full screen background image

Двигатели без распредвалов, новая технология, которая изменит автоиндустрию

4

Содержание

Двигатели без распредвалов, новая технология, которая изменит автоиндустрию

Двигатели без распредвалов, новая технология, которая изменит автоиндустрию

Мы уверены, что многие наши читатели и посетители сайта знают о существовании компании под названием «Koenigsegg». А еще мы уверены в том, что многие почти ничего не слышали о её дочерней фирме под замысловатым названием FreeValve.

Если это действительно так, то добро пожаловать друзья в мир высоких автотехнологий. Скандинавы на сегодня разработали и претворяют в жизнь чрезвычайно интересный продукт, а именно, новый (это не преувеличение) тип двигателя в котором нет таких привычных нам всем деталей (кто связан с автомобилями), как распредвал.

Если мы с вами заглянем в прошлое, т.е. в 80-е года, то самой топовой и продвинутой технологией в то время стала система управления клапанами типа VTEC, а вот 90-е годы отличились иной разработкой и применением продвинутой системы впрыска топлива, а чуть позже кульминацией развития прямого впрыска стали поздние 2000-е годы. Будущее, как говорят специалисты, за технологией FreeValve,- т.е. «без системы распредвалов» приводящей клапаны в движение в ДВС (двигателе внутреннего сгорания). Но действительно ли это так и станет будущим моторостроения? Давайте посмотрим друзья на это вместе.

Как любая другая технологическая революция эта FreeValve Camfree стала технологическим прорывом, который должен (или обязан?) изменить расстановку сил в технологиях создания двигателей внутреннего сгорания. Основной принцип ее звучит просто и гениально,- вместо определённой привязки к определенной статической формуле, эта новая технология предлагает конкретную гибкость в процессе работы мотора.

Технологии изменяемого открытия клапанов существуют уже относительно давно, на ней было сделано множество прототипов автотехники от разных автопроизводителей. Существуют даже похожие серийные версии от «BMW», но ни одна из них не может сравниться с теми возможностями, которые предлагает этот новый тип двигателя разработанный скромной скандинавской компанией. Гениальность продвигаемой ей системы также не в последнюю очередь заключается в том самом, что она не подразумевает серьёзных изменений в конструкции самого двигателя. Но, тем не менее, эта кажущаяся простота не помогла избежать фирме и одноименной технологии FreeValve дороговизны и сложностей производства. Закон бизнеса никто пока не отменил, новинки стоят как мы знаем, всегда немалых денег.

Мотор FreeValve на 30% мощнее, в два раза экологичнее и на 20 — 50% экономичнее обычного распредвального двигателя

Как и другие подобные инженеры, сосредоточившиеся на развитии технологий дезактивации и изменяемой степени сжатия а также изменяемого объёма, парни из «FreeValve» работали долгое время над тем, что называется сегодня «топовой мировой технологией мотора», стоящей как-раз на острие атаки автопрогресса.

В ходе проведенных исследований компания «Koenigsegg» выяснила, что технология привода клапанов имеет огромный потенциал развития, поэтому ее решение было логичным, а именно,- разработать реальную систему, которая будет основана на теоретическом опыте. Таким образом, для достижения своих амбициозных целей у названной фирмы произошло объединение с дочерней компанией «Cargine» переименованной в последствии в «FreeValve».

Вступление закончилось. Теперь переходим к подробностям.

Давайте друзья перейдем к изучению всех нюансов данной FreeValve технологии, которая не так давно была публично раскрыта для достояния общественности.

В чем разница между системой без распредвалов и классической технологией привода клапанов

Из названия и описания этой технологии становится понятным, что речь действительно идет о таком двигателе, в котором отсутствуют распределительные валы. На самом деле это необычный подход к инженерии внутримоторных технологий, главный секрет которых заключается как-раз в том, что двигателю не нужны эти самые валы, поскольку сами клапана рассчитаны на индивидуальную работу и что интересно, каждый по отдельности. Каждый клапан ни как не связан жестко с соседними клапанами, отсюда и проистекает название «свободные клапана», т.е.- FreeValve.

Главная мысль заключается в следующем, чтобы работа двигателя внутреннего сгорания стала более эффективной во всех своих фазах работы. Стандартные распределительные валы ввиду заложенных в них конструктивных особенностей являются крайне компромиссными вариантами, что зачастую приводит к определенным «жертвам», т.е. к повышенному расходу топлива в угоду мощности или к низкому крутящему моменту на высоких оборотах в угоду пиковой мощности. ну и т.д.

С этой новой технологией инженеры получили возможность сделать двигатель более эффективным при любых оборотах и на всех режимах работы не опасаясь, ни провалов на холостом ходу, ни посредственной динамики или высокого расхода топлива.

Звучит наверное, как недосягаемая мечта, но нет ничего невозможного, в наш век возможно все, что можно себе представить. Дочерняя компания «Кёнигсегг» добилась в этом вопросе высоких результатов, создав вполне рабочий и практически серийный экземпляр своей новой разработки, которую они долгие годы возили от одной выставки к другой выставке, представляя свой прототип двигателя на разных своих автоновинках. Вместо тех же распредвалов, каждый клапан приводится в движение своим отдельным приводом, работу которых в свою очередь контролирует электроника.

Насколько хороша новинка и насколько она дороже обычной системы привода клапанов?

Разработчики утверждают, что система без распредвалов использует на 10% меньше энергии, чем традиционные решения обычного привода. Эти проценты (указанные выше) в стандартной схеме двигателя обычно уходят на преодоление трения, на привод и на работу всей верхней части «головы» мотора, то есть, на использование всех этих многочисленных систем. Эффективность использования такого двигателя, как несложно уже догадаться, будет на 10% лучше, но еще гораздо больший выигрыш станет очевидным как-раз при экологической проверке.

Двигатель может работать в четырех циклах, а именно: стандартный- Отто, сложный- Миллера и экономный-Аткинсона. Также двигатель способен воспроизводить цикл Хедмана с изменяемой степенью сжатия

Например, в двигателе с искровым зажиганием (читайте, в бензиновом моторе) с установленным FreeValve можно смело снять каталитический нейтрализатор, а экономичность даже у мощного бензинового двигателя станет сродни дизельному варианту.

В результате этот полученный силовой агрегат станет дешевле эквивалентного дизельного мотора, так говорят в «FreeValve». На дизельные двигатели тоже могут быть установлены новомодные электронные приводы клапанов, что в самой теории должно чуть снизить расход данного мотора работающего на ДТ и серьезно повысить экологичность его выхлопа.

Стоимость новой технологии. Если взять в расчет науку, т.е. экономику, то получается, что первые 10 — 100 тыс. двигателей построенных по этой технологии, будут стоить дороже обычных типов силовых агрегатов, но в конечном итоге получится следующее, когда производство будет поставлено на промышленный поток и он достигнет определённой «критической массы», то стоимость таких новых типов моторов начнет постепенно снижаться и в конечном итоге сравняется со стоимостью сегодняшнего стандартного ДВС.

При этом такие моторы будут более эффективными, чем традиционные агрегаты, они будут меньше расходовать горючего при увеличении мощности и станут показывать более приемлемые показатели крутящего момента.

Что произойдет, если система покажет себя несостоятельной?

Приверженцам классической схемы двигателей и тем гражданам, которые с опаской принимают все обновления в мире технологий и все технические новшества, наверное будет интересно узнать, на сколько все будет плохо при непредвиденной поломке этой новомодной системы. И вообще, хотелось бы знать, надежна ли она?

Отрицать конечно глупо, любой даже самый надежный девайс может непременно выдать в неподходящий момент неприятную осечку, также не стоит забывать и про конструктивные дефекты, которые могут быть не выявлены на начальном этапе разработки. Итог заранее предсказуем, это будет дорогая поломка. Но и здесь у инженеров «FreeValve» есть небольшой утешительный козырь в рукаве.

Невероятно, но этот двигатель сможет нормально выполнять свои рабочие функции даже при поломке одного или нескольких приводов клапанов, разумеется, что это скажется на его пиковой мощности на высоких оборотах, но как уверяют сами разработчики, разница эта будет незначительной.

Предусмотрен также и аварийный вариант работы двигателя, и заключается он в следующем, если даже 75% приводов клапанов выйдут из строя, то автомобиль все-равно сможет самостоятельно добраться до СТО, невероятная живучесть не правда ли. Тестирования двигателя продолжаются. но самое главное, чего разработчики все еще никак не могут побороть, так это выносливость такого типа привода. В нем почти все хорошо, но камень преткновения все же есть и состоит он в том, что данная система долго не выхаживает. Однако инженеры считают, что это временное явление и его удастся нейтрализовать, так как инженеры по теоретическим расчётам выяснили, что надежность такой системы может быть сопоставима со стандартным двигателем ДВС. Они смоделированы сотни-миллионов циклов работы приводов и ощутимого износа обнаружено не было. Осталось применить знания на практике и можно спокойно выезжать на «арену».

Шведская компания сравнивает текущую технологию распределительного вала с игрой на пианино двумя руками, каждая из которых привязана к противоположным концам метлы. Использование каждого пальца по отдельности, как это делают пианисты, позволит перейти к индивидуальному управлению клапанами.

Из вышесказанного можно сделать такой вывод:

1. На данный момент данная технология явно еще сырая. Двигатель не способен пройти столько же, сколько ходят без серьезных проблем моторы с обычной системой распредвалов.

2. Но даже на этом этапе разработки система показала себя с лучшей стороны. Ни один мотор со стандартной системой газораспределения не способен хоть как-то нормально работать, если перестанут работать 75% клапанов (представим это гипотетически). Более того, перестань функционировать в нормальном режиме хотя бы один из клапанов на обычных ДВС, и вы потеряете заметно больше, чем пиковую мощность на высоких оборотах. То есть в плане поломок, если уж что-то произошло с ГРМ, скандинавская технология явно обходит все другие типы моторов.

Еще один плюс системы. На революционном двигателе, как утверждают сами инженеры работающие над проектом, невозможна встреча клапанов с поршнями в случае обрыва ремня/растяжения цепи, ведь она здесь просто-напросто отсутствует.

Технические нюансы. FreeValve — это более чем полностью изменяемые фазы газораспределения или как?

Если ответить коротко, но по существу, то да, это больше чем двигатель с изменяемыми фазами газораспределения, потому что каждый конкретный клапан может иметь различные «подъемы» как по времени, так и в позиции открытия. Также он (каждый клапан) может открываться и закрываться с разной скоростью изменяя тем самым частоту открытия-закрытия, за этим в онлайн режиме следит система бортовых компьютеров, которая высчитывает необходимый режим хода клапана в соответствии с режимом работы двигателя, и делает это с точностью подъема вплоть до 1/10 (одной десятой) миллиметра.

Как видим, приводы (актуаторы) способны делать это с необычайной точностью значительно превосходя показатели работы ГРМ в обычном двигателе.

Кстати, сами электроприводы они же актуаторы, самая важная часть разрабатываемого типа мотора. Клапаны при помощи индивидуальных систем приводятся в движение очень часто, до 20 тыс. открытий и закрытий в минуту. Датчики контроля положения клапана зорко следят за происходящим мониторя таким образом положение клапанов, внимание,- это делается 100 тыс. раз в 1 секунду (. ). Причем привод двигающий клапана не просто электрический, он такого типа, что не выдерживает таких колоссальных нагрузок/скоростей/температур и быстро выходит из строя. В компании «Koenigsegg» вроде бы разработали «пневмогидроэлектрический тип привода». Каждая из стихий, то есть: пневматика, гидравлика и электрика выполняет сугубо свою отдельную функцию. Пневматикой этот клапан открывается, а при помощи гидравлики- закрывается. Его электропривод подает воздух и масло, чтобы в самой системе было необходимое для работы актуатора давление.

Этот тип привода подойдет и гоночному мотоциклу и грузовому автомобилю

Еще одна экономическая выгода такого двигателя, о которой стоит упомянуть. Применение гидропневмоэлектро-клапанов не требует многочисленности деталей, тем более дорогих и тяжелых. Не нужны ей шестерни ГРМ, крышка ГРМ, цепь ГРМ (или ремень), а также распредвал и даже регулятор давления наддува для турбированных двигателей.

Ввиду всего вышесказанного этот силовой агрегат можно сделать компактнее и легче традиционного мотора.

Когда можно будет купить автомобиль с таким двигателем?

Удивительно, но первым автомобилем, который выйдет на рынок и будет оборудован такой безраспредвальной системой, станет не гоночный мощный автомобиль спорткар Koenigsegg, а скорее всего лавры первопроходца достанутся китайской модели авто Quoros 3, с которой шведский «Кенигсегг» заключил договор о сотрудничестве. Доступность значит гарантирована. Пройдет несколько месяцев, год или полтора и на дорогах появятся первые ласточки. Учитывая, что шведы разрабатывали данную технологию начиная с 2000 года, ждать осталось совсем не долго.

На выходе мы получим более тихий и более экономичный эффективный и мощный бензиновый мотор по сравнению с современными аналогами. Надеемся, что реальность нас не разочарует.

Альтернативные силовые установки для транспортных средств

Использование водорода в качестве топлива возможно в транпортных средствах как с ДВС, так и с водородными топивными элементами. Однако традиционные поршневые ДВС приспособить к работе на водороде и сложно, и дорого (стоимость эксплуатации и обслуживания такой водородной силовой установки примерно в 100 раз выше, чем у обычного двигателя внутреннего сгорания).

Альтернативные вариантом являются топливные элементы (ТЭ), преобразующие химическую энергию топлива в тепло и постоянный электрический ток, питающий электродвигатель или системы бортового питания транспортного средства. ТЭ представляет собой непрерывно перезаряжаемую батарею из двух покрытых катализатором электродов, между которыми находится электролит. Через один электрод подается водород, через другой — чистый кислород или кислород из воздуха, к которым постоянно добавляются химическое топливо и окислитель. Соединение водорода с кислородом обычно происходит внутри пористой полимерной мембраны.
Водородные ТЭ намного более экологичны, эффективны (их КПД составляет 45%, современного автомобильного ДВС — 35%), надежны, способны работать при низких температурах, при этом менее габаритны. Они могут применяться в качестве силовых установок в гибридных автомобилях, а в электромобилях — в качестве суперконденсаторов.

Эффекты

Экологичность: при сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода

Распределенное энергоснабжение: водород в виде неиспользованного электричества можно применять для питания домашней электросети

Возможное сокращение общего объема потребления нефти в секторе автомобильных перевозок на 40% к 2050 г.

Оценки рынка

70 тыс. в год

к 2027 г. составит выпуск новых водородных автомобилей в мире

Драйверы и барьеры

Удобство использования автомобильной техники на ТЭ (не требуют перезарядки, моментально поставляют электроэнергию, выработка энергии ТЭ не зависит от времени суток, погодных условий и др. )

В перспективе открытие более дешевых и эффективных катализаторов для получения водорода позволит значительно снизить стоимость производства водородных ТЭ

Высокие затраты на выработку водорода: от $4 до $12 за килограмм в разных странах (бензин-галлоновая эквивалентная стоимость составляет от $1,60 до $4,80)

Отсутствие автомобильной инфраструктуры

Сложность в эксплуатации: у язвимость к ударным нагрузкам и сотрясениям, взрывоопасность, при низких температурах ТЭ требуют внешнего подогрева из-за замерзающей воды

Отсутствие единых стандартов безопасности, хранения, транспортировки, распределения и применения водородных ТЭ

Международные
научные публикации

Международные
патентные заявки

Уровень развития
технологии в России

«Возможности альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на выосоком уровне и способных « на равных » сотрудничать с мировыми лидерами.

МЕТАНОЛЬНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Метанол — высококачественное моторное топливо для ДВС — хорошо зарекомендовал себя и как энергоноситель в ТЭ, используемых в портативной электронике, транспортных приложениях, а также в электромобилях. В ТЭ метанол расщепляется при взаимодействии с атмосферным кислородом (воздухом), в результате этой реакции возникает электрический ток и образуется вода в качестве побочного продукта.

В настоящее время разрабатываются технологии получения метанола из природного газа (минуя синтез-газ) посредством гидрирования из промышленных выбросов углекислого газа (в долгосрочной перспективе его научатся извлекать прямо из окружающего воздуха). Также ведутся разработки по производству биометанола из биомассы (лигноцеллюлозы), что послужит толчком к массовому распространению метанольных ТЭ.

Эффекты

Сокращение выбросов углекислого газа более чем на 70% при расщеплении биометанола в ТЭ

Электромобили нового типа могут проезжать до 800 км на одном заряде батареи с применением метанольных ТЭ

Оценки рынка

40 млн ед.

к 2020 г. составит объем рынка автотранспортных средств, работающих на метанольных ТЭ (благодаря чему на 104 млн т будут сокращены выбросы углекислого газа по сравнению с объемом выбросов от автомобилей на бензиновом ДВС)

Драйверы и барьеры

Экологичность: метанол менее биологически опасен, чем нефтепродукты

Возможность использования существующей транспортной инфраструктуры для заправки транспортного средства

Простота эксплуатации: в частности, метанол не улетучивается при транспортировке

Возможно создание технологии производства биометанола в промышленных масштабах, что увеличит его использование в ТЭ

Высокая себестоимость производства метанола с помощью существующих технологий

Используемые в качестве катализаторов в ТЭ драгоценные металлы (платиноиды) значительно повышают рыночную стоимость установок и вырабатываемой ими энергии

Международные
научные публикации

Международные
патентные заявки

Уровень развития
технологии в России

«Возможности альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на выосоком уровне и способных « на равных » сотрудничать с мировыми лидерами.

ДВИГАТЕЛИ НА ДИМЕТИЛОВОМ ЭФИРЕ

Серьезным конкурентом традиционным видам ископаемого и синтетического топлива и основной альтернативой дизелю может стать диметиловый эфир (ДМЭ). В сравнении с дизельным топливом эфир лучше горит и более экологичен (не содержит серы, в течение суток полностью разлагается в атмосфере на воду и углекислый газ). Это в целом более чистое топливо, некоррозионноактивное, нетоксичное, не вызывает мутаций, в том числе канцерогенного характера.

Сегодня ДМЭ производится из переработанного угля, природного газа, биомассы, бытовых и промышленных отходов. Также разрабатывается синтетическое биотопливо второго поколения (BioDME), которое может быть изготовлено из лигноцеллюлозной биомассы. Преобразовать дизельный двигатель в ДМЭ-двигатель можно без больших затрат, что будет стимулировать массовое распространение технологии.

Эффекты

Значительное сокращение уровня вредных выбросов с отработавшими газами: оксидов азота в 3-4 раза, углеводородных соединений — в 3 раза, угарного газа — в 5 раз, при практически бездымной работе двигателя во всех режимах

Повышение экономичности ДВС (до 5%) и его КПД по сравнению с работой на дизельном топливе

Оптимизация расходов на производство и транспортировку топлива (сократятся в 10 раз относительно показателей сжиженного природного газа)

Легкое преобразование ДМЭ в бензин, характеризующийся высокой стабильностью и повышенным экологическим качеством, минимальным содержанием нежелательных примесей (отсутствие серы, незначительное содержание бензола (0,1% при норме 1%), непредельных углеводородов (

Создание дополнительных рабочих мест в добывающей промышленности благодаря развитию производства диметилового эфира из ископаемого сырья (природный газ, уголь)

Оценки рынка

$9,7 млрд

к 2020 г. достигнет объем глобального рынка ДМЭ (среднегодовые темпы роста 16-19% в 2015-2020 гг.)

Драйверы и барьеры

Ужесточение экологических стандартов

Наличие соответствующей инфраструктуры: применение ДМЭ не требует серьезной конструкционной доработки дизельных двигателей и установки специальных фильтров. Использование ДМЭ на автомобилях с ДВС возможно даже при 30%-м его содержании в топливе без трансформации систем питания и зажигания двигателя.

Масштабная сырьевая база: сырьем для производства ДМЭ является природный газ, доказанные запасы которого в России по состоянию на 2015 г. остаются крупнейшими в мире.

Ряд нерешенных проблем с хранением ДМЭ

Сравнительно высокая рыночная цена ДМЭ относительно других видов топлива

При производстве ДМЭ затрачивается существенно больший объем сырьевого газа, чем для других топливных продуктов с эквивалентной теплотворной способностью

При меньшей в 1,5 раза полноте сгорания по сравнению с дизельным топливом увеличивается расход ДМЭ в 1,5–1,6 раза

ДМЭ является наркотическим галлюциногенным веществом

Международные
научные публикации

Международные
патентные заявки

Уровень развития
технологии в России

«Возможности альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на выосоком уровне и способных « на равных » сотрудничать с мировыми лидерами.

Источник https://1gai.ru/publ/517681-dvigateli-bez-raspredvalov-novaya-tehnologiya-kotoraya-izmenit-avtoindustriyu.html

Источник https://issek.hse.ru/trendletter/news/204517489.html

Источник

Источник




Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *