полностью. Уже до пандемии эти компании стоили в 10 раз меньше собственных активов на балансе.

Традиционные компании будут снижать производство лавинообразно в первую очередь из-за изменения потребительских привычек. Uber подсчитал, что личный автомобиль используется всего на 5%, а тот же автомобиль в Uber — на 40%. То есть в 8 раз эффективнее. Если все пересядут на Uber и будут пользоваться car sharing, автомобилей потребуется значительно меньше. Консенсус-прогноз по производству автомобилей в будущем — 20-30 млн штук в год. Сейчас выпускается 80 млн автомобилей в год. Отказу от автомобилей будут способствовать пробки, высокая стоимость парковки, экологические законы, ограничивающие выбросы. Кроме того, через 5-7 лет автомобили будут управляться автопилотами, а затем людям запретят садиться за руль в целях безопасности. Это уберет последнюю мотивацию во владении автомобилем — любовь к вождению.

Таким образом, мы видим два встречных процесса. Люди станут меньше покупать автомобили и будут лишь пользоваться их услугами, потому что это дешевле и безопаснее. С другой стороны, кардинально изменение состава автомобиля и способа его производства. Современный автопром вряд ли сможет это пережить.

Прибыльность и капитализация традиционных автомобильных компаний будут падать, а долги дорожать — автопроизводители попадут в тяжелое финансовое положение, окажутся на грани банкротства, а многие — за его гранью, им придется закрывать заводы и увольнять миллионы людей. Правительства будут сопротивляться закрытию заводов, а это будет мешать компаниям избавляться от ненужных активов и ненужных людей. Им просто некогда и не на что будет открывать новые производства электромобилей.

Даже если произойдет чудо и традиционные автопроизводители вдруг начнут выпускать и эффективно продавать электромобили, они все равно будут вынуждены сократить производство на 50 млн штук в год по сравнению с уровнем 2019 года.

Новые производства будут меньшего размера, но их будет больше. Количество работающих на этих заводах будет в 5 или в 10 раз меньше, чем сейчас, – почти все те люди, как минимум большинство из них, которые сегодня заняты в автопроме, окажутся безработными. Речь идет о 37 млн человек. Потрясение будет колоссальным, причем произойдет оно  уже скоро — в 2024-2026 годах.

Но есть и хорошая сторона. Все описанное означает, что автопром будет запускаться с нуля. То есть у стран, не имевших национального автопрома, появляется шанс его создать. Автопром умер — да здравствует  автопром!

Мнение автора может не совпадать с точкой зрения редакции

Двигатель внутреннего сгорания это вчерашний день

Почему пришло время уйти двигателю внутреннего сгорания.

Это удивительно, что мы уже более 100 лет используем огонь, металл, бензин и масло, чтобы приводить автомобили в движение. И это в то время, когда в наши дни у каждого из нас есть мобильные телефоны, по мощности ничем не уступающие компьютерам. Наши смартфоны могут распознавать лица, отпечатки пальцев и даже измерять сердечный ритм. У нас есть технологии и высокотехнологичные объекты, которые могут разбить друг об друга протоны, позволяющие изучить их обломки. Это позволяет нам раскрывать тайны Вселенной. Мы также можем посадить зонд на комету и отправить спутник за пределы Солнечной системы. И так можно продолжать до бесконечности... Так почему же в век технологической революции мир до сих пор пользуется устаревшими двигателями внутреннего сгорания?

 

Смотрите также: ДВС это прошлое или будущее?

 

Несмотря на все наши достижения в области науки и техники, двигатель внутреннего сгорания фактически остается основным источником движения всего автотранспорта в мире. И это с учетом того, что этот силовой агрегат был придуман более ста лет назад.

 

Примечательно, что на фоне других, более современных изобретений, двигатель внутреннего сгорания (ДВС) выглядит очень примитивно. Как и сто лет назад, ДВС работает за счет впрыска топлива, его сжатия, воспламенения и ударной волны, которая образуется из-за сгорания топлива.

 

Давайте немного проанализируем, как все работает в автомобиле с обычным двигателем.

И так. Вы вставляете ключ в зажигание и поворачиваете его, чтобы запустить стартер. В итоге стартер начинает двигать поршни двигателя вверх и вниз. Далее начинает работать топливный насос подавая топливо в камеру сгорания двигателя.

 

Вместе с ним начинают работать водяной насос, масляный насос, клапана двигателя, которые начинают свой гармоничный танец, чтобы подавать топливо в камеру сгорания двигателя каждую секунду. В итоге двигатель начинает свою работу, где все его компоненты начинают вращаться и смазываться большим количеством масла.

 

Согласитесь, что этот процесс относится к очень расточительной операции. Ведь для работы двигателя задействовано множество вспомогательного оборудования, которое практически расходует 75 процентов энергии двигателя впустую. К тому же огромное количество вспомогательных компонентов ДВС быстро выходят из строя из-за постоянной высокой нагрузки.

 

 

Но, несмотря на это нельзя говорить, что двигатель внутреннего сгорания изначально основывается на глупой идее. Нет конечно. ДВС служит нам верой и правдой уже более 100 лет и фактически изменил наш мир до неузнаваемости. Но это не означает, что этот удивительный мотор должен служить нам еще следующие 100 лет. Для того времени, когда появился ДВС, это был прорыв, что соответствовало тем технологиям, которые господствовали в ту эпоху.

 

Автомобильные турбокомпрессоры: Все самые важные факты

 

Но сегодня все изменилось и теперь двигатели внутреннего сгорания не вписываются в тот мир, который нас окружает.

 

Вы посмотрите на современные автомобили. Они фактически стали выглядеть, как транспортные средства, которые мы видели не раз в фантастических фильмах и футуристических рассказах. Новые автомобили имеют удивительный дизайн, благодаря новым технологиям конструкции и достижениям в аэродинамике.

 

Современные автомобили могут обмениваться информацией со спутниками, автоматически брать на себя управление автомобилем, предупреждать нас об опасностях на дороге, экстренно тормозить, чтобы избежать опасности, выходить в всемирную сеть Интернет и многое другое.

Но, несмотря на высокотехнологичность, под капотом современных автомобилей, чаще всего, устанавливаются двигатели внутреннего сгорания, которые являются пережитками прошлого. Это в наши дни выглядит точно также, если бы iPhone 7 оснащался поворотным диском для набора номера.

 

В наши дни, в 21 веке двигатель внутреннего сгорания действительно выглядит устаревшим. Особенно его технология получения энергии, которая образуется путем сжигания материала (топлива), от которого образуются отходы в виде газа. И этот вредный газ мы возвращаем обратно в природу, нанося непоправимый вред всей планете.

 

Хочу отметить, что я не сумасшедший эколог, которые часами на пролет разглагольствуют о защите земли, атмосферы и сохранения пингвинов в Антарктиде. Таких "зеленых фанатов" в нашем мире и так предостаточно. Причем хочу отметить, что различных ярых защитников природы (на грани фанатизма) было очень много еще задолго появления паровых двигателей, не говоря уже о появлении ДВС. И хочу вас заверить, что подобных фондов и организаций, борющихся за экологию планеты, будет большое количество даже в том случае, если экологии нашей планеты больше ничего угрожать не будет. 

 

Но несмотря на свой нейтралитет по отношению к экологии природы, я хочу однозначно сказать, что двигатель внутреннего сгорания действительно себя изжил и ему не место в нашем 21 веке и в нашем будущем.

 

Тем более, что в наши дни уже есть технологии, которые основываются на более простых и более эффективных способах получения энергии для движения транспорта. 

 

Но, для того чтобы двигатель внутреннего сгорания ушел навсегда в прошлое, необходимо, чтобы мы с вами поняли, что пришло время поменять наш мир, начав с себя. Дело в том, чтобы любая технология стала основной для использования по всему миру необходимо, чтобы мы к ней привыкли, перестроив свои устои и привычки. Это точно также, как мы сначала тяжело привыкали к мобильным телефонам и долгое время не могли отказаться от домашних стационарных телефонов. Затем на смену пришли смартфоны, которые долгое время оставались нами незамеченными, но в итоге прочно вошли в нашу жизнь. Также можно сказать и о новых технологий в автопромышленности. Ведь пока с нашей стороны не появится спрос на новые источники энергии, новые технологии не смогут отправить двигатели внутреннего сгорания на пенсию. 

 

К сожалению, в наши дни не стоит пока рассчитывать на скорое исчезновение ДВС из современных автомобилей. До того момента, когда двигатели внутреннего сгорания мы сможем увидеть только в музеи или в технической литературе в библиотеке или в Интернете, может пройти еще достаточно времени. Дело в том, что несмотря на устаревшую технологию получения энергии, двигатели внутреннего сгорания еще имеют небольшой потенциал развития и увеличения мощности и экономичности. Этим и пользуются автопроизводители. Но я считаю, что в настоящий момент мы наблюдаем переломный момент в истории ДВС и в скором времени люди начнут понимать, что пришло время отказаться от использования автомобилей, оснащенных традиционными двигателями, работающие на бензине и дизельном топливе. И как только это произойдет, автомобильные компании будут вынуждены в короткий срок перестроиться и начать выпускать массово автомобили без ДВС.

 

Поверьте, совсем скоро двигатели внутреннего сгорания, в качестве источника энергии для передвижения транспорта, станут, как лошади в начале 20 века.

 

На первом этапе заката двигателей ДВС, уйдут самые неэффективные силовые агрегаты. На рынке на определенное время останутся только самые инновационные и экологически чистые двигатели внутреннего сгорания. Затем исчезнут и они.

Так что наше будущее связано с автомобилями, которые будут оснащаться двигателями, работающие на альтернативных источниках энергии.

 

Скорее всего, совсем скоро мы будем владеть автомобилями с электрическими двигателями, часть которых будет заряжаться электроэнергией, а часть водородным топливом. 

 

Смотрите также: Как владелец компании Хонда доказал General Motors, что его автомобили лучше

 

Но также есть вероятность и появления новых видов источников энергии для автотранспорта или нас ждет возрождение старых давно забытых технологий. Например, вполне возможно, что автомобили будущего будут оснащаться пневматическими источниками энергии или, возможно, мы будем заправлять автомобили пищевыми отходами. 

 

В любом случае мир меняется с бешеной скоростью. Так что исчезновение ДВС в 21 веке неизбежно. Особенно в условиях изменения климата на планете, которое происходит из-за выбросов в атмосферу Земли вредных выхлопных газов от автотранспорта, оснащенных двигателями внутреннего сгорания. 

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания - это... Что такое Бензиновый двигатель внутреннего сгорания?

Бензиновые двигатели — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Управление мощностью в данном типе двигателей производится, как правило, регулированием потока воздуха, посредством дроссельной заслонки.

Одним из видов дросселя является карбюраторная дроссельная заслонка, регулирующая поступление горючей смеси в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Рабочий орган представляет собой пластину, закрепленную на вращающейся оси, помещённую в трубу, в которой протекает регулируемая среда. В автомобилях управление дросселем производится с места водителя, причём обычно предусматривается двойная система привода: от руки рычажком или кнопкой и от ноги педалью. Их обычно связывают между собой так, что при нажатии водителем на педаль кнопка ручного управления остаётся неподвижной, а при вытягивании кнопки ручного управления педаль опускается. Дальнейшее открывание дросселя можно производить педалью. При отпускании педали дроссель остаётся в положении, установленном ручным управлением.

Классификация бензиновых двигателей

  • По способу смесеобразования — карбюраторные и инжекторные;
  • По способу осуществления рабочего цикла — четырехтактные и двухтактные. Двухтактные двигатели обладают большей мощностью на единицу объёма, однако меньшим КПД. Поэтому двухтактные двигатели применяются там, где очень важны небольшие размеры, но относительно неважна топливная экономичность, например, на мотоциклах, небольших моторных лодках, бензопилах и моторизированных инструментах. Четырёхтактные же двигатели устанавливаются на абсолютное большинство остальных транспортных средств. Следует заметить, что дизели также могут быть четырёхтактными или двухтактными; двухтактные дизели лишены многих недостатков бензиновых двухтактных двигателей, однако применяются в основном на больших судах (реже на тепловозах и грузовиках).;
  • По числу цилиндров — одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые;
  • По расположению цилиндров — двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд (т. н. «рядный» двигатель), V-образные с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180 двигатель называется двигателем с противолежащими цилиндрами, или оппозитным),W-образные, использующие 4 ряда цилиндров, расположенных под углом с 1 коленвалом (у V-образного двигателя 2 ряда цилиндров), звездообразные;
  • По способу охлаждения — на двигатели с жидкостным или воздушным охлаждением;
  • По типу смазки смешанный тип(масло смешивается с топливной смесью) и раздельный тип(масло находится в картере)
  • По виду применяемого топлива — бензиновые и многотопливные [1];
  • По степени сжатия. В зависимости от степени сжатия различают двигатели высокого (E=12…18) и низкого (E=4…9) сжатия;
  • По способу наполнения цилиндра свежим зарядом: двигатели без наддува (атмосферные), у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разрежения в цилиндре при всасывающем ходе поршня; двигатели с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым турбокомпрессором, с целью увеличения заряда воздуха и получения повышенной мощности и КПД двигателя;
  • По частоте вращения: тихоходные, повышенной частоты вращения, быстроходные;
  • По назначению различают двигатели стационарные, автотракторные, судовые, тепловозные, авиационные и др.
  • Практически не употребляемые виды моторов — роторно-поршневые Ванкеля (производились только фирмами Mazda (Япония) и ВАЗ (Россия)), с внешним сгоранием Стирлинга и т. д..

См. также: Классификация автотракторных двигателей

Рабочий цикл бензинового двигателя

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя

Как следует из названия, рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов.

1. Впуск. В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.
2. Сжатие. Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степень сжатия . Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с бо́льшим октановым числом, которое дороже.
3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы основная масса бензовоздушной смеси успела воспламениться к моменту, когда поршень будет находиться в ВМТ (процесс воспламенения является медленным процессом относительно скорости работы поршневых систем современных двигателей). При этом использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством центробежным вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель. В более современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику. В этом случае используется датчик положения коленчатого вала, работающий обычно по емкостному принципу.
4. Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл начинается сначала.

Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндров от отработанных газов.

Рабочий цикл двухтактного двигателя

Рабочий цикл двухтактного двигателя

В двухтактном двигателе рабочий цикл полностью происходит в течение одного оборота коленчатого вала. При этом от цикла четырёхтактного двигателя остаётся только сжатие и расширение. Впуск и выпуск заменяются продувкой цилиндра вблизи НМТ поршня, при которой свежая рабочая смесь вытесняет отработанные газы из цилиндра.

Более подробно цикл двигателя устроен следующим образом: когда поршень идёт вверх, происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре. Одновременно, движущийся вверх поршень создаёт разрежение в кривошипной камере. Под действием этого разрежения открывается клапан впускного коллектора и свежая порция топливовоздушной смеси (как правило, с добавкой масла) засасывается в кривошипную камеру. При движении поршня вниз давление в кривошипной камере повышается и клапан закрывается. Поджиг, сгорание и расширение рабочей смеси происходят так же, как и в четырёхтактном двигателе. Однако, при движении поршня вниз, примерно за 60° до НМТ открывается выпускное окно (в смысле, поршень перестаёт перекрывать выпускное окно). Выхлопные газы (имеющие ещё большое давление) устремляются через это окно в выпускной коллектор. Через некоторое время поршень открывает также впускное окно, расположенное со стороны впускного коллектора. Свежая смесь, выталкиваемая из кривошипной камеры идущим вниз поршнем, попадает в рабочий объём цилиндра и окончательно вытесняет из него отработавшие газы. При этом часть рабочей смеси может выбрасываться в выпускной коллектор. При движении поршня вверх свежая порция рабочей смеси засасывается в кривошипную камеру.

Можно заметить, что двухтактный двигатель при том же объёме цилиндра, должен иметь почти в два раза большую мощность. Однако, полностью это преимущество не реализуется, из-за недостаточной эффективности продувки по сравнению с нормальным впуском и выпуском. Мощность двухтактного двигателя того же литража, что и четырёхтактный больше в 1,5 — 1,8 раза.

Важное преимущество двухтактных двигателей — отсутствие громоздкой системы клапанов и распределительного вала.

Преимущества 4-тактных двигателей

  • Больший ресурс.
  • Бо́льшая экономичность.
  • Более чистый выхлоп.
  • Не требуется сложная выхлопная система.
  • Меньший шум.
  • Не требуется добавление масла к топливу.

Преимущества двухтактных двигателей

  • Отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения у двухтактных вариантов.
  • Бо́льшая мощность в пересчёте на 1 литр рабочего объёма.
  • Проще и дешевле в изготовлении.
  • Отсутствие блока клапанов и распределительного вала.

См. также: «Два такта и четыре. В чем отличия?»

Карбюраторные и инжекторные двигатели

В карбюраторных двигателях процесс приготовления горючей смеси происходит в карбюраторе — специальном устройстве, в котором топливо смешивается с потоком воздуха за счёт аэродинамических сил, вызываемых энергией потока воздуха, засасываемого двигателем.

В инжекторных двигателях впрыск топлива в воздушный поток осуществляют специальные форсунки, к которым топливо подаётся под давлением, а дозирование осуществляется электронным блоком управления — подачей импульса тока, открывающим форсунку или же, в более старых двигателях, специальной механической системой.

Одной из первых такие разработки внедрила в свои моторы корпорация OMC в 1997 году, выпустив двигатель, построенный с использованием технологии FICHT. В этой технологии ключевым фактором было использование специальных инжекторов, которые позволяли впрыскивать топливо непосредственно в камеру сгорания. Это революционное решение наряду с использованием современного бортового компьютера позволило точно дозировать топливо в тот момент, когда поршень при обратном движении перекроет все окна. Плюс в полость коленвала распыляется чистое масло, которое не смывается топливом — теперь его там нет! Топливо не смывает масло, что позволяет уменьшить его количество. Благодаря этому решению разработчики получили двухтактный двигатель с его совершенной динамикой разгона, великолепной кривой мощности и малым весом, но при этом имеющий уровни выброса и экономичности, как у карбюраторного четырехтактного двигателя.

Переход от классических карбюраторных двигателей к инжекторам произошёл в основном из-за возрастания требований к чистоте выхлопа (выпускных газов), и установке современных нейтрализаторов выхлопных газов (каталитических конвертеров или просто катализаторов). Именно система впрыска топлива, контролируемая программой блока управления, способна обеспечить постоянство состава выхлопных газов, идущих в катализатор. Постоянство же состава необходимо для нормальной работы катализатора, так как современный катализатор способен работать лишь в узком диапазоне данного состава, и требует строго определённого содержания кислорода. Именно поэтому в тех системах управления, где установлен катализатор, обязательным элементом является лямбда-зонд, он же кислородный датчик. Благодаря лямбда-зонду система управления, постоянно анализируя содержание кислорода в выхлопных газах, поддерживает точное соотношение кислорода, недоокисленных продуктов сгорания топлива, и оксидов азота, которое способен обезвредить катализатор. Дело в том, что современный катализатор вынужден не только окислять не полностью сгоревшие в двигателе остатки углеводородов и угарный газ, но и восстанавливать оксиды азота, а это — процесс, идущий совершенно в другом (с точки зрения химии) направлении. Желательно также ещё раз окислять окончательно весь поток газов. Это возможно лишь в пределах так называемого «каталитического окна», то есть узкого диапазона соотношения топлива и воздуха, когда катализатор способен выполнить свои функции. Соотношение топлива и воздуха в данном случае составляет примерно 1:14,7 по весу (зависит также от соотношения С к Н в бензине), и удерживается в коридоре приблизительно плюс-минус 5 %. Так как одной из труднейших задач является удержание нормативов по оксидам азота, дополнительно необходимо снижать интенсивность их синтеза в камере сгорания. Делается это в основном снижением температуры процесса горения с помощью добавления определённого количества выхлопных газов в камеру сгорания на некоторых критичных режимах (Система рециркуляции выхлопных газов).

Основные вспомогательные системы бензинового двигателя

Системы, специфические для бензиновых двигателей

  • Система зажигания — обеспечивает поджиг топлива в нужный момент. Она может быть контактной, бесконтактной или микропроцессорной. Контактная система включает в себя: прерыватель-распределитель, катушку, выключатель зажигания, свечи. Бесконтактная система включает то же самое оборудование, только вместо прерывателя стоит датчик Холла или индукционный датчик. Микропроцессорная система зажигания управляется специальным блоком-компьютером, она включает в себя датчик положения коленвала, блок управления зажиганием, коммутатор, катушки, свечи, датчик температуры двигателя. У инжекторного двигателя к этой системе добавляются датчик положения дроссельной заслонки и датчик массового расхода воздуха.
  • Система приготовления топливовоздушной смеси — карбюратор или же инжекторная система.

Некоторые особенности современных бензиновых двигателей

  • Для повышения надежности работы используется индивидуальная катушка зажигания для каждой свечи (например, в двигателе ЗМЗ-405.24 и многих современных японских двигателях).
  • Используется по 2 впускных и 2 выпускных клапана на цилиндр вместо одного впускного и одного выпускного. Это связано с тем, что суммарная площадь отверстий клапанов в головках цилиндров современных двигателей значительно увеличена, а при использовании одного большого клапана на высоких оборотах заслонки клапанов не успевают закрыть отверстие к началу следующего цикла, ввиду своей относительно большой массы. Таким образом, имеет место «зависание» заслонок вокруг определенной позиции, в результате чего клапан получается постоянно открытым. Использование более жестких пружин не решает проблемы.
  • Для управления дроссельной заслонкой используется электропривод, а не тросик педали акселератора (например, в двигателе ЗМЗ-405.24 и многих современных иностранных двигателях, особенно тех, что оснащены системой cruise control).

Системы, общие для большинства типов двигателей

  • Система охлаждения
  • Система выпуска отработанных газов. Включает выпускной коллектор, каталитический конвертер (на современных машинах), и глушитель.
  • Система смазки — бывает с отдельным маслобаком (авиация) и без него (почти все современные автомобили).
  • Система запуска двигателя. Для приготовления двигателя к работе необходимо произвести хотя бы один оборот коленчатого вала, для того, чтобы в одном из цилиндров произошли такты впуска и сжатия. Для запуска четырёхтактного двигателя обычно применяется специальный электромотор — стартер, работающий от аккумулятора. Для запуска маломощных двухтактных бензиновых двигателей можно применять мускульную силу человека, например так работает кикстартер в мотоцикле.

См. также

Ссылки

Сайт о скутерах с 2х тактными двигателями

Современный двигатель внутреннего сгорания

Современный двигатель внутреннего сгорания

Джоаб Камарена


7 декабря 2015 г.

Представлено как курсовая работа для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2015 г.

Введение

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - вот что движет большинство автомобилей сегодня и существует уже много лет. ICE имеет подвергся многочисленным изменениям исключительно с целью улучшения выходная мощность и минимизация потерь энергии.Как работает процесс что есть впуск через отверстия портов, который толкает поршень вниз начало его цикла сжатия и декомпрессии, с энергией от этого передается на коленчатый вал, позволяя движение автомобиль. Более распространенный двигатель внутреннего сгорания основан на четырех ход поршня для завершения своего цикла и высвобождения энергии для перемещения транспортное средство. [1-3]

Как это работает

В этом цикле четыре этапа: 1) прием, 2) компрессия, 3) сгорание и рабочий ход, и, наконец, 4) выхлоп (Инжир.1). Вот как это работает:

  1. Впуск: Топливо-воздушная смесь входит в цилиндр, когда поршень опускается и впускной открывается.

  2. Сжатие: При закрытии на впуске топливно-воздушная смесь увеличивается по давлению и температура, поскольку поршень сжимает газ, перемещая вверх.

  3. Горение и удар: Энергия высвобождается в результате реакции горения, вызванной зажигание свечи зажигания, воспламеняющей топливно-воздушную смесь и доводит до высокой температуры.По мере увеличения смеси по температуре и давлению он давит на поршень, следовательно, вызывая рабочий ход, который вращает коленчатый вал.

  4. Выхлоп: Побочные продукты, образующиеся затем реакция горения выпускается через выхлоп трубы, и цикл повторяется, когда впускное отверстие открывается и выпускается клапан закрывается. [2,3]

Энергетический анализ

Хотя это обычно используемый двигатель в транспортных средствах сегодня это не значит, что он самый эффективный.Горение неэффективность измеряет часть энергии, которая не используется из топливо. Установлено, что тепловые потери теплоносителя и тепловые потери энергии выхлопных газов являются самыми большими источниками тепловых потерь, что способствует отсутствию оборота энергии. Постоянно утверждается, что Второй закон Термодинамика не позволяет всем двигателям достигать максимальной температуры. эффективность, но это не значит, что мы не можем улучшить коэффициент конверсии энергии. Постоянные инновации и модернизация внутреннего сгорания двигатель позволили улучшить преобразование энергии топлива.[4]

Заключение

Знать, как работает двигатель внутреннего сгорания и в чем заключается его неэффективность, правильная технология и дизайн двигатель внутреннего сгорания позволит нам лучше использовать энергию в топливе. Хотя цены на газ постоянно колеблются, наиболее вероятной тенденцией в будущем будет повышение цен на газ, что только заставит двигаться к разработке высокоэффективных автомобилей сильнее.Это возможно даже при постоянном диалоге о отказ от ископаемого топлива и последствия изменения климата, что, наряду с нашим нынешним технологическим бумом, мы больше не будем полагаться на двигатель внутреннего сгорания для транспортных средств будущего.

© Жоаб Камарена. Автор дает разрешение копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде, с ссылка на автора, только в некоммерческих целях. Все остальные права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

Список литературы

[1] J. R. Clarke et al. , "Индукция двигателя Система и метод », Патент США 4860709, 29 августа 89 г.

[2] Д. К. Джанколи, Физика: принципы с Приложения, 7-е изд. (Addison-Wesley, 2013), стр. 421.

[3] Б. Кроу, "Внутренний Двигатель внутреннего сгорания, Physics 240, Стэнфордский университет, осень 2012 г.

[4] М. Баглионе, М.Дьюти и Г. Панноне, «Автомобиль». Методология системного энергетического анализа и инструмент для определения транспортного средства Подсистема энергоснабжения и спроса », Технический документ SAE 2007-01-0398, г. 16 апреля 07.

Современные автомобили с двигателями внутреннего сгорания готовы стать частью решения по улучшению качества городского воздуха

Некоторые европейские государства-члены объявили о своих национальных амбициях по введению запрета на автомобили с двигателями внутреннего сгорания (ДВС).Мы объясним не только то, почему новые автомобили, оснащенные современными передовыми технологиями контроля выбросов, должны быть частью решения для улучшения качества воздуха, но и почему модели завтрашнего дня будут продолжать улучшать качество воздуха на долгие годы.

По мере того, как технологии продолжают совершенствоваться, будущее личного транспорта в городах будет включать в себя целый ряд технологий от «обычных» бензиновых и дизельных двигателей до электрифицированных - мягких, полных или гибридных - и электромобилей, работающих от батарей, и даже моделей на топливных элементах. .Все это потребуется для замены старых, более загрязняющих окружающую среду транспортных средств с наших европейских дорог и улучшения качества воздуха в наших городах.

Большинство современных автомобилей, работающих на жидком топливе, будь то «обычные» или гибридные, выделяют очень низкие уровни загрязняющих веществ и мало влияют на качество воздуха. Сертифицированные как Euro 6d-TEMP или 6d были протестированы, чтобы продемонстрировать, что их выбросы соответствуют ограничениям на дороге в реальных условиях движения.

На этой диаграмме показаны оксиды азота (NOx) из автомобилей с дизельным двигателем (Источник: данные ACEA / JAMA PEMS, полученные от 17 июля 2020 г.).

На этой диаграмме показано количество частиц от бензиновых автомобилей (Источник: данные ACEA / JAMA PEMS, полученные от 17 июля 2020 г.). Обе диаграммы показывают прогрессирование реальных выбросов автомобилей, сертифицированных по последним стандартам.

Стандарты Euro 7, которые в настоящее время обсуждаются в Европейской комиссии, вероятно, еще больше снизят выбросы загрязняющих веществ. Если эти стандарты будут введены в середине 2020-х годов с использованием самых передовых технологий контроля выбросов, они помогут снизить общие выбросы автомобильным транспортом за счет замены большей части существующего автопарка.

На основе предыдущих этапов, показанных на графике ниже, этого изменения в парке можно ожидать в первой половине следующего десятилетия. Поступая таким образом, регулирующие органы обеспечивают улучшение качества местного воздуха. Действительно, положительное влияние на выбросы норм, основанных на реальном вождении, уже заметно.

На этом рисунке показана рыночная доля легковых автомобилей по стандартам выбросов (Источник: ICCT European Vehicle Market Statistics Pocketbook 2019/20)

Между тем, для автомобилей с ДВС следует использовать более экологичные, альтернативные и возобновляемые низкоуглеродные виды топлива.Это гарантирует снижение выбросов парниковых газов (ПГ) как от существующего, так и от нового автопарка. Сочетание экологически чистых видов топлива и более эффективных автомобилей с очень низким уровнем выбросов загрязняющих веществ уже помогает ускорить переход к нулевым выбросам.

Несмотря на это, ряд европейских стран предложили запретить продажу новых автомобилей, работающих на ископаемом топливе, или рассматривают программы стимулирования исключительно для автомобилей с нулевым выбросом выхлопных газов. Основная причина в том, что это поможет им достичь своих национальных целей по снижению климата.Хотя это может иметь определенное влияние, более эффективным способом сведения выбросов в секторе автомобильного транспорта к нулю в краткосрочной перспективе было бы поощрение более быстрого обновления парка.

Это будет способствовать продвижению более чистых автомобилей и фургонов, включая гибриды и автомобили с чистым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) как часть пакета. Это также гарантировало бы удаление старых, более загрязняющих окружающую среду транспортных средств с дорог, замену их более чистыми транспортными средствами разумным социально-экономическим способом.

Кроме того, фрагментарное введение предлагаемых запретов на продажу окажет серьезное влияние на Европейский единый рынок, вызывая путаницу и потенциально препятствуя людям путешествовать и продавать подержанные автомобили в пределах Европейского Союза.

Ожидается, что пройдет много лет, прежде чем автомобили с нулевым выбросом выхлопных газов займут доминирующую долю рынка в продажах новых автомобилей, поскольку они обладают качествами автомобилей с ДВС, имеют эквивалентные выбросы в течение жизненного цикла в странах ЕС и являются более дешевыми. До этого момента технологии, необходимые для соответствия нормативам Евро 7 в отношении загрязняющих веществ, а также парниковых газов, должны быть полностью использованы для улучшения качества воздуха в Европе и сокращения выбросов парниковых газов на нашем континенте.

Только технологический и топливно-нейтральный подход к будущему законодательству о транспортных средствах позволит создать множество предложений по мобильности, подходящих для каждого случая использования.Такой подход также является единственным способом гарантировать доступность доступного решения для всех, кто хочет купить новый автомобиль. До тех пор, пока автомобили с нулевым выбросом выхлопных газов не станут технологией, которую выбирают граждане по всей Европе, все технологические решения должны поддерживаться и доступны, чтобы и дальше оказывать положительное влияние на качество воздуха на пути к будущему с нулевыми выбросами.

Современные двигатели внутреннего сгорания - 2021

Доступность:

В настоящее время недоступно в 2021 году

Описание установки

Рассматривает конструкцию, работу, производительность, требования к топливу и воздействие на окружающую среду современных двигателей внутреннего сгорания.Двигатели внутреннего сгорания являются богатым источником понимания многих механических технологий и актуальны для местной промышленности. Рассмотрены различные типы двигателей внутреннего сгорания: двигатели с искровым зажиганием, дизельные двигатели, двигатели со слоистым зарядом и двигатели смешанного цикла. Обзор литературы по теме проводится небольшими группами.

Содержание единицы

Анализ идеального цикла

Циклы газовых турбин

Рабочие параметры

Введение в двигатели с искровым зажиганием и воспламенением от сжатия (дизельные)

Горение и термохимия

Контроль загрязняющих веществ

Приточно-вытяжные процессы

Топливо

Балансировка

Новые разработки

Результаты обучения

Результаты обучения модуля выражают успеваемость с точки зрения того, что студент должен знать, понимать и уметь делать по завершении модуля.Эти результаты согласуются с атрибутами выпускника. Результаты единичного обучения и характеристики выпускников также являются основой оценки предшествующего обучения.

По завершении этого раздела студенты должны уметь:
1 понимать особенности, технологию, работу и характеристики искрового зажигания, газовых турбин и дизельных двигателей и их современных вариантов
2 определить преимущества и недостатки типов двигателей в различных приложениях
3 проанализировать образование загрязняющих веществ и их влияние на окружающую среду
4 выполнить базовые расчеты, касающиеся производительности и выбросов двигателей внутреннего сгорания
5 предпринять и представить результаты исследовательского проекта в форме обзора литературы по теме
6 понять применение двигателей внутреннего сгорания в промышленности.

По завершении этого раздела студенты должны уметь:

  1. понимать особенности, технологию, работу и характеристики искрового зажигания, газовых турбин и дизельных двигателей и их современных вариантов
  2. определять преимущества и недостатки типы двигателей в различных приложениях
  3. анализируют образование загрязняющих веществ и их влияние на окружающую среду
  4. выполняют базовые расчеты, касающиеся производительности и выбросов двигателей внутреннего сгорания
  5. проводят и представляют результаты исследовательского проекта в форме обзора литературы Тема
  6. разбирается в применении двигателей внутреннего сгорания в промышленности.

Курсы, поддерживаемые Содружеством
Для получения информации о размерах взносов студентов посетите раздел «Суммы взносов студентов».

Как двигатель внутреннего сгорания становится лучше

По мере того, как одно место за другим предпринимаются шаги по запрету бензиновых транспортных средств в следующие несколько десятилетий - Норвегия, Нидерланды, Великобритания, Индия, Китай, Калифорния, Париж - становится все труднее И все труднее отрицать, что будущее за электричеством. И двигатель внутреннего сгорания, который движет мировым движением на протяжении более столетия, скоро сделает последний глоток воздуха, который он так загрязнен.

Но электромобили еще далеко не готовы к такому поглощению. Пока Tesla изо всех сил пытается создать масштабную модель 3 для массового рынка, остальная часть автомобильной промышленности активно обсуждает натиск с батарейным питанием, но большинство из них не будет запускать модели в реальных количествах в течение многих лет. В США электромобили по-прежнему составляют менее 1 процента продаж новых автомобилей. Путь к 100 процентам будет долгим, и двигатель без боя не уступит эту землю.

За 133 года, прошедшие с тех пор, как Карл Бенц установил четырехтактный двигатель на свой трехколесный автомобиль в 1885 году, инженеры по всему миру вели бесконечную войну, чтобы выжать больше мощности из меньшего количества топлива.Силовая установка под капотом современного автомобиля имеет систему впрыска топлива, часто более одного турбокомпрессора, регулируемое управление клапанами, каталитические преобразователи и электронный мозг для наблюдения за всем этим. Это сложные, универсальные и масштабируемые машины, которые используют мощность крошечных взрывов тысячи раз в секунду. Они приводят в движение автомобили, грузовики, поезда, корабли, воздуходувки и многое другое. И они продолжают поправляться.

«Двигатель внутреннего сгорания может быть даже не среднего возраста», - говорит Дон Хиллебранд, который возглавляет исследования в области транспорта в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.В таких лабораториях, как его, исследователи работают над тем, чтобы газовые и дизельные автомобили были максимально чистыми и эффективными. Они сосредоточены на трех областях: компьютерное управление, материалы и обработка топлива и воздуха. Поэтому мы поехали в Аргонн, чтобы посмотреть, как, по словам Хиллебранда, можно добиться 50-процентного повышения эффективности использования топлива.

Оказывается, даже если будущее за электричеством, его еще нет.


Engine Evolution

Программа современных двигателей внутреннего сгорания, разработанная РУДН | Лучшие университеты

РУДН (Российский университет дружбы народов) объединяет образование, исследования, творческую самореализацию и возможности карьерного роста для 28000 студентов из 155 страны мира.РУДН зарекомендовал себя как многонациональный и многопрофильный университет. Вы можете получить степень доктора или историка, химика или эколога, журналиста или инженера, юриста или агронома. Кроме того, студентам всех специальностей предоставляется возможность получить диплом переводчика.

Отечественные студенты могут выбрать 12 иностранных языков: английский, арабский, испанский, итальянский, китайский, корейский, немецкий, персидский, турецкий, французский, хинди, японский, в то время как все иностранные студенты после года в России говорят на русском почти так же хорошо, как носители языка.

Многоуровневая система образования, включающая программы бакалавриата, магистратуры, докторантуры и ординатуры, создает условия для качественного образования на семи факультетах, десяти институтах и ​​156 исследовательских лабораториях.

Университет реализует эффективные программы адаптации для иностранных студентов, предлагает возможность выучить русский язык, используя уникальные методы и приемы обучения, а также возможность получить степень на английском языке. РУДН лидирует среди российских вузов по количеству магистерских программ с преподаванием на английском языке.18 курсов бакалавриата и магистратуры были аккредитованы на международном уровне. Студенты РУДН могут проходить стажировку в вузах-партнерах, а поступившие по совместным программам имеют возможность получить как диплом РУДН, так и диплом вуза-партнера.

Конкурентные преимущества РУДН:


  • междисциплинарных исследовательских и научных школ, признанных как в России, так и за рубежом;

  • одна из крупнейших систем третьего уровня высшего образования в России: более трех тысяч студентов обучаются в докторантуре, докторантуре, ординатуре или стажировке; 33 диссертационных совета по более чем 70 специальностям;

  • совместных исследований, в том числе исследований аспирантов, проводимых под руководством ученых РУДН и ученых университетов-партнеров.

Студенческий городок РУДН считается одним из лучших в России. Учебный и жилой корпусы находятся в непосредственной близости друг от друга на территории 50 га вблизи зоны лесопосадок. Поликлиника оснащена современным оборудованием и предлагает полный спектр медицинских услуг. Стадионы, спортивные залы, арены, теннисные корты и горнолыжный центр создают благоприятные условия для занятий спортом круглый год. Вне уроков университет предлагает различные возможности для отдыха.Культурно-развлекательный "Интерклуб" объединяет 35 творческих коллективов и других групп по интересам. Качество образования, предоставляемого университетом, подтверждается успехами более 100 тысяч выпускников, которые работают почти во всех странах мира.

В список влиятельных выпускников РУДН входят президенты и министры, сотни известных политиков, предпринимателей, ученых, видных деятелей культуры. В РУДН создана крупнейшая в мире Ассоциация выпускников и друзей РУДН.В 2010 году ЮНЕСКО наградила РУДН Золотой медалью за неоценимый вклад в подготовку специалистов для стран с формирующейся и развивающейся экономикой. РУДН активно привлекается к работе над программами и проектами Организации Объединенных Наций и Совета Европы.

границ | Совместная разработка сенсорной системы и алгоритма наблюдателя для современного двигателя внутреннего сгорания Управление воздухом на основе оптимизации h3

1 Введение

Контроль топлива и воздуха в двигателях с искровым зажиганием становится все более сложной задачей с включением турбонаддува и выхлопа. рециркуляция газа (EGR), гибкость клапанного механизма и более строгие нормы выбросов.Чтобы обеспечить эффективное стехиометрическое управление соотношением воздух-топливо, поток и состав двигателя должны быть точно и надежно измерены или оценены. Единственный жизнеспособный вариант - использовать алгоритмы для оценки массового расхода и состава двигателя. При проектировании датчика обработки воздуха в двигателе и наблюдателя (т. Е. Оценщика) необходимо учитывать пять трудностей: 1) нелинейная динамика системы; 2) погрешности измерения, включая задержки датчиков и шум; 3) многомерные взаимодействия; 4) изменчивость двигателя для различных условий эксплуатации и 5) компромисс между точностью оценки и стоимостью датчиков.

Предыдущие исследования в области управления системами обработки воздуха двигателя были сосредоточены на конструкции наблюдателя на основе предварительно выбранных наборов датчиков (Wang, 2008; Simon and Garg, 2010; Chen and Wang, 2012; Rengarajan et al., 2018) . Однако, учитывая возрастающую сложность современных систем двигателя и характеристик датчиков, выбор оптимального набора датчиков системы кондиционирования неочевиден; и это может занять много времени и привести к ошибкам, если используются экспериментальные или имитационные подходы «угадай и проверь».С увеличением разнообразия доступных датчиков количество возможных комбинаций датчиков будет быстро расти. Эксперименты методом грубой силы с различными датчиками очень дороги и отнимают много времени, и, возможно, потребуется переделать их, даже если в систему двигателя или стратегии управления вносятся незначительные изменения. Для эффективного решения проблемы в данной статье описан и продемонстрирован алгоритм оптимального выбора датчика и конструкции наблюдателя для системы кондиционирования воздуха двигателя.

Как более подробно описано в следующих параграфах, было разработано несколько математических методов для решения проблемы выбора датчика, включая жадные алгоритмы и выпуклую оптимизацию.Жадные алгоритмы стремятся найти глобальный оптимум, делая локально оптимальный выбор на каждом этапе. Решение, вычисленное жадным алгоритмом, не всегда оптимально в глобальном масштабе. Задачи выпуклой оптимизации обладают тем свойством, что любой найденный локальный оптимум также будет глобальным. Хотя большинство формулировок невыпуклые, иногда возможно их выпуклость с минимальным влиянием или без влияния на решение, чтобы воспользоваться преимуществами свойств решения, а также доступных решателей (Joshi and Boyd, 2008; Tropp, 2006; Luo et al., 2010).

Методы выбора датчика применялись в различных областях. В Kalandros and Pao (1998) авторы предложили три алгоритма выбора датчика для решения задач слежения за целями на основе различных показателей ресурсов и производительности. В другой статье Kalandros et al. (1999) авторы исследовали использование рандомизации и суперэвристики в задаче слежения за несколькими целями для улучшения решения любого заданного набора датчиков с помощью случайных возмущений. Этот подход больше подходит для систем с небольшой структурой и для которых стоимость оценки решения невысока.В Hashemi et al. (2018) авторы изучили рандомизированный жадный алгоритм для почти оптимального планирования датчиков в крупномасштабных сенсорных сетях. В Rao et al. (2015), жадный алгоритм, основанный на двух субмодульных функциях стоимости, взвешенном потенциале кадра и взвешенном log-det, был разработан для задачи выбора датчика в нелинейных моделях измерения с аддитивным нормально распределенным шумом. Несколько алгоритмов выбора датчика, основанных на выпуклой оптимизации или релаксации, также были применены к гибким конструкциям.В Fardad et al. (2011), Münz et al. (2014), Заре и Йованович (2018) и Дхингра и др. (2014) взвешенная норма л 1 (без учета шума измерения) или л 2 норма усиления наблюдателя использовалась для представления номера датчика и минимизировалась вместе с H 2 норма ошибки оценки. Задача оптимизации была решена с помощью SDP (Fardad et al., 2011; Münz et al., 2014), метода множителей переменного направления (ADMM) (Zare, Jovanović, 2018) и проксимальных методов (Dhingra et al., 2014). В Chepuri and Leus (2014) несколько функций границы Крамера – Рао (CRB) использовались в качестве меры производительности, а задача выбора датчика была сформулирована для минимизации функций CRB и разреженного вектора выбора. В Joshi and Boyd (2008) авторы вычислили оптимальный набор датчиков среди возможных линейных измерений, искаженных нормально распределенными шумами. Ошибки оценки максимального правдоподобия использовались в качестве оценок производительности.

При выборе датчика двигателя методы включают выбор датчика на основе экспериментов и выбор датчика на основе алгоритма.В Pekař et al. (2012) лучшая конфигурация датчика для двигателя большой мощности была найдена на основе результатов экспериментов путем тестирования каждой конструкции датчика. В Mushini and Simon (2005) авторы реализовали алгоритм выбора датчика для оценки параметров исправности авиационного газотурбинного двигателя путем минимизации функции стоимости ошибки оценки и финансовых затрат с помощью жадного алгоритма . В Suard et al. (2008) авторы определили лучшие конфигурации датчиков среди трех возможных конфигураций датчиков для управления соотношением воздух-топливо в двигателе с искровым зажиганием.Для возможных конфигураций датчиков были разработаны разные контроллеры. В качестве цели оптимизации использовалась целевая функция, включающая общую стоимость системы и производительность контроллера, с решением с помощью генетического алгоритма. В Palmer et al. (2018) авторы предложили методологию выбора датчика диагностики неисправностей на основе оптимального дизайна испытаний FDI D s , который максимизировал чувствительность выходных сигналов к ожидаемым неисправностям, и применили его в системе обработки воздуха дизельного двигателя.Проблема была решена эвристическим методом.

В работе, описанной здесь, предлагается одновременный, связанный выбор датчика и метод проектирования наблюдателя для системы обработки воздуха двигателя SI с турбонаддувом и EGR. Подобно подходу, принятому в (Fardad et al., 2011; Münz et al., 2014), стратегия использует оптимизацию H 2 и учитывает как технологический, так и измерительный шум. Цель этого алгоритма - окончательно и точно определить компромисс между необходимым номером датчика и точностью оценки доли кислорода во впускном коллекторе.Реализованная функция стоимости состоит из нормы H 2 ошибки наблюдателя и взвешенной нормы усиления наблюдателя l 1 . Однажды сформулированная проблема может быть эффективно решена с помощью полуопределенного программирования (SDP). После выбора оптимального набора датчиков алгоритм вычисляет соответствующее усиление фильтра Калмана на основе выбранного набора датчиков. В этой статье также предлагается метод оценки ошибок моделирования, основанный на сравнении справочных данных и данных моделирования, что позволяет применять структуру выбора датчика к физическим системам.

Остальная часть статьи организована следующим образом: Постановка задачи выбора датчика и ее выпуклая формулировка; Применение алгоритма на двигателе с искровым зажиганием (SI) для оценки массовой доли сгоревшего газа во впускном коллекторе для условий работы на средних / высоких оборотах; Выводы; Будущая работа.

2 Алгоритм выбора датчика на основе

H 2 Оптимизация

С учетом следующей линейной модели непрерывного пространства состояний:

x˙ = Ax + Bu + Bdud + Bwwy = Cx + Du + Ddud + Hv (1)

с переменные состояния x∈Rm, измеренные выходы y∈Rn, управляющие входы u∈Rp, входы возмущений ud∈Rs, неизвестные возмущения, связанные с неопределенностью модели w∈Rm, и шум датчика v∈Rn.) (2)

где L∈Rm × n - коэффициент усиления наблюдателя, z∈Rq - взвешенная ошибка, а W∈Rq × m - матрица взвешивания для устранения некоторых ошибок из всех ошибок состояния.

Путем введения следующих двух матриц:

B˜wm × (m + n) = [Bwm × m0m × n] H˜n × (m + n) = [0n × mHn × n] (3)

взвешенная ошибка z может быть сформулирована как:

z = W (sI − A + LC) −1 (B˜w − LH˜) [wv] = G [wv] (4)

где система ошибок G - это передача матрица функций между [wv] и z.

2.1 Функция затрат

Для систем MIMO норма H 2 - это коэффициент усиления импульса-энергии или установившаяся дисперсия выходных сигналов в ответ на белый шум (Arzelier, 2008).Следовательно, минимизируя норму H 2 системы ошибок (4), минимизируется ожидаемая среднеквадратичная ошибка (RMSE) наблюдателя в ответ на входное возбуждение белого шума. Норма H 2 системы ошибок G в уравнении. 4 выражается как:

‖G‖2 = E {limt → ∞1t∫0tzT (t) z (t) dt} (5)

где E - оператор математического ожидания.

Принимая во внимание матрицу L усиления наблюдателя, соответствующее измерение j -го датчика не вносит вклад в результаты оценки состояния, если каждый элемент в столбце j -го столбца L равен нулю.В этом случае абсолютная сумма элементов в j -м столбце L также равна нулю. Число датчиков можно уменьшить, минимизируя ненулевые столбцы в L, что является l0 нормой вектора-строки p∈R1 × n абсолютной суммы столбцов L, т. Е. ‖P‖0 = ∑j = 1n | | ∑i = 1m | Lij ||| 0.

Чтобы оптимизировать компромисс между ошибкой оценки наблюдателя и количеством требуемых датчиков, функция стоимости определяется следующим образом:

J = (1 − α) ‖G‖22 + α∑j = 1n || ∑i = 1m | Lij ||| 0 (6)

где ‖G‖2 обозначает H 2 норму системы ошибок или ожидаемую среднеквадратичную взвешенную ошибку, а α - весовой коэффициент между 0 и 1, уравновешивая влияние ошибки наблюдателя и номера датчика.

2,2

H 2 Норма ошибки наблюдателя

Из Peet (2016) для системы LTI с передаточной функцией G (s) = C (sI − A) −1B следующие утверждения эквивалентны:

(1) A - гурвиц и ‖G‖22 (мощность H 2 норма импульсной характеристики) <γ2.

(2) Существует положительно определенная матрица P (т.е. P = PT≻0) такая, что

ATP + PA + CTC≺0trace (BTPB) <γ2 (7)

, где символ ≺ в первом неравенстве уравнения .7 обозначает отрицательную определенность матрицы.

Применяя уравнение. 7 к системе (4), задача оптимизации для первой цели ‖G‖22 в уравнении. 6 можно сформулировать следующим образом:

минL, Ptrace ((B˜w − LH˜) TP (B˜w − LH˜)) st (A − LC) TP + P (A − LC) + WTW≺0P = PT ≻0 (8)

Цель оптимизации и первое ограничение в (8) являются билинейными матричными неравенствами (BMI) и, таким образом, не являются проблемой выпуклой оптимизации. Следовательно, их нужно преобразовать в линейные матричные неравенства (LMI). Матрица S = PL (таким образом, L = P-1S) определена, и первое ограничение в уравнении.8 можно записать в виде следующего LMI:

ATP + PA − CTST − SC + WTW≺0 (9)

Через условие дополнения Шура для положительной полуопределенности (Chong and Zak, 2013) следующие два утверждения: эквивалент:

(1) Симметричная матрица [Δ1Δ2Δ2TΔ3] ¯0

(2) Δ3 = Δ3T≻0 и Δ1 − Δ2Δ3−1Δ2T≽¯0

Чтобы применить условие дополнения Шура к цели оптимизации Ур. В разделе 8 вводится положительная полуопределенная матрица T, т. Е. T = TT≻¯0. Подставляя Δ1 = T, Δ2 = (PB˜w − SH˜) T и Δ3 = P, выполняется следующее утверждение:

[T (PB˜w − SH˜) TPB˜w − SH˜P] ≽¯0, P = PT≻0 (10)

тогда и только тогда, когда

T− (PB˜w − SH˜) TP − 1 (PB˜w − SH˜) ≽¯0, P = PT≻0 (11)

Неравенство в уравнении.11 можно переписать как:

T− (PB˜w − SH˜) TP − 1 (PB˜w − SH˜) = T− (PB˜w − SH˜) TP − 1PP − 1 (PB˜w − SH ˜) = T− (P − 1PB˜w − P − 1SH˜) TP (P − 1PB˜w − P − 1SH˜) = T− (B˜w − LH˜) TP (B˜w − LH˜) (12)

Следовательно, выполняется следующее утверждение, если выполняется условие (10):

trace (T) ≥trace ((B˜w − LH˜) TP (B˜w − LH˜)) (13)

Следовательно, Задачу оптимизации в (8) можно переписать как:

minL, P, Ttrace (T) st ATP + PA − CTST − SC + WTW≺0 [T (PB˜w − SH˜) TPB˜w − SH˜P] ≽¯0P = PT≻0T = TT≽¯0 (14)

где корень следа (T) - верхняя граница ожидаемой взвешенной среднеквадратичной ошибки z.В формуле. 8, целью оптимизации является норма системы ошибок H 2 . В формуле. 14, цель оптимизации снижена до верхней границы нормы H 2 . Здесь целью прямой оптимизации является след (T).

2.3 Взвешенный

l 1 Норма матрицы усиления наблюдателя

Вторая цель оптимизации ∑j = 1n‖∑i = 1m | Lij‖ | 0 в уравнении. 6 невыпуклый в связи с существующей нормой л 0 . Для такой задачи оптимизации нормы l 0 , как правило, невозможно решить, поскольку решение обычно требует трудноразрешимого комбинаторного поиска (Candes et al., 2008). Согласно предложению Candes et al. (2008), член нормы l 0 ‖∑i = 1m | Lij‖ | 0 может быть уменьшен до выпуклой цели с помощью взвешенной нормы l 1 , μj (k) ∑i = 1m | Lij |, где μj (k) - вес столбца j при количестве итераций k .

2.4 Задача оптимизации

Используя лемму, которая использована и доказана в Поляке и др. (2013): для данной матрицы L∈Rm × n следующие утверждения эквивалентны:

(1) j -й столбец L равен нулю.

(2) j -й столбец S = PL равен нулю для любого P≻0.

Комбинируя приведенную выше лемму с (14) и взвешенной l1 нормой, задача оптимизации формулируется следующим образом:

minS, P, T J = (1 − α) trace (T) + α∑j = 1nμj (k) ∑ я = 1m | Sij | st ATP + PA − CTST − SC + WTW≺0 [T (PB˜w − SH˜) TPB˜w − SH˜P] ≽¯0 P = PT≻0 T = TT≽¯0 (15)

Задача оптимизации (15) может быть решена с помощью набора инструментов CVX (Grant and Boyd, 2015) итеративно. На каждой итерации алгоритм обновляет весовой коэффициент μj (k) = 1ϵ + ∑i = 1m | Sij |.Когда μj (k) сходится для всех датчиков j, т. Е. | Μj (k + 1) −μj (k) | <, где ϵ - достаточно малое положительное число, итерацию можно остановить.

В идеале, сигнал j -го датчика не используется для оценки состояния и должен быть удален, если j -й столбец матрицы L усиления наблюдателя равен нулю (Münz et al., 2014). Аналогично, для правильно масштабированной системы сигнал от датчика (ов) j с малым ∑i = 1m | Lij | будет иметь очень небольшое влияние на результаты оценки и, следовательно, может быть удалена.Однако трудно количественно определить порог «небольшого» усиления наблюдателя и решить, сколько датчиков необходимо удалить. Вместо прямого сравнения усиления наблюдателя датчиков значение ∑j = 1nμj (k) ∑i = 1m | Sij |, представляющее ослабленный ненулевой номер столбца в наблюдателе, проверяется для каждого результата оптимизации и используется для определиться с количеством необходимых датчиков. ∑j = 1nμj (k) ∑i = 1m | Sij | округляется до ближайшего целого числа q, которое используется как количество выбранных датчиков. Например, если q равно 3 для результата оптимизации, то датчик (и) с первыми тремя наибольшими ∑i = 1m | Lij | являются выбранными оптимальными датчиками.

После вычисления оптимального набора датчиков установите для α значение 0 и удалите строки в C, соответствующие ненужным датчикам. Подставьте α = 0 и модифицированный C в алгоритм оптимизации (15) снова, чтобы вычислить матрицу усиления наблюдателя L = P-1S на основе только выбранной оптимальной комбинации датчиков.

3 Применение алгоритма на модели двигателя SI с турбонаддувом для конструкций датчиков системы обработки воздуха

В этом разделе предложенный алгоритм выбора датчика применяется к двигателю SI с турбонаддувом, использующему EGR.Цель конструкции датчика - выбрать оптимальную комбинацию датчиков для точной оценки состава газа во впускном коллекторе. Более конкретно, желаемый результат состоит в том, чтобы быстро определить компромисс между расчетной ошибкой оценки состава газа во впускном коллекторе и количеством датчиков.

Архитектура двигателя показана на рисунке 1. Для наглядности четыре доступных датчика рассматриваются в качестве кандидатов, как показано в таблице 1. Датчик массового расхода воздуха на впуске (MAFa) может быть размещен перед воздухом и датчиком низкого давления ( LP) Точка слияния системы рециркуляции ОГ для измерения входящего воздуха.Датчик массового расхода воздуха для расхода под высоким давлением (MAFh) может быть размещен после охладителя наддувочного воздуха (CAC) для измерения массового расхода охлаждаемого компрессора. Датчик дельта-давления рециркуляции отработавших газов (EGR DP) может быть расположен в клапане рециркуляции ОГ низкого давления для измерения массового расхода рециркуляции ОГ низкого давления. Другой вариант - датчик массового расхода воздуха (MAF), установленный после точки слияния воздуха и низкого давления EGR, но перед компрессором, для измерения общего массового расхода воздуха на входе в компрессор.

РИСУНОК 1 . Архитектура движка и возможные варианты размещения датчиков.

ТАБЛИЦА 1 . Доступные датчики.

3.1 Модель государственного космического двигателя, ориентированного на управление

Эта модель представляет собой модель двигателя со средними значениями, основанную на Эрикссоне и Нильсене (2014), Кохере и др. (2012), Van Alstine et al. (2013), Стрикер и др. (2014).

Модель имеет 8 входов, 1 вход возмущения и 20 состояний, как показано в Таблице 2–4 соответственно. Уравнения нелинейной динамической модели могут быть записаны следующим образом, а подробные основные уравнения перечислены в дополнительном материале

ТАБЛИЦА 2 .Переменные состояния для модели двигателя.

ТАБЛИЦА 3 . Входные переменные для модели двигателя.

ТАБЛИЦА 4 . Входные переменные возмущения для модели двигателя.

Принимая во внимание время отклика привода и датчика, добавляются состояния от x14 до x20. Учитываются реакции привода первого порядка для дроссельной заслонки, клапана рециркуляции отработавших газов низкого давления и перепускной заслонки. Следующее приближение первого порядка используется для динамики исполнительного механизма и датчика:

, где x0 - командный ввод исполнительного механизма или физические выражения измеренных переменных без задержки, а τ - постоянная времени.

В этой модели двигателя выходные значения массового расхода клапана моделируются следующим уравнением диафрагмы (Eriksson and Nielsen, 2014):

W = AeffPinγRTinf (PoutPin) f (PoutPin) = {2γ − 1 [(PoutPin) 2γ− (PoutPin) γ + 1γ], если (PoutPin) ≥ (2γ + 1) γγ − 1 (2γ + 1) γ + 1γ − 1if (PoutPin) ≤ (2γ + 1) γγ − 1 (18)

где γ - коэффициент теплоемкости газа, Aeff - эффективная площадь клапана, Pout - давление на выходе, Pin и Tin - давление и температура на входе. Виртуальный датчик расхода, разработанный на основе уравнения скорость-плотность, может использоваться для оценки расхода заряда цилиндра.На рисунке 2 показано сравнение расчетного массового расхода заряда по линейной модели и эталона GT-Power. Максимальная погрешность виртуального датчика расхода находится в пределах ± 5,1%.

РИСУНОК 2 . Оценка расхода заряда цилиндра двигателя.

Нелинейная модель линеаризуется в установившемся режиме (xe, ue, ude, ye) с частотой вращения двигателя 3200 об / мин, углом дроссельной заслонки 60 °, диаметром перепускного клапана 11,6 мм и углом клапана рециркуляции отработавших газов низкого давления 10 °. Все клапаны - это дроссельные заслонки. Точки равновесия состояний системы x 1 до x 20 получены непосредственно из результатов моделирования GT-Power.

Номинальная модель линеаризуется в следующий формат:

x˙ = Aδx + Bδu + Bdδudδy = Cδx + Dδu + Ddδud (19)

где δx = x − xe, δu = u − ue, δud = ud − ude, δy = y − ye.

Наблюдатель спроектирован на основе линейной модели пространства состояний следующим образом. Представление в пространстве состояний - это хорошо известная практика захвата динамики системы для ее эффективных вычислений и реализации в реальном времени. Наблюдатель - это линейная динамическая система для исправления ошибок оценки модели на основе измерений входов и выходов реальной системы.+ Dδu + Ddδud (20)

В следующих результатах моделирования заданный угол открытия дроссельной заслонки двигателя и количество рабочих цилиндров фиксируются как их точки линеаризации. Как было исследовано в Rivas Perea (2016), снижение удельного расхода топлива (BSFC) на 11,5% и повышение показанной абсолютной эффективности на 4,5% может быть достигнуто за счет внедрения системы рециркуляции отработавших газов с 10% охлаждением в 2-литровый 4-цилиндровый двигатель с турбонаддувом и прямым приводом. инжекторный двигатель SI при 3000 об / мин в условиях частичной нагрузки. Принимая во внимание тот факт, что допуск системы рециркуляции отработавших газов уменьшается с увеличением частоты вращения двигателя (Francqueville and Michel, 2014), для диапазона рабочих скоростей двигателя 2400–4000 об / мин перепускной клапан и клапан рециркуляции ОГ низкого давления работают, как показано на рисунке 3, для изменения коэффициент рециркуляции отработавших газов в пределах 1.5–11%, что является полезным уровнем для двигателя SI для повышения эффективности использования топлива и сохранения стабильности сгорания. На рисунке 4 показано указанное среднее эффективное давление (IMEP) двигателя для ездового цикла (в соответствии с рисунком 3), которое демонстрирует реализацию предложенного алгоритма выбора датчика для условий работы на средних / высоких оборотах.

РИСУНОК 3 . Условия работы двигателя (A) : частота вращения двигателя и перепускной клапан (B) : частота вращения двигателя и клапан рециркуляции ОГ низкого давления.

РИСУНОК 4 . Условия эксплуатации двигателя: двигатель ИМЭП.

3.2 Неизвестное возмущение

Технологический шум Bww и шум измерения Hv (согласно уравнению 1) являются двумя необходимыми параметрами для описания ошибок модели и датчика. Неправильное описание шума может привести к значительному ухудшению характеристик оценки (Duník et al., 2017) и даже к сбою предлагаемой структуры выбора датчика. Как правило, ковариацию ошибки шума можно оценить с помощью экспериментальной настройки или вычислительных методов (Duník et al., 2017; Кост и др., 2018; Солонен и др., 2014; Miran et al., 2019). Цель этого раздела - предоставить простой и быстрый метод оценки шума для системы двигателя на основе экспериментальных данных, чтобы избежать повторных работ по настройке или сложных вычислений. Схема выбора датчика хорошо работает для системы двигателя с диагональной ковариационной матрицей шума, оцененной предложенным методом.

Для реализации предложенного алгоритма выбора датчика реальная система выражается в виде линейной модели в пространстве состояний с неопределенностью, представленной аддитивными ошибками:

x˙ = δx˙ = Aδx + Bδu + Bdδud + Bww (21)

где w - унитарный белый шум с нулевым средним, а BwTBw - ковариационная матрица шума технологического процесса.Неизвестное возмущение Bww возникает из-за невыявленной динамики и ошибок линеаризации модели. В этом приложении предполагается, что Bw - диагональная матрица.

Ошибка моделирования Bww оценивается путем подбора разницы между фактическим x˙ и линейной моделью, оцененной x˙ следующим образом:

Bww = x˙GT− (AδxGT + BδuGT + Bdδud, GT) = Δx˙model (22)

, где значения переменных (δxGT, δuGT, δud, GT) взяты из результата моделирования GT-Power, который используется в качестве эталона истинности, а x˙GT - производная от xGT.

На рисунках 5–7 показаны графики неизвестных возмущений для давления в наддувном коллекторе x 1 , давления в выпускном коллекторе x 3 и скорости турбокомпрессора x 7 , соответственно. Ошибки Δx˙model, 1, Δx˙model, 3, и Δx˙model, 7 вычисляются на основе уравнения. 22, где данные состояний xGT, входов uGT и входов возмущений ud, GT непосредственно берутся из результата моделирования GT-Power для цикла движения на рисунке 3.

РИСУНОК 5 .Оценка неизвестного возмущения для давления в коллекторе наддува: Δx˙модель, 1.

РИСУНОК 6 . Оценка неизвестного возмущения для давления в выпускном коллекторе: Δx˙модель, 3.

РИСУНОК 7 . Оценка неизвестного возмущения для скорости турбокомпрессора: Δx˙модель, 7.

Первоначальной оценкой шума процесса является стандартное отклонение модели Δx˙ в формуле. 22. Принимая во внимание тот факт, что ненормальный шум (например, с тяжелым хвостом или асимметричный) не может быть хорошо представлен первыми двумя моментами (средним и стандартным отклонением) Kost et al.(2018), начальная оценка шума процесса затем настраивается на основе его более высоких моментов, то есть асимметрии и эксцесса, чтобы лучше представить ошибки моделирования.

3.2.1 Коррекция асимметрии для оценки неизвестного возмущения

Сначала вычисляется асимметрия γ1 модели ошибки Δx˙ следующим образом, чтобы оценить асимметрию распределения и определить, какое уравнение оценки Bw (i, i) используется для каждого состояния. :

γ1, i = 1N∑k = 1N (Δx˙model, i (k) −μi) σi3 (23)

где μi и σi - среднее значение и стандартный вывод Δx˙model, i, соответственно.μi и σi определяются следующим образом:

μi = 1N∑k = 1NΔx˙model, i (k) σi = 1N∑k = 1N (Δx˙model, i (k) −μi) 2 (24)

, где N - количество точек выборки.

Положительные значения асимметрии означают, что данные смещены вправо (правый хвост), а отрицательные значения говорят о смещении влево (левый хвост) (Blanca et al., 2013). Чем больше значение абсолютной асимметрии, тем значительнее асимметрия. Для состояний, в которых ошибка Δx˙model, 7 имеет небольшую асимметрию (в соответствии с рисунком 6), асимметрией пренебрегают и неизвестный член возмущения Bw (i, i) оценивается следующим уравнением:

Для состояний, где ошибка Δx˙model, i распределения имеют большую асимметрию, асимметрией не следует пренебрегать при оценке неизвестного возмущения.Если асимметрия γ1, i и среднее значение μi имеют один и тот же знак, неизвестное возмущение состояния xi оценивается вычитанием стандартного отклонения σi и абсолютного среднего значения μi (согласно рисунку 5), в противном случае неизвестное возмущение оценивается суммой (согласно рисунку 7). Условие в формуле. 26 предназначен для учета как асимметрии, так и распределения ошибок с ненулевым средним. Например, если среднее значение положительное, а асимметрия отрицательная (как показано на рисунке 7), ошибка имеет положительное смещение, и большая часть ошибок даже более положительна, чем смещение.В этой ситуации стандартное отклонение может недооценивать эффект ошибки, и поэтому мы переоцениваем, добавляя положительное смещение.

Bw (i, i) = σi− | μi | если γ1, iμi> 0 (26a) Bw (i, i) = σi + | μi | если γ1, iμi <0 (26b)
3.2.2 Коррекция эксцесса для оценки неизвестного возмущения

Затем вычисляется избыточный эксцесс γ2 распределения ошибки Δx˙модели, определяемый следующим образом, для оценки выбросов распределения и определения внесенной поправки. члену Bw (i, i):

γ2, i = 1N∑k = 1N (Δx˙model, i (k) −μ (i)) 4σi4−3 (27)

Для состояний с отрицательным избыточным эксцессом , неизвестные возмущения имеют больше данных, распределенных вне области пика, чем при нормальном распределении.Чем отрицательнее избыточный эксцесс, тем больше выбросов будет в распределениях. Когда избыточный эксцесс велик, уравнения 25, 26 без учета крайних распределений ошибок могут оказаться неправильным способом оценки неизвестного возмущения. Таким образом, в оценки неизвестных возмущений состояний, которые имеют избыточный эксцесс ниже -1 (см. Рисунок 5), вносится поправка с помощью следующего уравнения:

Bw (i, i) = Bw0 (i, i) | γ2, i | (28)

где Bw0 - ошибка моделирования, оцененная в разделе 3.2.1.

Для состояний от x14 до x20, которые представляют отклики привода и датчика с задержкой, неизвестные составляющие возмущения Bw (i, i) устанавливаются равными 0. Подробная информация об оценке Bw (i, i) для каждого состояния приведена в дополнительном материале. .

3.3 Шум измерения

Ковариационная матрица шума диагонального измерения H определяется как:

H = [4% δWinlet, max00002% δWcomp, max00007% δWegrl, max00004% δWcomp, up, max] (29)

где данные о точности датчика берется из таблицы 1, а δWmax - максимальное отклонение расхода относительно его точки линеаризации.

3.4 Результаты выбора датчика

Алгоритм выбора датчика применяется к масштабированной линейной системе. Это сделано для того, чтобы исключить влияние разницы величин измерений.

В таблице 5 показан оптимальный набор датчиков, рассчитанный с помощью алгоритма выбора датчика (согласно разделу 2) для различных ограничений количества датчиков. Итерационный параметр ɛ устанавливается как 1e-3 для комбинаций с одним и двумя датчиками или 1,2e-2 для комбинаций из трех датчиков. Кривая (T), представляющая верхнюю границу мощности ожидаемой оценки RMSE, вычисляется по формуле.15 при установке α = 0 для нормализованной системы. Верхняя граница ожидаемого RMSE E {RMSE} ub и ожидаемого RMSE E {RMSE} для реальной системы может быть выражена и соотнесена следующим образом:

E {RMSE} ub≥E {RMSE} E {RMSE} ub = δx11, maxtrace (T) E {RMSE} = δx11, maxtrace ((B˜w − LH˜) TP (B˜w − LH˜)) (30)

где δx11, max = max (x11 − xe, 11) - масштабный параметр доли сгоревшего газа во впускном коллекторе x11. Можно заметить, что E {RMSE} ub является очень жесткой верхней границей E {RMSE} для этого приложения, как показано в Таблице 5.

ТАБЛИЦА 5 . Результаты подбора сенсора.

Алгоритм определяет датчик EGR DP как лучший датчик, если можно использовать только один единственный. При использовании двух датчиков оптимальным набором датчиков становится EGR DP и MAFa, которые измеряют массовый расход воздуха на впуске перед соединением EGR (см. Рисунок 1). Оптимальный набор из трех датчиков сочетает в себе EGR DP, MAFa и MAFh.

Различные наборы датчиков с соответствующими наблюдателями тестируются на эталонной модели двигателя в GT-Power.Четыре возможных датчика (согласно Таблице 1 и Рисунку 1) помещены в модель GT-Power. Согласно данным таблицы 1, эти четыре выхода GT-Power фильтруются с помощью функций первого порядка, описанных в формуле. 17 и искажается шумом измерения перед отправкой наблюдателям для учета шума датчика. Структура моделирования GT-Power и наблюдателя показана на рисунке 8. Усиление наблюдателя для каждого набора датчиков вычисляется с помощью оптимизации (15) с α = 0. Входные данные исполнительных механизмов двигателя в реальном времени (в соответствии с таблицей 3 и частота вращения двигателя известны наблюдателю.Доля сгоревшего газа во впускном коллекторе, усредненная за цикл GT-Power, используется в качестве справочной информации для проверки результатов оценки. RMSE оценки массовой доли сгоревшего газа во впускном коллекторе для каждого набора датчиков рассчитывается за 3,3 секунды до конца моделирования, чтобы исключить влияние начальных условий.

РИСУНОК 8 . Схема GT-Power и структура моделирования наблюдателя.

3.4.1 Комплекты одиночных датчиков

На рисунке 9 показаны результаты оценки массовой доли сгоревших газов во впускном коллекторе при использовании различных комплектов одиночных датчиков.Как показано на рисунке 9A, датчик EGR DP дает наиболее точные результаты оценки на каждом этапе. Принимая во внимание общую производительность оценки, датчик EGR DP является наиболее точным вариантом с одним датчиком, поскольку он имеет наименьшую среднеквадратичную ошибку (RMSE), 0,498%, за все моделирование. Без использования какого-либо датчика максимальная абсолютная ошибка оценки составляет 1,744%. С вычисленным оптимальным датчиком EGR DP максимальная ошибка снижается до 1,014%, что на 42% больше по сравнению с оценочным результатом только для модели.Максимальные ошибки для одного датчика массового расхода воздуха (массового расхода воздуха), датчика массового расхода воздуха (массового расхода воздуха) и датчика массового расхода воздуха (массового расхода воздуха) составляют 1,684, 1,724 и 1,724% соответственно. На рисунке 9B показаны переходные характеристики отслеживания массовой доли сгоревшего газа во впускном коллекторе при использовании различных наборов отдельных датчиков. Как показано на рисунке 9B, датчик EGR DP имеет наилучшие характеристики отслеживания во время переходного режима. Датчик MAFa немного лучше, чем датчик MAFh и датчик массового расхода воздуха. Несмотря на то, что датчик MAF потока перед компрессором имеет более короткое время отклика, чем датчик MAFh потока ниже по потоку компрессора (согласно таблице 1), существует небольшая разница между характеристиками отслеживания переходных процессов этих двух датчиков (согласно рисунку 9B).

РИСУНОК 9 . Оценка массовой доли сгоревшего газа во впускном коллекторе при использовании только одного датчика (A) : весь цикл движения (B) : переходные характеристики (увеличено на 500 мс).

Как показано в Таблице 6, RMSE для одного датчика MAFa, одного датчика MAFh и одного датчика массового расхода воздуха составляет 0,909, 0,935 и 0,935% соответственно. Это указывает на то, что в случае отказа датчика EGR DP следующим датчиком, который должен выбрать двигатель, будет датчик массового расхода воздуха (MAFa) на основе расчетов их кривой (T) и E {RMSE} ub.Хотя датчик массового расхода воздуха (MAF) имеет немного более низкие кривые (T) и E {RMSE} ub, чем датчик массового расхода воздуха, их оценочные характеристики одинаковы.

ТАБЛИЦА 6 . Комплект одиночного датчика.

На рисунке 10 показаны гистограммы ошибок оценки различных наборов одиночных датчиков. По сравнению с оптимальным датчиком EGR DP, распределения ошибок трех других датчиков более разбросаны.

РИСУНОК 10 . Гистограммы погрешности определения массовой доли сгоревших газов во впускном коллекторе при использовании только одного датчика.

3.4.2 Наборы из двух датчиков

Оптимальный набор из двух датчиков, рассчитанный с помощью алгоритма выбора датчика (согласно разделу 2), представляет собой комбинацию датчиков EGR DP и MAFa. Это подтверждается совместным моделированием GT-Power / Observer (см. Рисунок 8). Как показано на рисунке 11, рассчитанный оптимальный набор датчиков имеет наименьшую ошибку оценки почти для каждого шага. Сравнивая общую производительность оценки оптимального набора датчиков с другими пятью комбинациями, оптимальная имеет самое низкое среднеквадратичное значение.С рассчитанным оптимальным набором датчиков максимальная ошибка снижается до 0,754%, что на 57% лучше по сравнению с результатом, оцененным моделью. Максимальная погрешность оценки составляет 0,794% для комбинации датчика расхода EGR и датчика MAFh перед компрессором, и 0,804% для комбинации датчика расхода EGR и датчика MAF на выходе компрессора. Для комбинаций датчика массового расхода воздуха (массового расхода воздуха) + датчика массового расхода воздуха (массового расхода воздуха), датчика массового расхода воздуха (массового расхода воздуха) и датчика массового расхода воздуха (массового расхода воздуха) максимальные ошибки оценки составляют 1,564 и 1,594%. Когда используются только два датчика потока компрессора, максимальная погрешность составляет до 1.724%.

РИСУНОК 11 . Определение массовой доли сгоревших газов во впускном коллекторе при использовании двух датчиков.

В таблице 7 и на рисунке 12 смоделированное среднеквадратичное значение для различных комбинаций набора из двух датчиков монотонно увеличивается с увеличением E {RMSE}, как и ожидалось. Все наборы датчиков с первыми тремя самыми низкими E {RMSE} включают датчик EGR DP. Хотя алгоритм вычисляет комбинацию датчика EGR DP и датчика MAFa в качестве оптимального набора из двух датчиков, комбинация датчика EGR DP + датчика MAFh и датчика EGR DP + датчика массового расхода воздуха имеет такие же оценочные характеристики, что и оптимальная, как показано на рисунке 11.Эти две комбинации имеют очень близкие E {RMSE}, а также RMSE, как показано в таблице 7. Когда EGR DP не учитывается в комбинации с двумя датчиками, например, комбинация датчика MAFa и датчика MAFh, наблюдается большое увеличение. в E {RMSE}, а также в смоделированном RMSE. Кроме того, наборы с двумя датчиками без датчика EGR DP даже имеют большие ошибки оценки, чем один датчик EGR DP. Это указывает на то, что в этом рабочем состоянии, если разрешены только два датчика, комбинация должна включать датчик EGR DP, и стратегия только EGR DP будет предпочтительнее стратегии с двумя датчиками, которая не включает датчик EGR DP.Оптимальным выбором датчика помимо датчика EGR DP является датчик MAFa. Датчик массового расхода воздуха (массового расхода воздуха) можно рассматривать как резервный вариант датчика массового расхода воздуха (массового расхода воздуха).

ТАБЛИЦА 7 . Комбинации с двумя датчиками.

РИСУНОК 12 . Среднеквадратичное отклонение от кривой (T) для комбинаций из двух датчиков.

На рисунке 13 показаны гистограммы ошибок оценки различных комбинаций двух датчиков. Как показано, лучшие три комбинации из двух датчиков имеют распределения ошибок оценки, близкие к 0.

РИСУНОК 13 . Гистограммы погрешности определения массовой доли сгоревших газов во впускном коллекторе при использовании двух датчиков.

3.4.3 Оптимальные наборы датчиков

На рисунке 14 показаны результаты оценки массовой доли сгоревших газов во впускном коллекторе Fb, im при использовании оптимальных наборов датчиков с разными номерами датчиков. Как показано на рисунке 14, оптимальный набор из двух датчиков имеет лучшие характеристики оценки, чем оптимальный одиночный датчик. Когда можно использовать более двух датчиков, все варианты оптимального набора датчиков имеют очень похожие оценочные характеристики.На основании данных, представленных в Таблице 5, оптимальное значение EGR DP с одним датчиком снижает RMSE на 47,4% по сравнению с оценочными результатами только для модели. Оптимальный вариант с двумя датчиками дополнительно снижает среднеквадратичное значение на 25,9% на основе оптимальной производительности оценки одного датчика. Сравнивая RMSE оптимального набора из трех датчиков, 0,367%, со RMSE оптимального набора из двух датчиков, 0,369%, наблюдается улучшение точности только на 0,5%. Когда четвертый датчик добавляется к оптимальному набору из трех датчиков, RMSE не улучшается.На рисунке 15 вычисленные E {RMSE} и кривая (T) имеют схожие тенденции. Использование оптимального одиночного датчика снижает целевой показатель (T) на 23,2% и E {RMSE} на 12,2% по сравнению с результатами оценки только для модели. От оптимального одиночного датчика до оптимального набора из двух датчиков след (T) и E {RMSE} имеют уменьшение на 16,9 и 8,9% соответственно. При переходе от оптимального набора с двумя датчиками к оптимальному набору с тремя датчиками кривая (T) уменьшается только на 0,5%, а E {RMSE} уменьшается на 0,3%. От оптимального набора из трех датчиков до набора из всех датчиков и след (T), и E {RMSE} остаются неизменными.Сравните тенденции E {RMSE} (или следа (T)) и моделируемого RMSE, и E {RMSE} (или след (T)) и моделируемое RMSE имеют относительные большие сокращения от случая только модели к случаю одного датчика до случая двух. корпус датчика и небольшое уменьшение при добавлении третьего или четвертого датчика. Таким образом, E {RMSE} или трассировка (T) могут быть полезным индикатором необходимости или избыточности при добавлении дополнительных датчиков.

РИСУНОК 14 . Определение массовой доли сгоревших газов во впускном коллекторе при использовании оптимальных комплектов датчиков.

РИСУНОК 15 . Среднеквадратичное значение и кривая (T) в зависимости от количества датчиков для оптимальных наборов датчиков.

Результаты выбора датчика показывают, что, хотя увеличение количества датчиков снижает среднеквадратичное значение, добавленный датчик (-ы) приводит к очень небольшим улучшениям производительности оценки, когда количество датчиков больше двух. Основываясь на требовании погрешности оценки, может быть стоит использовать один датчик EGR DP или добавить второй датчик MAFa в дополнение к одному датчику EGR DP, но, возможно, не стоит тратить больше денег на добавление третьего или четвертого датчика для оценка газового состава впускного коллектора.

На рисунке 16 показаны гистограммы ошибок оценки различных оптимальных комбинаций датчиков. Видно, что с увеличением числа датчиков распределение RMSE сужается и имеет меньшие пики при больших ошибках.

РИСУНОК 16 . Гистограммы погрешности определения массовой доли сгоревших газов во впускном коллекторе при использовании оптимальных комплектов датчиков.

3.4.4 Дополнительное обсуждение

Разница между ожидаемым RMSE E {RMSE} и смоделированным RMSE показана в таблицах 5–7, а также на рисунках 12, 15.Это можно объяснить следующим образом: (i) Вычисление ожидаемого RMSE, E {RMSE} (через уравнение 24), основано на предположении, что технологический шум является белым шумом с нулевым средним. Однако фактический неизвестный член возмущения x˙GT обычно не распределяется для примера цикла тестирования. Поскольку в этой статье основное внимание уделяется выбору оптимального набора датчиков среди возможных датчиков для системы двигателя, а не изучению различий между моделью двигателя и реальной системой, в разделе 3 описан быстрый и простой метод аппроксимации шума технологического процесса.2 был использован. Ценная информация, предоставляемая алгоритмом выбора датчика, - это последовательность и относительное увеличение / уменьшение среди различных наборов датчиков. Дальнейшие исследования могут быть сосредоточены на более подходящем методе оценки неизвестных возмущений, но не ожидается, что это изменит результаты выбора датчика и, следовательно, не является целью исследования; (ii) Шум измерения аппроксимируется произведением максимального отклонения измерения датчика относительно его точки линеаризации и точности (согласно Разделу 3.3). Это простое приближение приведет к некоторым различиям между ожидаемым среднеквадратичным значением E {RMSE} и смоделированным среднеквадратичным отклонением по той причине, что фактические отклонения измерения датчика не симметричны относительно точек линеаризации, но не ожидается, что это приведет к изменению результатов выбора датчика. Дальнейшие исследования могут быть сосредоточены на более подходящем методе оценки шума при измерениях, основанном на аналитических подходах.

4 Заключение

В этом документе описывается алгоритм выбора датчика и разработки наблюдателя на основе оптимизации H 2 с учетом шума процесса и измерения.Подход (1) реализован в усовершенствованной архитектуре турбированного двигателя с искровым зажиганием, использующей циркуляцию выхлопных газов; и (2) подтверждено высокоточным моделированием двигателя в GT-Power. Целью алгоритма выбора датчика + разработки наблюдателя является минимизация ошибки оценки и необходимого количества датчиков. Задача оптимизации выпуклая и решается с помощью SDP. Также был разработан метод оценки неизвестных неопределенностей модели. Результаты моделирования с высокой точностью подтвердили, что оптимальные наборы датчиков, вычисленные с помощью алгоритма, имеют наилучшие характеристики оценки.Избыточность датчика также была проанализирована на основе результатов вычислений. Этот алгоритм сокращает время вычислений и экспериментальные усилия по выбору оптимальных наборов датчиков.

5 Будущая работа

Дальнейшая работа по изучению этого алгоритма может включать оценку других ключевых параметров двигателя и конструкции наблюдателя; анализ других условий работы двигателя.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие заключение этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок.

Вклад авторов

XZ и GS разработали теорию, выполнили вычисления и спланировали моделирование. XZ провел моделирование. XZ и GS написали рукопись при поддержке CL, DG и DaL. DL курировал проект.

Конфликт интересов

CL, DG, DaL и DL были наняты компанией Cummins Inc.

Остальные авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт. представляет интерес.

Благодарности

Этот материал основан на работе, поддержанной Министерством энергетики США.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmech.2021.611992/full#supplementary-material.

Ссылки

Арзелье, Д. (2008). «LMI в анализе и синтезе эффективности методов пространства состояний управления системами», в Лекционные заметки курса LAAS по оптимизации LMI с применением в управлении Часть II .

Google Scholar

Blanca, M. J., Arnau, J., López-Montiel, D., Bono, R., and Bendayan, R. (2013). Асимметрия и эксцесс в реальных выборках данных. Methodol. Евро. J. Res. Методы поведения. Soc. Sci. 9, 78–74. doi: 10.1027 / 1614-2241 / a000057

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Candes, E. J., Wakin, M. B., and Boyd, S. P. (2008). Повышение разреженности за счет минимизации с повторным взвешиванием. J. Fourier Anal. Прил. 14, 877–905. doi: 10.1007 / s00041-008-9045-x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chen, P.и Ван Дж. (2012). Динамическая модель концентрации кислорода и оценка наблюдателем с помощью системы нейтрализации дизельного двигателя. J. Dyn. Syst. Измер. Контроль. 134, 031008. doi: 10.1115 / 1.4005508

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chepuri, S. P., and Leus, G. (2014). Выбор датчика, способствующего разреженности, для моделей нелинейных измерений. IEEE Trans. Сигнальный процесс. 63, 684–698. doi: 10.1109 / TSP.2014.2379662

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чонг, Э.К., и Зак, С. Х. (2013). Введение в оптимизацию , 4-е изд. Vol. 76. Хобокен, штат Нью-Джерси: John Wiley & Sons.

Дхингра, Н. К., Йованович, М. Р., и Луо, З.-К. (2014). «Алгоритм ADMM для оптимального выбора датчика и исполнительного механизма», на 53-й конференции IEEE по принятию решений и управлению (IEEE), Лос-Анджелес, Калифорния, 15–17 декабря 2014 г. (IEEE), с. 4039–4044.

Google Scholar

Duník, J., Straka, O., Kost, O., and Havlík, J. (2017). Ковариационные матрицы шума в моделях пространства состояний: обзор и сравнение методов оценки - Часть I. Внутр. J. Адаптировать контроль. Сигнал. Процесс. 31, 1505–1543. doi: 10.1002 / acs.2783

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эрикссон, Л., и Нильсен, Л. (2014). Моделирование и управление двигателями и трансмиссиями . 1-е изд., Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons.

CrossRef Полный текст

Фардад, М., Лин, Ф., и Йованович, М. Р. (2011). «Оптимальное управление, способствующее разреженности, для класса распределенных систем», в материалах Американской конференции по управлению 2011 г., Сан-Франциско, Калифорния.29 июня – 1 июля 2011 г. (IEEE).

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Francqueville, L., and Michel, J.-B. (2014). О влиянии egr на горение бензина искровым зажиганием при высокой нагрузке. SAE Int. J. Eng. 7, 1808–1823. doi: 10.4271 / 2014-01-2628

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Grant, M. C., and Boyd, S. P. (2015). Руководство пользователя CVX ™, выпуск 2.1 . Остин, Техас: CVX Research Inc.,

Хашеми, А., Гасеми, М., Викало, Х., и Topcu, U. (2018). «Рандомизированный жадный алгоритм для почти оптимального планирования работы датчиков в крупномасштабных сенсорных сетях», - на Ежегодной американской конференции по контролю 2018 года. (ACC), Милуоки, Висконсин, 27–29 июня 2018 г. (IEEE), стр. 1027– (1032 г.).

Google Scholar

Джоши, С., и Бойд, С. (2008). Выбор датчика с помощью выпуклой оптимизации. IEEE Trans.Signal Process. 57, 451–462. doi: 10.1109 / TSP.2008.2007095

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Каландрос, М., и Пао, Л. Я. (1998). «Управление ковариацией целевой оценки в централизованных мультисенсорных системах», в материалах Американской конференции по контролю ACC 1998 г. (IEEE Cat. No. 98ch46207) (IEEE), Филадельфия, Пенсильвания, 26–26 июня 1998 г., 2749–2753.

Google Scholar

Kalandros, M., Pao, L. Y., and Ho, Y.-C. (1999). «Рандомизация и суперэвристика при выборе наборов датчиков для приложений слежения за целями», в материалах 38-й конференции IEEE по принятию решений и контролю (кат.99Ch46304) (IEEE), Феникс, Аризона, 7–10 декабря 1999 г., 2, 1803–1808.

Google Scholar

Kocher, L., Koeberlein, E., Van Alstine, D., Stricker, K., and Shaver, G. (2012). Физически обоснованная модель объемного КПД для дизельных двигателей с регулируемым срабатыванием впускного клапана. Внутр. J. Eng. Res. 13, 169–184. doi: 10.1177 / 1468087411424378

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кост, О., Дуник, Дж., И Страка, О. (2018). Шумовой момент и оценка параметров модели в пространстве состояний. IFAC-POL 51, 891–896. doi: 10.1016 / j.ifacol.2018.09.107

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Luo, Z.-Q., Chang, T.-H., Palomar, D., and Eldar, Y. (2010). SDP-релаксация однородной квадратичной оптимизации: приближение. Convex Optimi. Сигнал. Процесс. Commun. 117. doi: 10.1017 / CBO9780511804458.005

Google Scholar

Миран, С., Саймон, Дж. З., Фу, М. К., Маркус, С. И., и Бабади, Б. (2019). «Оценка моделей в пространстве состояний с шумом процесса гауссовой смеси», семинар IEEE Data Science Workshop (DSW) 2019 г., Миннеаполис, Миннесота, 2–5 июня 2019 г. (IEEE).

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Münz, U., Pfister, M., and Wolfrum, P. (2014). Размещение сенсора и исполнительного механизма для линейных систем на основе оптимизации и размещение сенсора и исполнительного механизма для линейных систем на основе оптимизации H 2 и H . IEEE Trans. Автомат. Contr. 59, 2984–2989. doi: 10.1109 / tac.2014.2351673

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mushini, R., and Simon, D. (2005).«Об оптимизации выбора датчиков для авиационных газотурбинных двигателей» на 18-й международной конференции по системной инженерии (ICSEng’05), Лас-Вегас, штат Невада, 16–18 августа 2005 г., стр. 9–1.

Google Scholar

Палмер, К. А., Хейл, В. Т. и Боллас, Г. М. (2018). «Активная диагностика неисправностей с выбором датчика в системе обработки воздуха дизельного двигателя», Ежегодная американская конференция по управлению (ACC) 2018 г., Милуоки, Висконсин, 27–29 июня 2018 г. (IEEE), 4995– (5000).

Google Scholar

Пит, М.М. (2016). Методы LMI в оптимальном и робастном управлении. Конспект лекций, факультет машиностроения и аэрокосмической техники ((Темпе, Аризона: Государственный университет Аризоны).

Google Scholar

Пекарж, Дж., Гаримелла, П., Германн, Д., и Стюарт, GE (2012) .Экспериментальные результаты для выбора датчика и проектирования многопараметрического контроллера для дизельного двигателя большой мощности. IFAC Proc. Vol. 45, 122–129.

Google Scholar

Поляк Б., Хлебников М., и Щербаков П. (2013). «Подход LMI к проектированию структурированной разреженной обратной связи в линейных системах управления», Европейская конференция по управлению (ECC) 2013 года. Цюрих, 17–19 июля 2013 г. (IEEE), 833–838.

Google Scholar

Рао С., Чепури С. П. и Леус Г. (2015). «Жадный выбор сенсора для нелинейных моделей», 6-й международный семинар IEEE 2015 года по вычислительным достижениям в мультисенсорной адаптивной обработке (CAMSAP). Канкун, Калифорния, 13–16 декабря 2015 г. (IEEE), 241–244.

Google Scholar

Ренгараджан, С.Б., Сарлашкар, Дж., Рокер, Р., Андерсон, Г. (2018). Оценка массовой доли всасываемого кислорода для переходного контроля двигателей с рециркуляцией отработавших газов, SAE Technical Paper, Tech. Rep.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ривас Переа, М. Э. (2016). Оценка стратегий снижения расхода топлива на бензиновом двигателе с непосредственным впрыском с турбонаддувом и охлаждаемой системой рециркуляции отработавших газов. Кандидат наук. Тезис. Валенсия, Испания Политехнический университет Валенсии.

Google Scholar

Саймон Д.Л., и Гарг, С. (2010). Оптимальный выбор тюнера для оценки характеристик авиационного двигателя на основе фильтра Калмана. J. Eng. Газ Турбин. Мощность 132. 031601-1–031601-10. doi: 10.1115 / 1.3157096

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Solonen, A., Hakkarainen, J., Ilin, A., Abbas, M., and Bibov, A. (2014). Оценка параметров ковариационной матрицы ошибок модели в расширенной фильтрации Калмана. Nonlin. Процесс. Geophys. 21, 919–927. doi: 10.5194 / npg-21-919-2014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Stricker, K., Кохер, Л., Коберлейн, Э., Ван Альстайн, Д., и Шейвер, Г. М. (2014). Уменьшение карты турбонагнетателя для моделирования, ориентированного на управление. J. Dyn. Syst. Измер. Контроль. 136, 041008. doi: 10.1115 / 1.4026532

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Suard, R., Onder, C.H., and Guzzella, L. (2008). Оптимальный выбор и конфигурация датчика, пример двигателя с искровым зажиганием. SAE Int. J. Passeng Cars Electron. Электр. Syst. 1, 382–392. doi: 10.1109 / tit.2005.864420

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Tropp, J.А. (2006). Просто расслабьтесь: методы выпуклого программирования для определения разреженных сигналов в шуме. IEEE Trans. Сообщить. Теор. 52, 1030–1051. doi: 10.1109 / tit.2005.864420

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Альстин, Д. Г., Кохер, Л. Е., Коберлейн, Э., Стрикер, К., и Шейвер, Г. М. (2013). Ориентированная на управление модель синхронизации сгорания с воспламенением от сжатия с предварительно смешанным зарядом для дизельного двигателя, использующая гибкую модуляцию впускного клапана. Внутр. J. Eng. Res. 14, 211–230.doi: 10.1016 / j.conengprac.2008.04.007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, J (2008). Оценка доли воздуха для дизельных двигателей с несколькими режимами сгорания с двухконтурными системами ЭГК. Контроль. Англ. Практик. 16, 1479–1486. doi: 10.1016 / j.conengprac.2008.04.007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Заре, А. и Йованович, М. Р. (2018). «Оптимальный выбор датчика с помощью алгоритмов проксимальной оптимизации», конференция IEEE 2018 по принятию решений и контролю (CDC), Майами-Бич, Мичиган, 17–19 декабря.2018, 6514– (6518) (IEEE).

Google Scholar

Почему мы должны продолжать инвестировать в разработку двигателей внутреннего сгорания для дорожных приложений | Нефтегазовая наука и технологии

Нефтегазовая наука и технологии - Rev. IFP Energies nouvelles 75 , 56 (2020)

Обычная статья

Почему мы должны продолжать инвестировать в развитие двигателей внутреннего сгорания для дорожных приложений

Лука Лешник 1 * , Бреда Кегл 1 , Элоиза Торрес-Хименес 2 и Фернандо Крус-Перагон 2

1 Факультет машиностроения, Мариборский университет, улица Сметанова 17, SI-2000 Марибор, Словения
2 Кафедра машиностроения и горного дела, Хаэнский университет, кампус лас-Лагунильяс, серийный номер, 23071, Хаэн, Испания

* Автор для переписки: [email protected]

Поступило: 19 сентябрь 2019 г.
Принято: 2 июль 2020 г.

Абстрактные

Сегодня большинство дорожных транспортных средств приводится в действие двигателями внутреннего сгорания, которые в большинстве случаев работают на жидком топливе, полученном из нефти, в смеси с биокомпонентами. Отношение мощности к весу двигателей внутреннего сгорания в сочетании с высоким содержанием энергии обычного топлива, которое можно легко заправить за считанные минуты, делает их идеальными для всех видов дорожных перевозок.С момента введения норм выбросов EURO выбросы в транспортном секторе Европейского Союза значительно сократились. Существует несколько альтернатив ископаемому топливу с аналогичными свойствами, которые могут заменить их использование в транспортном секторе. Основное внимание в исследованиях последних десятилетий уделялось биотопливу, которое можно производить из нескольких источников. Производство биотоплива обычно более энергоемкое, чем производство ископаемого топлива, но его использование может способствовать сокращению выбросов в транспортном секторе.В последние годы много усилий было направлено на продвижение электромобилей как транспортных средств с нулевым уровнем выбросов. Это утверждение следует пересмотреть, поскольку парниковым эффектом электромобилей нельзя пренебречь. И наоборот, в некоторых случаях электромобиль может иметь даже более сильное воздействие на выбросы, чем современные автомобили со сложными двигателями внутреннего сгорания. Это характерно для стран, где большая часть электроэнергии производится на угольных электростанциях. С уменьшением выбросов парниковых газов в секторе производства электроэнергии и увеличением емкости аккумуляторных батарей роль электромобилей в транспортном секторе, вероятно, возрастет.Несмотря на значительные исследования и финансовые вложения в разработку электромобилей, транспортный сектор в ближайшем будущем будет в основном работать на двигателях внутреннего сгорания и жидком топливе, полученном из нефти. Уровень загрязнения от транспортного сектора будет дополнительно регулироваться более строгими нормами выбросов в сочетании с меньшим объемом использования альтернативного топлива.

© Л. Лешник и др., Опубликовано IFP Energies nouvelles, 2020

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License (https: // creativecommons.org / licenses / by / 4.0), что разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

1 Введение

Мировой спрос на энергию увеличивается почти каждый год. В 2017 году общее мировое потребление первичной энергии увеличилось на 2,1%, что увеличивает потребность в новых источниках энергии [1, 2]. Большая часть сегодняшних мировых потребностей в энергии обеспечивается за счет сжигания ископаемого топлива. Нефть по-прежнему остается доминирующим топливом, занимая 34% мирового рынка.За ним следуют уголь и газ, на долю которых приходится 27,6% и 23,4% мировых рынков соответственно. Доля мирового рынка возобновляемой энергии постоянно увеличивается и в 2017 году достигла 13,6%. Структура потребления первичной энергии в Европейском Союзе ( ЕС ) очень похожа на глобальную, Рисунок 1.

Рис. 1

Первичное потребление энергии в ЕС [51, 52].

В 2016 году на ископаемое топливо приходилось более 72% общего потребления первичной энергии в ЕС .На твердое топливо (уголь, кокс, торф, горючие сланцы и нефтеносный песок) пришлось 14,8%, сырая нефть и нефтепродукты - 34,9% и газ - 23,6% соответственно. На атомную энергию и возобновляемые источники энергии (ВИЭ) приходилось по 13,3% каждая. Все твердое и жидкое биотопливо, биогаз, гидроэнергия, энергия ветра, солнечная энергия, геотермальная энергия и возобновляемые отходы включены в категорию возобновляемых источников энергии.

На рисунке 2 представлена ​​тенденция глобального потребления первичной энергии и производства углекислого газа в Европейском союзе (CO 2 ).

Рис. 2 Тенденции энергопотребления

Global и EU и выбросов CO 2 [1, 2].

Четкая связь между потреблением первичной энергии и выбросами углекислого газа в мире и ЕС очевидна из результатов, представленных на Рисунке 2. Общее мировое потребление энергии быстро растет по сравнению с потреблением энергии в Европейском Союзе, которое колеблется в более или менее на том же уровне с 1990 года.Основной причиной увеличения мирового потребления первичной энергии является быстрое развитие Китая, Индии и других азиатских стран, не входящих в состав ОЭСР, стран [3]. Увеличение доли рынка возобновляемых источников энергии способствовало стабилизации роста выбросов CO 2 в последние годы.

Увеличение спроса на первичную энергию и снижение потребления ископаемого топлива в ЕС было покрыто увеличением рыночной доли возобновляемых источников энергии и газа. В период с 1990 по 2016 год рыночная доля возобновляемых источников энергии увеличилась с 4.От 3% до 13,3%, диаграмма 1.

В представленном документе исследуется текущая ситуация в секторе пассажирского транспорта Европейского Союза по энергопотреблению, образованию выбросов и технологии силовых установок. В представленной статье также изучалась применимость различных альтернативных силовых установок к обычным дизельным и бензиновым двигателям. В документе также рассмотрены некоторые новые технологии двигателей и их потенциал для снижения расхода топлива и образования выбросов. В конце, энергия и интенсивность выбросов различных силовых установок и различных видов топлива были сравнены с традиционными двигателями с прямым впрыском и воспламенением от сжатия.

2 Транспортный сектор в

ЕС

Энергия, произведенная из первичных источников, используется в нескольких сферах деятельности человека. Потребление первичной энергии в Европейском союзе можно разделить на потребление в конкретных секторах, рис. 3.

Рис. 3

ЕС Потребление первичной энергии по секторам [51].

Соотношение энергопотребления в конкретных секторах показывает, что транспортный сектор в ЕС составляет одну треть общего потребления первичной энергии.Вторым по величине сектором потребления энергии является жилищный сектор с 26%, за ним следует промышленный сектор, который потребляет четверть первичной энергии.

В статистике транспортный сектор подразделяется на железнодорожный, автомобильный, международную авиацию, внутреннюю авиацию, внутренние перевозки и другие транспортные сектора. На Рисунке 4 представлена ​​структура конечного потребления энергии в Европе в транспортном секторе.

Рис. 4

Конечное потребление энергии в транспортном секторе ЕС [51].

Результаты, представленные на Рисунке 4, показывают, что большая часть энергии в транспортном секторе потребляется автомобильным транспортом. Согласно [4] пассажирский транспорт составляет примерно 61% от общего потребления энергии в транспортном секторе ЕС и .

Общая структура потребления энергии по видам топлива в миллионах тераджоулей (МТДж) и структура сектора пассажирских и грузовых перевозок в ЕС представлены в таблице 1.

Таблица 1

Структура по видам топлива и структура пассажирского и грузового транспорта ЕС транспортного сектора [4, 5, 12, 51, 53].

Из данных, представленных в Таблице 1, видно, что ископаемое топливо представляет собой большую часть топлива, используемого в транспортном секторе. Дизельное топливо по-прежнему остается наиболее продаваемым топливом для автомобильного транспорта, с долей рынка 67% в 2016 году. В общем транспортном секторе на дизельное топливо приходится примерно 49,4% доли рынка [5, 6]. Доля использования возобновляемых источников энергии в секторе автомобильного транспорта EU составляла всего 7.1% в 2016 году [5]. Большая часть возобновляемой энергии в секторе пассажирского транспорта получается путем смешивания биотоплива с обычным топливом в небольших количествах [7].

Структура топлива, используемого в транспортном секторе, отражает долю рынка регистрации новых транспортных средств. В 2016 году на долю легковых автомобилей с дизельным двигателем приходилось 49% рынка новых легковых автомобилей, зарегистрированных в Европейском Союзе [8].

Принимая во внимание структуру транспортного сектора и используемые виды топлива, нет сомнений в том, что сжигание ископаемого топлива в двигателях внутреннего сгорания для дорожных применений приводит к значительным выбросам CO 2 и других выхлопных газов.Тенденции транспортных выбросов оксида углерода (CO), неметановых летучих органических соединений (НМЛОС), оксидов серы (SO x ), оксидов азота (NO x ) и твердых частиц PM2,5 представлены на рисунке. 5.

Рис. 5

Тенденция выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от транспортного сектора в ЕС [9, 54].

Результаты, представленные на Рисунке 5, показывают, что все представленные выбросы от транспорта в модели EU значительно сократились в период с 1990 по 2016 год.Выбросы оксида углерода и неметановых летучих органических соединений претерпели наибольшее сокращение, составившее примерно 85%. Оксиды серы и оксиды азота уменьшились на 64% и 41% соответственно. Полученное сокращение выбросов PM2,5 с 2000 по 2016 год составило около 42%.

Выбросы выхлопных газов автомобильного транспорта в Европейском Союзе На приходится 18,9% общих выбросов углекислого газа в ЕС, 6,3% от общих выбросов НМЛОС в ЕС, 28,6% от общих выбросов NO x в ЕС, 3.1% от общих выбросов твердых частиц PM10 в ЕС, 5,8% от общих выбросов твердых частиц PM2,5 в ЕС и 1% от общих выбросов SO x в ЕС. Также значительный вклад составляют выбросы, не связанные с выхлопными газами EU автомобильным транспортом. На его долю приходится 2% от общего количества НМЛОС в ЕС, 4,6% от общих выбросов PM10 в ЕС и 4,2% от общих выбросов PM2,5 в ЕС [9].

Снижение транспортных выбросов является результатом нескольких факторов. На автомобильном транспорте внедрение стандартов выбросов EURO, которые определяют допустимые пределы выбросов выхлопных газов новых автомобилей, продаваемых в EU , является основным фактором сокращения выбросов в EU .Их внедрение способствовало внедрению систем прямого впрыска бензина (GDI), блоков управления двигателем (ECU) и каталитических нейтрализаторов в автомобилях с бензиновыми двигателями. В автомобилях с дизельными двигателями нормы EURO привели к внедрению систем Common Rail, систем рециркуляции выхлопных газов (EGR) и сажевых фильтров. Более поздние нормы EURO привели к разработке и внедрению систем селективного каталитического восстановления (SCR), катализатора окисления дизельного топлива (DOC) и ловушек для обедненных NO x в современных транспортных средствах с дизельным двигателем.Системы турбонаддува и уменьшенные объемы двигателей были внедрены как в дизельные, так и в бензиновые двигатели. Все эти системы помогли снизить выбросы CO, NO x , HC и PM [10]. На сокращение выбросов также повлияло изменение качества топлива. Бензиновые топлива с более высоким октановым числом и дизельные топлива с более высоким цетановым числом позволили производителям двигателей производить двигатели с более высокой степенью сжатия, а также получать более высокий КПД двигателя и более низкий удельный расход топлива.Введение директив ЕС , касающихся содержания серы в жидком топливе, также способствовало сокращению выбросов оксидов серы (SO x ) [11].

Усовершенствования, регулируемые введением норм EURO , привели к усовершенствованию двигателей внутреннего сгорания и других систем транспортных средств. Эти улучшения дополнительно повлияли на расход топлива автомобилем и выбросы CO 2 . Средний расход топлива и выбросы CO 2 европейских автомобилей, испытанных по циклу NEDC, снизились на 27.9% и 30,2% соответственно в 2016 году по сравнению с 2001 годом. За тот же период средняя номинальная мощность двигателя и масса европейского легкового автомобиля увеличились на 28,4% и 11,1% соответственно. Несмотря на все улучшения и снижение энергопотребления, автомобильный транспорт в модели EU по-прежнему потреблял на 32% больше энергии в 2016 году, чем в 1990 году [12]. Основная причина увеличения потребления энергии автомобильным транспортом заключается в росте автомобильного транспорта. С 1990 года среднее количество легковых автомобилей на 1000 жителей в странах Европейского Союза, странах увеличилось на 1.7 раз [13].

3 Усовершенствования двигателей внутреннего сгорания и альтернативы топливу на нефтяной основе

В своем развитии автомобили и двигатели внутреннего сгорания претерпели множество модификаций, которые были реализованы с целью повышения их характеристик, снижения расхода топлива и уменьшения образования вредных выбросов выхлопных газов. Несмотря на то, что в настоящее время многие исследователи сосредоточены на разработке альтернативных систем пропорционального регулирования, все еще проводятся некоторые исследования того, как повысить эффективность обычных ДВС, снизить выбросы выхлопных газов и оптимизировать системы транспортных средств.

Есть несколько вариантов, где мы можем использовать современные технологии. Альтернативные виды топлива, такие как биодизель, дают нам возможность повлиять на сокращение выбросов до того, как топливо будет сожжено. Современные новые технологии двигателей влияют на снижение расхода топлива, улучшение процесса сгорания и повышение эффективности двигателя.

3.1 Современные технологии двигателей внутреннего сгорания

Первые двигатели внутреннего сгорания имели КПД в несколько процентов, который теперь увеличился почти до 50% для тяжелых низкооборотных судовых дизельных двигателей.Существующие системы в двигателях внутреннего сгорания, такие как системы открытия клапанов, системы смазки, системы охлаждения, системы впрыска и т. Д., Могут быть дополнительно оптимизированы. Ожидается, что сумма всех возможных улучшений в системах двигателя в сочетании с дополнительным снижением трения, увеличением степени сжатия, регулируемым управлением клапанами на всех режимах работы, двухступенчатыми турбокомпрессорами, внедрением систем старт / стоп и более эффективными системами трансмиссии в сочетании с вес транспортного средства, сопротивление шин и снижение лобового сопротивления могут снизить расход топлива легковым транспортным средством на 20% в следующие 10–15 лет [14].Немного меньшее снижение расхода топлива можно ожидать в модели Европейского Союза , поскольку многие новые автомобили уже имеют уменьшенные двигатели с турбонаддувом. Более высокое снижение расхода топлива может быть достигнуто за счет внедрения современных технологий двигателей, которые в настоящее время отсутствуют на рынке.

Основным недостатком бензиновых двигателей в достижении более высокого КПД является их низкая степень сжатия по сравнению с двигателями с воспламенением от сжатия. В традиционных бензиновых двигателях с искровым зажиганием (SI) коэффициент сжатия (CR) ограничен коэффициентом около 13, чтобы избежать детонации топлива и повреждения двигателя.В последние десятилетия была проделана большая работа по системам впрыска бензина и дозированию топлива, где мы наблюдаем переход от карбюраторов к многоточечным системам впрыска и к системе прямого впрыска бензина (GDI).

В последние годы были разработаны передовые концепции бензиновых двигателей, такие как воспламенение от сжатия бензина (GCI), воспламенение от сжатия однородного заряда (HCCI), горение с частичным предварительным смешиванием (PPC), низкотемпературное горение (LTC), октановое число по запросу (OOD) и т. Д. . были разработаны.Эти концепции позволяют бензиновым двигателям работать при более высоких степенях сжатия до 18 и достигать более высокого КПД двигателя без увеличения образования выбросов в цилиндрах. Большинство этих концепций сочетают в себе прямой впрыск бензина под высоким давлением, несколько впрысков за цикл, низкую и высокую рециркуляцию выхлопных газов, регулируемые фазы газораспределения и т. Д., Чтобы использовать бензин в двигателях с воспламенением от сжатия с высокой степенью сжатия [15, 16]. Некоторые версии этих концепций, такие как искровое зажигание со сжатием (SPCCI), коммерчески доступны с 2019 года.

Еще более высокий КПД двигателя и более значительное сокращение образования выбросов возможны, если одновременно будут разрабатываться новые виды топлива и новые концепции двигателей. Топливо с более низким октановым числом (~ 70) может помочь в успешной работе двигателей с воспламенением от сжатия в режиме GCI [17, 18]. Такое топливо можно производить на нефтеперерабатывающих заводах из нафты, которую затем перерабатывают для получения бензина с достаточным октановым числом и другими свойствами. Процесс их производства менее требователен и дешевле, поскольку низкооктановое топливо требует меньше добавок и меньше обработки.

Принцип работы дизельного двигателя с воспламенением от сжатия (CI) с прямым впрыском топлива позволяет им работать при более высоких степенях сжатия и достигать более высокого КПД по сравнению с бензиновыми двигателями. Конструкция современных дизельных двигателей очень сложна и дорога. Чтобы контролировать более высокие значения твердых частиц, дизельные двигатели должны работать на обедненной топливной смеси, что увеличивает производство оксидов азота, поэтому требуются дополнительные системы для контроля образования NO x .За последние десятилетия по системам впрыска дизельных двигателей было проделано много работы. Более высокое давление впрыска в двигателях с ХИ обычно приводит к лучшему распылению, улучшает процесс смешивания топлива и воздуха и является очень эффективным подходом к увеличению производительности двигателя. Более высокое давление впрыска также влияет на более равномерное распыление топлива. Высокое давление впрыска усиливает образование кавитации внутри впрыскивающего сопла, что влияет на лучший процесс разбрызгивания и более высокую скорость топлива на выходе из сопла [19–21].На процессы образования и разрушения топливных брызг также влияют количество инжекционных отверстий и форма объема соплового мешка [22].

Распыление топлива, процесс смешивания топлива с воздухом, повышение теплового КПД прерывания и сокращение выбросов могут быть дополнительно оптимизированы за счет формы камеры сгорания. Доказано, что тороидальная форма камеры сгорания положительно влияет на рабочие параметры двигателя и снижает уровень выбросов [23, 24].

3.2 Системы доочистки выхлопных газов

Использование современных технологий ДВС позволяет снизить выбросы выхлопных газов лишь до определенной степени.Таким образом, необходимо использовать дополнительные системы доочистки выхлопных газов, чтобы достичь норм по выбросам и уменьшить загрязнение воздуха. При использовании этих систем выбросы выхлопных газов современных дизельных и бензиновых автомобилей стандарта EURO VI более или менее одинаковы [25].

Основными выбросами, которые необходимо контролировать / снижать в бензиновых двигателях SI, являются выбросы углеводородов, оксида углерода и оксидов азота. Поскольку бензиновые двигатели работают в условиях, близких к стехиометрическим, эти выбросы можно эффективно снизить с помощью трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.Эти системы не могут в достаточной степени работать с избытком кислорода в выхлопных газах, поэтому их нельзя использовать в дизельных двигателях с воспламенением от сжатия, которые работают на обедненной воздушно-топливной смеси [26].

В большинстве современных дизельных двигателей используются системы рециркуляции выхлопных газов (EGR) для снижения выбросов NO x . Выбросы NO x нельзя полностью контролировать только с помощью систем рециркуляции отработавших газов. Для дальнейшего снижения выбросов NO x в большинство современных автомобилей, оснащенных дизельными двигателями, встроены системы избирательного каталитического восстановления (SCR).Эти системы способны дополнительно снизить выбросы NO x за счет химических реакций с такими реагентами, как аммиак или мочевина. Дизельные двигатели также имеют большую проблему с твердыми частицами, которые можно эффективно уменьшить с помощью дизельных сажевых фильтров. Катализатор окисления дизельного топлива может использоваться для окисления выбросов оксида углерода и углеводородов [27].

Системы доочистки выхлопных газов - эффективный способ снижения выбросов выхлопных газов, которые в настоящее время используются во всех новых автомобилях, продаваемых в странах ЕС .В будущем для достижения норм ЕВРО потребуется больше систем доочистки выхлопных газов. Предполагается, что в двигателе с интегрированной системой очистки бензиновые фильтры твердых частиц будут использоваться для уменьшения выбросов твердых частиц, а в двигателе с непрерывной ионизацией ловушки для обедненных NO x (LNT) помогут дополнительно снизить выбросы оксидов азота.

3.3 Альтернативные виды топлива

Выбросы от сжигания ископаемых видов топлива также могут быть сокращены за счет использования альтернативных видов топлива. Они представляют собой несколько альтернатив топливам на нефтяной основе, которые в настоящее время доступны в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.Все эти альтернативы вместе составляют около 5% от общего спроса на энергию в транспортном секторе. В будущем ожидается, что к 2040 году они смогут составлять до 10% транспортной энергии [4, 28].

3.3.1 Водород

Водород - это очень чистое топливо с нулевыми выбросами в выхлопной трубе транспортного средства, и его можно использовать для питания легковых и грузовых автомобилей. Наиболее распространенное использование водорода на транспорте - это производство электроэнергии в топливных элементах, которые приводят в действие бортовой электродвигатель электромобилей на топливных элементах (FCEV).

Чистый водород нельзя найти в атмосфере Земли в больших количествах, поэтому его необходимо производить, чтобы использовать в качестве топлива. Для производства водорода требуется много энергии, что определяет окончательный объем выбросов водородных транспортных средств. Наиболее распространенными источниками производства водорода являются уголь, природный газ и вода [4, 29].

Энергосодержание водорода на единицу объема при нормальном давлении и температуре примерно в 3100 раз ниже, чем в бензине при тех же условиях.Чтобы использовать водород в качестве топлива в транспортных средствах, его необходимо сжать до 700 бар или сжижать путем охлаждения до −253 ° C. Оба процесса очень энергозатратны и создают довольно большую проблему для использования в транспортных средствах [4, 29, 30].

Основная проблема массового использования водорода в транспортном секторе заключается в его производстве, хранении и распределении, которые очень дороги. Этот факт, вероятно, ограничит его использование для специальных приложений.

3.3.2 Биотопливо

Снижение выбросов CO 2 в транспортном секторе является одним из ключевых факторов в достижении желаемого общего сокращения выбросов CO 2 .Биотопливо известно как ключевая альтернатива традиционным видам топлива для сокращения выбросов CO 2 в транспортном секторе [31, 32]. В настоящее время все дизельное топливо, продаваемое в Европейском Союзе , содержит несколько процентов биодизеля, а около 75% бензина содержит 5% этанола [7].

Биотопливо можно разделить на четыре поколения, которые различаются в зависимости от типа сырья, используемого для их производства. Более 90% всего используемого в настоящее время биотоплива во всем мире - это биотопливо первого поколения, изготовленное из пищевой биомассы.Биотопливо второго поколения производится из лигноцеллюлозного материала, полученного из лигнина, целлюлозы или гемицеллюлозы. Это биотопливо гораздо более устойчиво для использования по сравнению с биотопливом первого поколения, поскольку сырье для его производства не конкурирует с возможными источниками пищи для человека. Макро- и микроводоросли представляют третье поколение биотоплива. Водоросли считаются материалами с самым высоким содержанием масла среди различных растений. В настоящее время производство биотоплива из водорослей слишком дорогое, поэтому этот тип (поколение) биотоплива неконкурентоспособен с биотопливом первого и второго поколений.Основным недостатком массового производства биотоплива из водорослей является экономичное снабжение CO 2 , питательными веществами и источником воды. Биотопливо четвертого поколения все еще находится на ранней стадии разработки. Их получают из генетически модифицированных микроорганизмов, таких как микроводоросли, грибы, цианобактерии или дрожжи [31, 33, 34].

3.3.3 Синтетическое топливо, метанол и диметиловый эфир

Жидкое топливо также может быть произведено из источников, содержащих смесь водорода и окиси углерода, которая может быть найдена в различных формах, таких как природный газ, уголь или биомасса.Наиболее подходящим и чистым источником для производства синтетического топлива является природный газ (ПГ). Топливо, произведенное из ПГ, называется GTL (Gas-to-Liquid). Много GTL-топлива может производиться на нефтеперерабатывающих заводах, где природный газ является побочным продуктом, который обычно сжигается в газовых факелах или выбрасывается в атмосферу, что наносит вред окружающей среде. Синтетическое топливо, полученное из угля, обычно называют CTL (Coal-To-Liquid), а BTL - это аббревиатура от синтетического топлива из биомассы (Biomass-To-Liquid).

Процесс Фишера-Тропша (FT) можно использовать для производства GTL из природного газа на нефтеперерабатывающих заводах, а также из других источников, что может способствовать снижению загрязнения окружающей среды, повышению энергоэффективности нефтеперерабатывающих заводов и производству высококачественного топлива для Двигатели IC.Различные катализаторы и другие процессы, используемые в процессе F-T, могут производить как дизельное, так и бензиновое топливо [35].

Природный газ, уголь и биомасса также могут использоваться для производства метанола и диметилового эфира (DME). Метанол имеет высокое октановое число и используется в основном в качестве компонента смеси с бензином. Основным недостатком метанола является его высокая токсичность и агрессивность по отношению к топливным системам и их компонентам. DME имеет очень высокое цетановое число, поэтому он в основном используется в качестве заменителя топлива в дизельных двигателях.Проблема с широким использованием как метанола, так и ДМЭ заключается в инфраструктуре, необходимой для их распределения [4].

4 Использование электроэнергии на транспорте

Электромобили

существуют уже несколько десятилетий. Впервые они появились в 19 веке, когда массовое использование автомобилей с двигателями внутреннего сгорания не было столь популярным из-за большой разницы в свойствах жидких топлив и низкого качества производства ДВС. Во время и после Первой и Второй мировых войн машины с ДВС стали более надежными, что в сочетании с другими факторами повысило их популярность [36].С тех пор было разработано несколько версий автомобилей с электрической силовой установкой. В зависимости от источника энергии их можно разделить на гибридные электромобили (HEV), гибридные электромобили (PHEV), электромобили на топливных элементах (FCEV) и электромобили с аккумулятором (BEV).

4.1 Аккумуляторные электромобили

БЭВ используют электричество как единственный источник энергии. Электрическая энергия (или электричество) является вектором энергии и не существует как источник в природе.Его необходимо генерировать и хранить, чтобы использовать в качестве источника энергии в электромобилях и других типах электромобилей. Емкость аккумулятора существенно влияет на повседневное использование электромобиля. Текущая удельная энергия батареи увеличилась с 10–25 Втч / кг в 19 веке до 80–150 Втч / кг в современных транспортных средствах [37]. Это увеличение плотности энергии и емкости аккумуляторов было достигнуто за счет использования лития и других редкоземельных металлов. Их использование влияет на окончательную цену комплекта аккумуляторных батарей и вносит значительный вклад в выбросы в течение жизненного цикла электрических и гибридных транспортных средств с аккумуляторными батареями.На производство литиевых батарей приходилось 20% выбросов в течение жизненного цикла BEV в Германии, которая является страной с очень высоким уровнем выбросов углерода с точки зрения производства электроэнергии, и на 50% в такой безуглеродно-интенсивной стране, как Норвегия, которая производит большую часть электроэнергии с использованием возобновляемых источников. источники [38].

Исследование Международного совета по чистому транспорту [38] показало, что в течение жизненного цикла более 150 000 км средний BEV производит на 50% меньше выбросов CO 2 , чем средний европейский автомобиль.Это значение сильно зависит от типа производства энергии и может варьироваться от 28% до 72%. Если мы сравним объем выбросов CO 2 с наиболее эффективным дизельным автомобилем, произведенным в 2016 году, разница между электрическим и обычным автомобилем уменьшится или даже станет в пользу автомобилей с дизельным двигателем в некоторых странах [13]. Средний срок службы BEV составляет более 20 лет, а аккумуляторной батареи - от 5 до 15 лет. Это означает, что общее количество выбросов CO 2 в жизненном цикле BEV и количество выбросов при производстве литиевых батарей в некоторых случаях может удвоиться [39].В соответствии с этим, нет никаких сомнений в том, что BEV могут помочь сократить выбросы CO 2 , но на сокращение сильно влияет источник (тип) производства электроэнергии.

Нынешняя плотность энергии аккумуляторов ограничивает их использование небольшими или средними легковыми автомобилями. Стоимость производства аккумуляторов, относительно низкая плотность энергии и большой вес ограничивают их более широкое использование в коммерческих транспортных средствах. По словам Калгатги [18], вес аккумуляторной батареи для тяжелого грузовика класса 8 будет более чем в четыре раза выше, чем у обычного дизельного двигателя для грузовика этого класса.Цена только на аккумуляторную батарею будет выше, чем на весь грузовик с дизельным двигателем. Цена аккумуляторов и их вес по сравнению с обычными силовыми агрегатами / системами даже увеличивается на воздушном транспорте. Вес необходимого аккумуляторного блока для часто используемого коммерческого Airbus A320 Neo будет в 19 раз больше, чем максимальная взлетная масса самолета [18]. При нынешних скоростях зарядки этому аккумуляторному блоку потребуется более недели для полной зарядки.

4.2 Гибридные автомобили

В гибридных транспортных средствах (HV)

используется комбинация электрического двигателя и двигателя внутреннего сгорания для обеспечения движения колес транспортного средства.Эта комбинация может повысить эффективность автомобиля и снизить расход топлива. Электроэнергия для питания электродвигателя хранится в аккумуляторной батарее, которая используется в качестве второй системы хранения энергии. Комбинация двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя управляется таким образом, чтобы оптимизировать эффективность трансмиссии и снизить расход топлива. Основным преимуществом гибридных транспортных средств является их способность преобразовывать кинетическую энергию во время торможения в электричество и сохранять ее в аккумуляторной батарее для последующего использования.Эта энергия обычно рассеивается в виде тепла в атмосфере в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания. Это также снижает количество загрязнений в результате износа тормозов.

Гибридные автомобили

выпускаются в двух различных конфигурациях: гибридные электромобили (HEV) и гибридные электромобили с подзарядкой от сети (PHEV). Основное различие между ними заключается в том, что PHEV могут заряжать свои батареи во время вождения или использовать электричество от сети, в то время как обычные HEV заряжают свои батареи только во время вождения.Эта функция расширяет диапазон движения PHEV на чистом электричестве и делает их гораздо более удобными, чем HEV [40].

В предыдущих исследованиях было показано, что гибридные автомобили могут снизить расход топлива по сравнению с обычными автомобилями, оснащенными двигателем внутреннего сгорания. Снижение расхода топлива более заметно в городских условиях с несколькими режимами старт-стоп. Гибридные автомобили (HV) также могут помочь снизить выбросы выхлопных газов оксида азота. При использовании HV не наблюдалось значительного сокращения выбросов углеводородов (УВ).Выбросы оксида углерода (CO) увеличились по сравнению с обычными автомобилями из-за частых условий остановки и запуска, более низкой температуры выхлопных газов и снижения эффективности каталитического нейтрализатора [41].

4.3 Электромобили на топливных элементах

Другой возможностью для питания электромобилей является использование водорода или другого типа электролита. Большинство топливных элементов используют водород для выработки электроэнергии в автомобиле. Произведенное электричество затем используется для питания электродвигателей BEV или вспомогательных электродвигателей гибридных транспортных средств.По сравнению с аккумуляторными электромобилями, FCEV может заправляться быстрее и обеспечивать больший запас хода. Различные типы топливных элементов могут также использовать метанол, гидроксид калия, жидкую фосфорную кислоту, смесь расплавленных карбонатных солей и другие специальные материалы в качестве топлива для производства электроэнергии [42, 43].

Каждый тип топливного элемента предназначен для работы в определенном температурном диапазоне. Топливные элементы с полимерно-электролитной мембраной (PEM), в которых в качестве топлива используется водород, являются наиболее подходящими для использования в транспортных средствах, поскольку они работают при низких температурах.Основная проблема массового (более широкого) использования топливных элементов PEM заключается в высокой стоимости производства водорода и чистой системы распределения, как обсуждалось ранее. Эту проблему можно решить с помощью топливных элементов с прямым метанолом (DMFC), которые работают на чистом метаноле. Метанол имеет более высокую плотность энергии по сравнению с водородом, его легче транспортировать и поставлять, но его токсичность необходимо учитывать при проектировании системы для его использования [42, 43].

4.4 Влияние на энергетический сектор

Большой вопрос при более широком использовании электромобилей - это последующее увеличение потребления электроэнергии.Можем ли мы производить достаточно электроэнергии, чтобы покрыть все наши потребности в ежедневных перевозках? Текущее конечное потребление энергии в транспортном секторе ЕС выше, чем доступная электрическая энергия для конечного потребления, Рисунок 6.

Рис. 6

Сравнение потребления энергии в транспортном секторе и электроэнергии, доступной для конечного потребления в ЕС в 2016 году [44].

Данные, представленные на Рисунке 6, показывают, что в настоящий момент мы не производим достаточно электроэнергии, чтобы покрыть все потребности в энергии в транспортном секторе.Как обсуждалось ранее, нынешний вес и плотность энергии батарей ограничивают использование электроэнергии в легких легковых автомобилях, используемых для личной мобильности. На потребление топлива, связанное с личной мобильностью, приходилось 61% от общего мирового потребления энергии на транспорте в 2012 году, в то время как на легкие личные автомобили приходилось 44% от общего мирового потребления энергии на транспорте в 2012 году. Эта величина зависит от конкретной страны или региона. В европейских странах ОЭСР на легковые автомобили приходилось примерно 50% общего потребления энергии в транспортном секторе в 2012 году [4].Учитывая эти данные, мы потенциально могли бы заменить ископаемое топливо, используемое для сжигания в легких личных транспортных средствах, электричеством.

Согласно Eurostat [44], около 36,4% электроэнергии в ЕС используется промышленностью, более 61,3% используется в домашних хозяйствах и около 2,3% в транспортном секторе. Использование большего количества электроэнергии для питания наших транспортных средств может существенно повлиять на цены на электроэнергию для домашних хозяйств и конечную продукцию. Если цена на электроэнергию вырастет, это также может повлиять на конкурентоспособность нашего промышленного сектора.

Если посмотреть дальше, 48,7% электроэнергии, произведенной в ЕС в 2016 году, было получено за счет сжигания горючего топлива, такого как природный газ, уголь или нефть. Более четверти, 25,7% электроэнергии было произведено на атомных станциях. Третий по величине источник производства электроэнергии - гидроэлектростанции с долей 12,1%, за ними следуют ветер, 9,7% и солнечная энергия с долей 3,5% [45].

В последние годы было много дискуссий о де-фоссилизации сектора производства электроэнергии в некоторых европейских странах, особенно в Германии.Это может привести к снижению производства энергии (энергии, доступной для конечного потребления), что может иметь дальнейшее влияние на цены на электроэнергию для домашних хозяйств среднего размера [46, 47].

5 Энергетические потребности для производства топлива

В последние годы было проведено много дискуссий о том, сколько энергии требуется для производства жидкого топлива (бензина и дизельного топлива). Исследования Well-To-Tank (WTT) подходят для определения количества энергии, необходимого для производства топлива, которое можно купить на заправочных станциях.Было проведено несколько исследований по определению потребления энергии в процессе нефтепереработки в разных регионах (странах) [48–50]. Результаты по потреблению энергии в EU в процессе производства дизельного и бензинового топлива представлены в таблице 2.

Таблица 2

Энергопотребление в процессе нефтепереработки в EU .

Энергию, необходимую для производства топлива, можно увидеть из представленных результатов энергетического баланса, которые показывают, сколько энергии требуется для производства конкретного топлива.Примерно пятая часть конечной энергии используется для производства ископаемого топлива. Если преобразовать это в электрическую энергию, мы увидим, что для производства 1 литра дизельного и бензинового топлива требуется около 2 кВтч электроэнергии.

Большая часть энергии, используемой на нефтеперерабатывающем заводе, производится за счет поступления сырья и производится на нефтеперерабатывающем заводе. Некоторые источники энергии также необходимо покупать [49]. Электроэнергия, используемая в процессе нефтепереработки, обычно вырабатывается на электростанции нефтеперерабатывающего завода из топлива, такого как топочный мазут.Покупная электроэнергия составляет менее 5% энергии, потребляемой в процессе нефтепереработки [48–50]. Согласно исследованию JRC [48], около половины энергии, используемой в WTT, используется в процессе переработки топлива. Если мы рассмотрим эти данные и предположим, что на других этапах WTT также необходимо закупить такое же количество электроэнергии (вместе 10% энергии, используемой в WTT), мы получим разные результаты использования электроэнергии в производстве топлива, Таблица 2.

На основании представленных данных можно сделать вывод, что количество энергии, используемой в процессе рафинирования, не является незначительным.Используемая энергия производится из нескольких источников, которые в основном являются побочными продуктами нефтеперерабатывающего завода, поэтому их нельзя напрямую преобразовать в электричество и использовать для питания электромобилей. Учитывая эффективность их преобразования в электричество 35%, можно определить количество энергии, которое потенциально может быть использовано для питания электромобилей, без учета каких-либо потерь при транспортировке электроэнергии (потери в электросети), батарей электромобилей и т. Д. Таблица 2.

Исследования Well-To-Tank (WTT) позволяют нам оценить объем энергии и выбросы, выделяемые в процессах, необходимых для производства определенных видов топлива, и доставить их на автозаправочные станции.Исследования Tank To Wheels (TTW) дополнительно оценивают увеличение энергии и выбросы, выделяемые конкретными автомобилями и комбинациями топлива. Если мы просуммируем эти значения, мы получим исследование Well-To-Wheels (WTW), которое дает нам представление о количестве увеличенной энергии и выбросах, выделяемых при управлении транспортным средством с определенным типом двигателя, использующим другое топливо или биотопливо. В исследовании WTW также рассматриваются различные варианты производства конкретного топлива, такие как различные пути распределения сырья (ПГ из трубопроводов, ПГ из сланцевого газа и т. Д.).), различное сырье для производства топлива (биодизель из рапсового масла, биодизель из подсолнечного масла и т. д.), различные виды используемой энергии ( ЕС, смешивают электроэнергию, электроэнергию с угольных электростанций и т. д.) и тому подобное.

В представленном документе мы суммируем результаты исследования WTW, проведенного Европейской комиссией [48], для энергии, израсходованной в МДж / 100 км, и выбросов в г CO 2экв. / км. В том случае, когда несколько вариантов сырья, путей и т. Д., были доступны для конкретного вида топлива, мы рассчитали и использовали среднее значение. В исследовании представлены результаты WTW для обычных автомобилей 2010 года и для варианта 2020 года. Результаты для варианта 2020 года содержат достижения в традиционных технологиях (снижение аэродинамического сопротивления транспортного средства, улучшение сопротивления качению, снижение веса, уменьшение габаритов двигателя и использование систем последующей обработки) по сравнению с 2010 годом. На рисунках 7 и 8 мы представляем Результаты исследования WTW для израсходованной энергии и выбросов для варианта транспортного средства 2020 года (прогноз).

Рис. 7

Общее количество энергии, израсходованной в WTW для автомобильной техники 2020 г. [48].

Рис. 8

Выбросы WTW для автомобильной техники 2020 года [48].

Использование бензина в двигателях с искровым зажиганием с прямым впрыском (DISI) и использование дизельного топлива в двигателях с прямым впрыском и компрессионным зажиганием (DICI) потребляет меньше энергии, чем использование большинства рассмотренных альтернативных видов топлива, рисунок 7.Увеличение энергии связано с более высокой энергоемкостью производства альтернативных видов топлива по сравнению с производством традиционных видов топлива. На энергоемкость также влияет эффективность сгорания каждого вида топлива и путь транспортировки сырья (, например, , природный газ (ПГ), транспортируемый на 4000 км по трубопроводам, или сланцевый газ, перекачиваемый в трубопроводе EU ). Двигатели с портовым впрыском искрового зажигания (PISI) потребляют немного больше энергии, чем двигатели с искровым зажиганием с прямым впрыском, при работе на сжиженном природном газе (СПГ).

При рассмотрении результатов для этанола и биодизеля мы должны иметь в виду, что общая энергия представлена ​​на рисунке 7. Полная энергия состоит из химической энергии, хранящейся в ресурсе биомассы (сырье), и энергии, необходимой для производства топлива. . Энергия источника биомассы в несколько раз превышает используемую ископаемую энергию. По этой причине топлива из рапса, подсолнечника, соевых бобов и пальмового масла намного более энергоемки, чем сало и растительное масло.Такое же влияние, как и на высокую энергоемкость всех вариантов производства этанола.

Все синтетическое топливо и топливо DME также потребляют больше энергии, чем обычные бензин и дизельное топливо. Потребление энергии снова зависит от типа сырья, используемого для производства топлива. Производство из угля (уголь в жидкость - CTL) и из биомассы (биомасса в жидкость - BMT) требует больше энергии для производства синтетического топлива, чем производство из газа (газ в жидкость - GTL). Производство ДМЭ такое же.

Ситуация немного отличается при сравнении результатов по потреблению энергии для HEV, PHEV, BEV и FCEV. Гибридные и подключаемые к сети гибридные электромобили менее энергоемки, чем автомобили с обычными двигателями DISI и DICI. Причина меньшего потребления энергии заключается в их способности преобразовывать кинетическую энергию во время торможения в электричество и сохранять ее в аккумуляторной батарее для последующего использования. Эта энергия, которая обычно тратится впустую в автомобилях с обычными двигателями, помогает снизить потребность в энергии для питания гибридных автомобилей.

У аккумуляторных и гибридных электромобилей потребление энергии сильно зависит от типа источника электричества. Более низкая эффективность производства электроэнергии достигается на атомных электростанциях, поэтому потребление энергии BEV и PHEV является самым высоким, когда атомные электростанции используются для производства электроэнергии.

Использование водорода в электромобиле на топливных элементах сильно зависит от метода производства водорода. Тепловой процесс производства водорода как из природного газа (ПГ), так и из сжиженного природного газа (СПГ) требует меньше энергии, чем использование ископаемого топлива.Электролизные пути производства водорода более энергоемкие. Исключение составляет только путь, на котором используется ветровая электроэнергия.

Все комбинации транспортных средств и топлива выделяют определенное количество выбросов. Объем выбросов в исследовании WTW представлен на Рисунке 8.

Тенденции выбросов при использовании различных альтернативных видов топлива отличаются от тенденций потребления энергии. Использование сжатого природного газа дает более или менее такое же количество выбросов, как и использование бензина и дизельного топлива, в то время как все другие рассматриваемые виды биотоплива выделяют гораздо меньше выбросов.Количество энергии, необходимое для производства биотоплива, сильно зависит от используемого сырья. Это приводит к разным объемам выбросов для разных путей получения биотоплива. Выбросы этанола и синтетического топлива также сильно зависят от используемого сырья. Разное сырье требует разных подходов к производству топлива, что приводит к разной интенсивности выбросов для каждого типа сырья. Если рассматривать результаты по интенсивности выбросов ДМЭ, производство ДМЭ из древесины является наиболее благоприятным.Основным источником энергии при преобразовании древесины в ДМЭ является сама древесина, поэтому количество выбрасываемых выбросов очень мало по сравнению с производством ДМЭ из природного газа или угля.

При сравнении результатов для гибридных транспортных средств и транспортных средств с обычными двигателями, более низкая энергоемкость, как видно из результатов на Рисунке 8, влияет на меньшее количество выбросов парниковых газов. Объем выбросов парниковых газов аккумуляторным электромобилем зависит только от типа процесса производства электроэнергии.Процессы производства электроэнергии из угля и тяжелой нефти на сегодняшний день являются наиболее интенсивными по выбросам. Электроэнергия, производимая ветром и атомными электростанциями, является наиболее чистой. Это также отражено в FCEV, где процесс электролиза используется для производства водорода.

6 Заключение

В представленной статье исследуется текущая ситуация в области развития двигательных систем дорожного применения. В последние годы гибридные и электрические транспортные средства значительно продвинулись в своем развитии и удобстве использования.Несмотря на весь достигнутый прогресс, нынешняя система автомобильного транспорта по-прежнему основана на двигателях внутреннего сгорания и сжигании жидкого топлива на основе нефти. Доля рынка всех BEV и всех гибридных автомобилей в европейских странах в 2016 году составила около 3,4%.

Мировой спрос на топливо на основе нефти ежегодно растет [18]. Общий объем энергии ветра и солнца, произведенной в 2016 году, смог покрыть глобальный спрос на энергию в транспортном секторе за 12 дней. Это показывает нам повседневное измерение спроса на энергию в транспортном секторе и указывает на сложность замены его нынешнего первичного источника энергии.Текущие тенденции в производстве электроэнергии и емкости аккумуляторных батарей не в пользу более широкого использования электроэнергии в транспортном секторе. Также возникает вопрос о способности электрической сети передавать больше электроэнергии в случае, если все больше и больше домохозяйств будут иметь электромобили, которые необходимо регулярно заряжать.

С другой стороны, недавний прогресс в разработке двигателей внутреннего сгорания повышает их эффективность и снижает выбросы выхлопных газов.Современные технологии сжигания и новые технологии доочистки выхлопных газов значительно снижают количество вредных выбросов, особенно от дизельных двигателей. Выбросы выхлопных газов строго регулируются нормами EURO и другими национальными нормами, которые способствуют разработке новых методов дополнительного сокращения выбросов. Они также поощряют использование биотоплива, которое смешивают с топливом на нефтяной основе в большинстве стран ЕС и , и доказали положительное влияние на сокращение выбросов.Использование биотоплива в сочетании с современными технологиями сжигания или с гибридными силовыми установками может иметь еще большее влияние на сокращение выбросов, чем каждое отдельное решение.

При рассмотрении других альтернатив обычным видам топлива, таких как синтетическое топливо, ДМЭ и водород, мы должны быть очень осторожны. Как видно из исследования WTW, некоторые из них могут иметь большее воздействие на окружающую среду по сравнению с дизельным и бензиновым топливом. Производство электроэнергии в некоторых европейских странах все еще сильно зависит от угля.Этот тип производства электроэнергии также требует значительных выбросов и может быть более вредным для окружающей среды, чем использование традиционных жидких видов топлива на нефтяной основе в транспортном секторе.

Электричество, безусловно, сыграет важную роль в будущем дорожных силовых установок. Насколько велик будет его вклад, будет зависеть от будущего увеличения емкости аккумуляторных батарей, обновления мощности электрических сетей, декарбонизации сектора производства электроэнергии, будущих тенденций в развитии автомобилестроения и т. Д.Большое беспокойство вызывает также цена на электроэнергию и снижение собираемых дорожных налогов от продажи ископаемого топлива, которое, как ожидается, последует на определенном этапе перехода к электрификации транспорта. Как видно из недавних данных о рыночных долях, гибридные электромобили во всех формах обладают наибольшим потенциалом для массового использования в будущем.

Все это указывает на то, что в ближайшем будущем двигатели внутреннего сгорания по-прежнему будут играть основную роль во всех типах дорожных приложений. Сочетание современного ДВС с повышенной эффективностью и меньшим воздействием на выбросы с частичной электрификацией транспортных средств в настоящее время представляет собой лучшее решение для сокращения выбросов парниковых газов в ближайшем будущем.Доступные технологии необходимо сбалансировать в соответствии с конкретными характеристиками каждого региона. Принимая во внимание это, необходимы дальнейшие инвестиции в новые технологии двигателей внутреннего сгорания, системы доочистки выхлопных газов и биотопливо для дальнейшего снижения воздействия транспортного сектора на окружающую среду в ближайшем будущем.

Список литературы

  • Статистический обзор мировой энергетики BP. (2018) https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2018-full-report .pdf [доступ 12 марта 2019 г.]. [Google ученый]
  • МЭА. (2018) Global Energy & CO 2 Status Report 2017, Международное энергетическое агентство. [Google ученый]
  • Перспективы BP Energy.(2017) https://www.bp.com/content/dam/bp/pdf/energyeconomics/energy-outlook-2017/bp-energy-outlook-2017.pdf [по состоянию на 26 февраля 2018 г.]. [Google ученый]
  • Международный энергетический прогноз. (2016) Управление энергетической информации, 2016.[Google ученый]
  • ЕЭЗ. (2018) Прогресс транспортного сектора ЕС в достижении его экологических и климатических целей, Европейское агентство по окружающей среде. [Google ученый]
  • Евростат.(2018) Показатели энергетики, транспорта и окружающей среды, издание 2018 г., Европейский Союз, Люксенбург. ISBN 978-92-79-96509-8 ISSN 2363-2372. [Google ученый]
  • ЕЭЗ. (2018) Качество топлива в ЕС в 2016 году, Европейское агентство по окружающей среде, doi: 10.2800/224432. [Google ученый]
  • Статистика европейского автомобильного рынка. (2017) Международный совет по чистому транспорту, http://eupocketbook.theicct.org. [Google ученый]
  • ЕЭЗ.(2018) Выбросы загрязнителей воздуха от транспорта, Европейское агентство по окружающей среде. [Google ученый]
  • Уильямс М., Миньярес Р. (2016) Техническое резюме стандартов выбросов транспортных средств Euro 6 / VI, icct, доступно онлайн на https: // www.theicct.org [дата обращения: 3.04.2019]. [Google ученый]
  • ЕЭЗ. (2018) Отчет об инвентаризации выбросов Европейского Союза за 1990–2016 гг. В соответствии с Конвенцией ЕЭК ООН о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (LRTAP), Европейское агентство по окружающей среде, ISSN 1977-8449.[Google ученый]
  • EEA (2018) Конечное потребление энергии по видам транспорта, Европейское агентство по окружающей среде. [Google ученый]
  • Евростат, http: // appsso.eurostat.ec.europa.eu/nui/submitViewTableAction.do [доступ 26 марта 2019 г.] Ключевые слова: количество легковых автомобилей на 1 000 жителей. [Google ученый]
  • Хейвуд Дж., Маккензи Д. (2015) На пути к 2050 году: потенциал для значительного сокращения энергопотребления легковых автомобилей и выбросов парниковых газов, Автомобильная лаборатория Слоуна Массачусетского технологического института, Отдел инженерных систем.[Google ученый]
  • Мао Б., Пэн К., Хайфэн Л., Цзуньцин З., Минфа Ю. (2018) Воспламенение от сжатия бензина в многоцилиндровом дизельном двигателе большой мощности, Топливо 2015, 339–351. [CrossRef] [Google ученый]
  • Любой., Jaasim M., Raman V., Hernández Pérez FE, Sim J., Chang J., Im HG, Johansson B. (2018) Воспламенение от сжатия с однородным зарядом (HCCI) и частично предварительно смешанное сгорание (PPC) в двигателе с воспламенением от сжатия с низким бензин с октановым числом, Energy 158, 181–191. [CrossRef] [Google ученый]
  • Калгатги Г., Йоханссон Б. (2018) Подход с воспламенением от сжатия бензина (GCI) для эффективного, чистого и доступного двигателя будущего, Proc. Inst. Мех. Англ. Часть D: J. Automob. Англ. 232, 1, 118–138. [CrossRef] [Google ученый]
  • Калгатги Г.(2018) Неужели и двигателей внутреннего сгорания, и бензина на транспорте? Прил. Энергия 225, 965–974. [Google ученый]
  • Ван Л., Лоури Дж., Нгайле Г., Фанг Т. (2019) Распыление дизельного топлива под высоким давлением из пьезоэлектрического топливного инжектора, Прил.Therm. Англ. 15, 807–824. [Google ученый]
  • Морган Р., Бэнкс А., Олд А., Хейкал М. (2015) Преимущества высокого давления впрыска для будущих характеристик двигателя большой мощности, Технический документ SAE 2015–24-2441, DOI: 10.4271 / 2015-24-2441.[Google ученый]
  • Стэнтон Д. (2013) Систематическая разработка высокоэффективных и экологически чистых двигателей для соответствия будущим нормам выбросов парниковых газов в коммерческих транспортных средствах, SAE Int. J. Eng. 6, 3, 1395–1480. DOI: 10.4271 / 2013-01-2421. [CrossRef] [Google ученый]
  • Хуан В., Мун С., Гао Ю., Ван Дж., Одзава Д., Мацумото А. (2019) Влияние числа отверстий на динамику распыления дизельных форсунок с несколькими отверстиями: наблюдение для форсунок с тремя и девятью отверстиями, Exp. Therm. Fluid Sci. 102, 387–396. [CrossRef] [Google ученый]
  • Картикеян В.(2019) Влияние изменения геометрии чаши камеры сгорания на характеристики двигателя, характеристики сгорания и выбросов дизельного двигателя, работающего на биодизельном топливе, с его анализом энергии и эксергии, Energy 176, 830–852. [CrossRef] [Google ученый]
  • Паппула Б., Питчайпиллай П., Нараянан К.Г. (2019) Комбинированный эффект композитной присадки и модификации камеры сгорания для адаптации отработанного пластикового масла в качестве топлива для дизельного двигателя, J. Taiwan Inst. Chem. Англ. 97, 297–304. [Google ученый]
  • Рука., Дуань Ю., Ван К., Линь Х., Хуанг З. (2015) Экспериментальное исследование двухступенчатого впрыска смеси дизельного топлива и бензина в системе впрыска Common Rail, Fuel 159, 470–475. [CrossRef] [Google ученый]
  • Пайри Ф., Лухан Дж. М., Гвардиола К., Пла Б. (2014) Непростое будущее для двигателя внутреннего сгорания: новые технологии и роль управления, Oil Gas Sci. Technol. - Rev. IFP Energies nouvelles 70, 15–30. DOI: 10.2516 / ogst / 2014002. [CrossRef] [Google ученый]
  • Айодхья А., Нараянаппа К. (2018) Обзор систем последующей обработки для дизельных двигателей, Environ. Sci. Загрязнение. Res. 25, 1–4. DOI: 10.1007 / s11356-018-3487-8. [CrossRef] [Google ученый]
  • Exxonmobil, Перспективы энергетики: взгляд до 2040 г., https: // cdn.exxonmobil.com/~/media/global/files/outlook-for-energy/2017/2017-outlook-for-energy.pdf [дата обращения 31.1.2019]. [Google ученый]
  • США DOE. Центр данных по альтернативным видам топлива. (2019) Производство и распределение водорода, https://afdc.energy.gov / fuels / Hydrogen_production.html [дата обращения 31.1.2019]. [Google ученый]
  • США DOE. (2009) Потребность в энергии для сжатия и сжижения газообразного водорода в связи с потребностями в хранении транспортных средств, https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/9013_energy_requirements_for_hydrogen_gas_compression.pdf [дата обращения 31.01.209]. [Google ученый]
  • Ю-Кван О., Кюнг-Ран Х., Чангман К., Юнг Р.К., Джин-Сук Л. (2018) Последние разработки и ключевые препятствия на пути к передовым видам биотоплива: краткий обзор, Biresource Technol. 257, 320–333. [CrossRef] [Google ученый]
  • Альгрен Э., Хагберг М.Б., Гран М. (2017) Транспортное биотопливо в моделировании глобальной энергетики - обзор подходов к комплексной оценке энергетических систем, GCB Bioener. 9, 1168–1180. [CrossRef] [Google ученый]
  • Алалван Х.А., Альминшид А.Х., Альджаафари Х.А.С. (2019) Многообещающая эволюция производства биотоплива. Тематический обзор, Обновить. Energy Focus 28, 127–139. [CrossRef] [Google ученый]
  • Сикарвар В.С., Чжао М., Феннелл П.С., Шах Н., Энтони Э.Дж. (2017) Прогресс в производстве биотоплива путем газификации, Process Ener. Гореть. Sci. 61, 189–248. [CrossRef] [Google ученый]
  • Всемирный банк и партнеры GGFR раскрывают ценность потраченного впустую газа, http: // web.worldbank.org/WBSITE/EXTERNAL/TOPICS/EXTSDNET/0,,contentMDK:22416844~menuPK:64885113~pagePK:64885161~piPK:64884432~theSitePK:5929282,00.html [дата обращения 29.1.209]. [Google ученый]
  • Мама Г. (2014) Эволюция автомобильных технологий: Справочник, SAE International.[CrossRef] [Google ученый]
  • Сафари М. (2018) Аккумуляторные электромобили: взгляд назад, чтобы двигаться вперед, Энергетическая политика 115, 54–65.[Google ученый]
  • Холл Д., Лютси Н. (2018) Влияние производства аккумуляторов на выбросы парниковых газов в течение всего жизненного цикла электромобилей, icct. Доступно на сайте www.theicct.org [дата обращения 15.04.2019]. [Google ученый]
  • Дитман С., Паулюк С., ван Вуурен Д.П., ван дер Воет Э., Туккер А. (2018) Сценарии роста спроса на металл в технологиях производства электроэнергии, автомобилях и электронике, Environ. Sci. Technol. 52, 4950–4959. [Google ученый]
  • Сабри М.Ф.М., Данапаласингам К.А., Рахмат М.Ф. (2016) Обзор архитектуры гибридных электромобилей и стратегий управления энергопотреблением, Renew. Sust. Energ. Ред. 53, 1433–1442. [CrossRef] [Google ученый]
  • Хуан Ю., Суаравски Н.С., Орган Б., Чжоу Дж.Л., Тан О.Х.Х., Чан Э.Ф.С. (2019) Расход топлива и выбросы при реальном вождении: сравнение гибридных и обычных транспортных средств, Sci. Total Environ. 659, 275–282. [PubMed] [Google ученый]
  • Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии.(2019) Типы топливных элементов, https://www.energy.gov/eere/fuelcells/types-fuel-cells [дата обращения 16.04.2019]. [Google ученый]
  • Танк Б., Арат Х.Т., Балтаджоглу Э., Айдын К. (2019) Обзор видения электромобилей на водородных топливных элементах на следующую четверть века, Inter.J. Hydrogen Ener. 44, 10120–10128. [CrossRef] [Google ученый]
  • Евростат интернетна страна.(2018) iskalne besede: поставка, преобразование и потребление электроэнергии и нефти, 5.10.2018. [Google ученый]
  • Евростат. (2018) Производство, потребление и обзор рынка электроэнергии. Статистические данные объяснены, Евростат. [Google ученый]
  • Ренн О., Маршалл Дж. П. (2016) Политика в отношении угля, ядерной энергии и возобновляемых источников энергии в Германии: с 1950-х годов до «Energiewende», Energy Policy 99, 224–232. [Google ученый]
  • Хейк Дж. Ф., Фишер В., Венгхаус С., Векенброк К. (2015) Немецкая энергия - история и статус-кво, Энергия 92, 532–546.DOI: 10.1016 / j.energy.2015.04.027. [CrossRef] [Google ученый]
  • JRC.(Июль 2013 г.) Анализ будущего автомобильного топлива и силовых агрегатов в европейском контексте от Well to Wheels, версия 4, Европейская комиссия, Объединенный исследовательский центр, Институт энергетики и транспорта. [Google ученый]
  • Имран Хан М.(2018) Сравнительное использование энергии между скважинами и резервуарами и оценка выбросов парниковых газов природного газа в качестве транспортного топлива в Пакистане, Ener. Поддерживать. Развивать. 43, 38–59. [CrossRef] [Google ученый]
  • Патил В., Шастры В., Химабинду М., Равикришна Р.В. (2016) Анализ жизненного цикла энергии и выбросов парниковых газов автомобильного топлива в Индии: Часть 2 - Анализ от скважины к колесам, Energy 96, 699–712. [CrossRef] [Google ученый]
  • Европейский Союз.(2016) Энергетические балансы 2016 DATA, Европейский Союз, Люксембург. ISBN 978-92-79-92826-0 ISSN 1830-7558. [Google ученый]
  • Евростат, http://appsso.eurostat.ec.europa.eu/nui/submitViewTableAction.do [дата обращения 18.03.2019]. [Google ученый]
  • Евростат, https: // ec.europa.eu/eurostat/web/products-datasets/-/road_eqr_carpda [2.10.2018]. [Google ученый]
  • Евростат, http://appsso.eurostat.ec.europa.eu/nui/show.do?dataset=env_air_emis&lang=en [по состоянию на 28 марта 2019 г.]. [Google ученый]

Все таблицы

Таблица 1

Структура по видам топлива и структура пассажирского и грузового транспорта ЕС транспортного сектора [4, 5, 12, 51, 53].

Таблица 2

Энергопотребление в процессе нефтепереработки в EU .

Все фигуры

Рис. 6

Сравнение потребления энергии в транспортном секторе и электроэнергии, доступной для конечного потребления в ЕС в 2016 году [44].

По тексту
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *