ДВС или электричество. Какие двигатели будут работать в машинах будущего?

Многие страны Европы и мира декларируют постепенный отказ от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Так, премьер-министр Дании Ларс Лекке Расмуссен в октябре 2018 года заявил, что к 2030 году в стране планируется ввести ограничения на продажу новых автомобилей с бензиновыми или дизельными двигателями. А уже к 2050 году Дания собирается полностью вывести транспорт с ДВС из эксплуатации. Франция, Швеция, Норвегия придерживаются тех же позиций и рассматривают вопрос о поэтапном отказе от привычных сейчас моторов к 2040 году. В Великобритании вообще запланирован отказ от ДВС к 2032 году. На фоне этих громких заявлений прагматики ставят вопрос: а на чем будет ездить человечество? Несмотря на многие преимущества электромотора, пока нет ни одной компании, которая бы получала прибыль от производства электрокаров. Слишком короткие пробеги на одной зарядке, чувствительность к низким температурам и высокая зависимость от сложной инфраструктуры ставят под вопрос их массовую эксплуатацию. Гибридные установки с функцией подзарядки, конечно, могут эксплуатироваться более широко и заменить машины с ДВС, но у владельцев таких транспортных средств рано или поздно встает вопрос: а зачем переплачивать за дополнительный электромотор, если он используется лишь в 5% от времени поездки? На этом фоне очень обнадеживающе звучит признание технического директора Volkswagen AG Маттиаса Рабе: что хоронить ДВС пока рано. Потенциал их усовершенствования еще не исчерпан.

Недостаточное сгорание топлива

Главной причиной, по которой крупные автоконцерны переходят к гибридным установкам, являются экологические требования по выбросам диоксида углерода (CO₂). Еще в 2018 году должен был вступить в силу стандарт, по которому все выпускаемые автомобили не должны в среднем превышать значения выбросов в 95 гр/км. Пока технологический уровень не позволил достигнуть приемлемых результатов, и новый стандарт отложен до 2021 года с перспективой продления моратория до 2025 года. А к 2030 году средние показатели выбросов СО₂ должны снизиться до 66 гр. Достигнуть заявленного значения можно только при периодическом выключении мотора и использовании электродвигателя.

Однако дополнительный мотор — это всегда увеличение веса и снижение динамических характеристик. Кроме того, согласно анализу эксплуатации гибридных машин, их владельцы редко ездят на электричестве. Почти всегда бензиновый мотор находится в работе, а электрический двигатель необходим лишь для сертификации, чтобы на стендах помогать машинам показывать заявленные в экологических стандартах показатели.

По словам Маттиаса Рабе, сейчас есть возможность обеспечить требования по выбросам CO₂ и без довеска в виде дополнительного электродвигателя. Правда, для этого потребуется существенно переработать конструкцию двигателя внутреннего сгорания и разработать новые сорта синтетического топлива. Что это за технологии?

Авиационные технологии

Вредные выбросы появляются в выхлопе в результате неполного сгорания топлива. Сейчас в современных моторах смесь сгорает только на 75%, а ее остатки выбрасываются в систему выпуска и догорают в катализаторе, в результате чего пары газа проходят через сложные преобразования. Чтобы сократить количество вредных веществ, необходимо обеспечить качественное сгорание смеси с увеличением КПД мотора.

Такая технология у немцев уже есть. Называется она Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC), то есть «встречные поршни, встречные цилиндры». Взята она из недавнего прошлого авиации. К примеру, в немецких «Юнкерсах» применялись двигатели со встречными поршнями, которые обеспечивали лучшее заполнение камер сгорания и газоотвод, чем у обычных четырехтактных моторов.

В итоге сгорание топлива улучшается. В четырехтактных двигателях циркуляцию воздуха в цилиндре обеспечивает сам поршень, а в моторе с технологией OPOC — турбонаддув. Для лучшей работы на низких оборотах разогнать турбину помогает внешний электромотор, который в определенных режимах становится генератором и рекуперирует энергию.

При этом мотор OPOC состоит из модулей, из которых можно собирать многоцилиндровые агрегаты, комбинируя блоки и соединяя их электромагнитными муфтами. Для экономии топлива один или несколько модулей можно отключать.

Синтетическое топливо

Помогать мотору будет и новое синтетическое топливо. Еще в 2015 году Volkswagen Group запустила тестовое производство синтетического бензина e-benzin с октановым числом 100, причем в нем нет ни серы, ни бензола, что делает его сгорание менее токсичным. Это топливо может обеспечить более экологичный выхлоп.

Разрабатывается и новая система впрыска. Для образования топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью в состав смеси могут вводиться горячие отработанные газы. Если при прямом впрыске топливо распыляется в виде аэрозоля, то теперь оно превращается в туман мельчайших капелек. Когда поршень сжимает смесь до определенного объема, происходит подрыв. В результате доля сгоревшего топлива вырастает до 95% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля.

В общем, такая конструкция силового агрегата еще позволит жить двигателям внутреннего сгорания. Тем более что предложенная схема уже доказала свою эффективность во время военного использования.

Медный довод: создан уникальный двигатель для электромобилей

В России разработан мотор для электромобилей, обладающий рядом преимуществ перед зарубежными аналогами. Чтобы создать магнитное поле, необходимое для движения колес, в нем применяют обычную медную катушку. Двигатель увеличивает время пробега машины без подзарядки на 15% и исключает внезапную остановку из-за перегрева. При этом цена отечественного мотора в 3–4 раза ниже, чем у зарубежного. Разработчик планирует выпустить собственную линейку беспилотных грузовиков, оборудованных такими двигателями. Подобные машины уже тестируются иностранными компаниями, которые занимаются грузоперевозками.

Железо, медь и математика

Чаще всего в электромобилях используют моторы на постоянных магнитах. Однако такие двигатели имеют ряд существенных недостатков.

В постоянном магнитном поле проводник (рамка, по которой протекает ток) начинает двигаться. Движение передается на колеса машины, и она едет. Но когда проводник смещается в магнитном поле, по законам физики в нем возникает противоположно направленная сила (противо-ЭДС). Она уменьшает силу тока в проводнике, и в итоге автомобиль не может развить скорость более 60 км/ч. Чтобы ее увеличить, нужно уменьшить поле постоянного магнита — это снизит противо-ЭДС. Но чтобы сделать это, нужно потратить электроэнергию. В результате коэффициент полезного действия (КПД) двигателя падает, следовательно, аккумулятор быстрее разряжается.

–– Наш мотор, образно говоря, состоит из железа, меди и математики, –– рассказал технический директор компании «Электротранспортные технологии» Илья Федичев. –– Мы создаем магнитное поле с помощью медной катушки, через которую проходит ток. И поэтому можем спокойно им управлять: увеличивать для большей мощности и уменьшать для скоростного разгона авто без снижения КПД. По нашим расчетам, на российском моторе машина проедет примерно на 15% дольше –– конечно, при условии, что скорость и качество дороги будут такими же, как для авто с зарубежным двигателем.

Магнитные катушки с пропускаемым через них током известны в качестве источников магнитного поля с XIX века. Однако задействовать поле в работе электродвигателя –– очень непросто. Инженеры говорят, что их главное достижение — создание особой конструкции двигателя, которая и позволила обойтись без постоянных магнитов, заменив их на медную катушку — она создает магнитное поле с нужным направлением и интенсивностью.

Перегрев не страшен

Еще один недостаток действующих электромоторов –– размагничивание постоянного магнита из-за нагрева двигателя. Дело в том, что для каждого магнита есть точка Кюри –– температура, при которой он теряет свои свойства. Когда электромобиль внезапно начинает терять скорость, это значит, что магнит просто перегрелся. Он больше не создает поле для движения рамки, и автоматика принудительно уменьшает мощность мотора. Конечно, ситуация, при которой машина долго едет на максимальной скорости, встречается нечасто, однако способствовать перегреву может и жара.

Российский электромотор не имеет постоянного магнита, поэтому внезапное отключение ему не грозит. Также ему не нужны сложные, громоздкие и дорогостоящие системы охлаждения, как машинам на электродвигателях с постоянными магнитами. Инженеры провели эксперимент, нагревая мотор собственной разработки и зарубежные аналоги. Оказалось, что отечественный двигатель сохраняет характеристики при температуре до 150 ºС, в то время как иностранные модели перестают работать уже при 100 ºС.

Тем не менее большинство специалистов в мире всё же отдают предпочтение двигателям с постоянными магнитами, сообщил заведующий кафедрой электротехники и промышленной электротехники МГТУ им. Н.Э. Баумана Александр Красовский.

–– Следует учесть, что применяемая дополнительная «обмотка возбуждения», то есть та самая медная обмотка, потребляет дополнительную электрическую энергию аккумулятора, что несколько снижает КПД созданного двигателя, –– рассказал эксперт. –– Наличие обмотки ведет еще и к некоторому увеличению массы и габаритов двигателя. Зато к преимуществам предложенного российскими учеными аналога относится выгодная цена –– двигатели с постоянными магнитами имеют более сложную конструкцию, поэтому и стоят дороже.

Российский двигатель такой же мощности, как и зарубежный, дешевле не только благодаря простоте конструкции, но и применяемым материалам. Ведь 90% рынка постоянных магнитов занято Китаем, и производители диктуют цену на товар по своему усмотрению. Монополия может привести к внезапному скачку цен на постоянные магниты, а следовательно, и на электромоторы. Да и сегодня произведенный в Китае мотор стоит около 300 тыс. рублей, еще около 100 тыс. рублей уйдет на перевозку и налоги. Стоимость отечественного мотора при серийном производстве составит около 80 тыс. рублей.

Будущее за электромобилями

Электрические машины не наносят вреда экологии, поэтому власти Москвы планируют всячески поощрять их применение. На данный момент все электрокары имеют право на бесплатную парковку в любой точке столицы, сообщалось на конференции Forbes «Как заработать с помощью искусственного интеллекта в России». Также руководители мэрии предложили проекты по удешевлению оформления ОСАГО для электромобилей и предоставлению льгот для проезда по платным трассам. Некоторые компании, имеющие отношение к разработке транспортных средств, увидели и техническое преимущество электромобилей перед машинами на двигателях внутреннего сгорания.

–– Появление таких моторов –– значимое событие для машиностроения, особенно для формируемого рынка беспилотных транспортных средств, –– отметил эксперт в области робототехники и систем автоматизации транспорта Виталий Савельев. — Неприхотливость подобного мотора и высокий ресурс работы без обслуживания дают возможность эксплуатировать технику на его базе более эффективно. Развитие двигателей такого типа позволяет получить высокие тяговые характеристики одновременно с низким энергопотреблением, что увеличивает запас хода электромобиля. В перспективе электромоторы могут использоваться и на водных видах транспорта –– с их помощью можно создать практически бесшумные и энергоэффективные яхты и катера.

Разработчик отечественного двигателя в скором времени планирует выпустить линейку беспилотных грузовиков, которые могут быть востребованы, например, в компаниях, связанных с грузоперевозками, почтовой и курьерской доставкой.

При этом некоторые крупные зарубежные автоконцерны совместно с логистическими компаниями уже тестируют тягачи, рассчитанные на эксплуатацию без водителей.

Через несколько лет электромобили вытеснят с рынка машины с двигателями внутреннего сгорания, предполагают в компании-разработчике. Когда цена на литиевые батареи, используемые в электрокарах, упадет, ездить на них станет гораздо выгоднее. По информации зарубежных экспертов, стоимость батарей в последнее время быстро снижается. Так, в 2016 году цена литиевых аккумуляторов составляла $400–600 на киловатт-час емкости, а год назад — уже $250–300.

Типы двигателей для строительной техники

Последние 10 лет мы являемся свидетелями прогресса, благодаря которому сердца строительных машин — двигатели, вышли на новый уровень эффективности, экологичности, надежности и безопасности.

Про двигатели

Двигатели внутреннего сгорания наиболее широко используются в строительных машинах. В таких моторах происходит сгорание топлива. В результате вырабатывается энергия, которая преобразуется в механическую.

Главная особенность таких двигателей, это их большая мощность и автономность. Поэтому строительные машины широко применяются за пределами населенных пунктов и выполняют трудоемкие работы.

Сами двигатели разделяются на карбюраторные и дизельные. В первом случае в качестве топлива используется бензин, а во втором — солярка.

Дизельные двигатели для строительной техники являются наиболее экономичными, поэтому они чаще всего используются. Однако еще на технике могут быть установлены вторичные двигатели — это асинхронные электромоторы, для работы которых требуется трехфазный переменный ток.

Если возникла необходимость поменять двигатель на техники, тогда нужно учитывать компоновку, крутящий момент, расход топлива, мощность, размеры и другие показатели мотора. Эти характеристики очень важны, даже если учитывать общий принцип функционирования 2-х разных силовых агрегатов.

Если двигатели имеют схожую конструкцию (одинаковое количество цилиндров), то у них может быть разное число клапанов на 1 цилиндр. Поэтому рекомендуется для получения объективной оценки производительности двигателя проводить замеры, используя для этого специальный динамометрический стенд.

Только после положительных результатов можно устанавливать на строительную технику не родной мотор.

Известные производители моторов

В РФ собственное производство двигателей для строительно-дорожной техники налажено на Челябинском тракторном заводе. Другие изготовители тяжелых машин не привязаны конкретно ни к одной компании, выпускающей моторы.

У них имеется возможность выбрать силовую установку любого производителя для своей изготавливаемой техники.

Среди всемирно известных производителей двигателей для строительной техники можно выделить следующие бренды:

1. Cummins, выпускающей дизельные моторы. Предприятие расположено в США. Оно выпускает силовые агрегаты для грузовых транспортных средств и автобусов.
2. Detroit Diesel — американское предприятие, выпускающее дизельные двигатели с 1938 года. Сегодня предприятие было куплено DaimlerChrysle.
3. DEUTZ — немецкий завод, основанный еще в 1864 году. В настоящий момент предприятие имеет филиалы в 130 странах.
4. Komatsu Cummins — центральный офис этого предприятия расположен в Японии. 1993 год является датой основания совместной компании.
5. Yanmar — известный японский производитель современного оборудования. Компания предлагает генераторы, двигатели и другие устройства.

Это только маленькая часть организаций, выпускающих двигатели для строительной техники. Однако среди них выделяется предприятие Yanmar, производящее широкий ряд дизельных моторов.

В ассортименте компании имеется линейка силовых агрегатов, специально созданная для строительных машин — это силовые установки серии 3tnv70.

Они прекрасно подходят для сельскохозяйственной и строительной техники, могут быть установлены на экскаваторы, тракторы погрузчики и так далее.

Трех цилиндровый двигатель Yanmar 3tnv70, работающий на дизеле, выпускается японской корпорацией. Мотор четырехтактный оснащается жидкостной системой охлаждения.

В конструкции агрегата присутствует топливная форсунка ML-типа. Благодаря наличию такого элемента осуществляется точная подача топлива. Она также обеспечивает его экономию и увеличивает производительность мотора.

Экскаваторы

Название данного вида техники переводится, как «откапыватель». С помощью этой машины можно выполнять разные земляные (и не только) работы, так как имеется возможность провести смену рабочего оборудования:

• обратная лопата — рытье траншей и котлованов;
• крановое оборудование — монтаж панельных конструкций или блоков, подача бетонного раствора, укладка трубных изделий;
• прямая лопата — погрузка грунта в грузовое транспортное средство.

Современные экскаваторы являются универсальной техникой. Причем она обладает достойной маневренностью. Это особенно актуально для машин на пневмоколесном ходу.

Еще существует техника, оснащенная гусеницами. Она применяется при тяжелых условиях работы, если на стройплощадке присутствует жидкая грязь или слабая почва.

Современные экскаваторы оснащаются пневматическим и гидравлическим управлением. Это позволяет оператору не уставать к концу рабочего дня.

Двигатель для экскаваторов подбирается в зависимости от эксплуатационных условий. Если техника используется в карьере, тогда лучше всего установить электроагрегат, так как машина мало перемещается.

Когда экскаватор задействован в дорожном строительстве, при возведении строений или в ЖКХ, то в этом случае рекомендуется использовать дизельное устройство. При этом нужно не забывать, что существуют экскаваторы с одним и несколькими моторами.

Вилочные погрузчики

Такая специализированная техника применяется в складских комплексах и крупных магазинах. С ее помощью осуществляется перемещение тяжелых грузов посредством фронтальных вил, которые могут поднимать товар на определенную высоту в зависимости от модели машины.

В основном все вилочные погрузчики — это переднеприводная техника. Однако существуют полноприводные модели. Такая техника способна перемещаться боком.

Вилочные погрузчики оснащаются электрическими, газо-бензиновыми или дизельными двигателями. Поэтому чтобы заменить мотор в технике, нужно сначала точно знать, какой агрегат был установлен.

Хотя при использовании спецтехники на улице, она будет оснащена двигателем внутреннего сгорания. Такие машины имеют хорошую производительность и высокие показатели мощности, но их нельзя использовать внутри небольших объектов или плохо проветриваемых помещениях. Причиной этому служат выхлопные газы.

Газобензиновая техника уступает по мощности дизельным машинам. Однако такие вилочные погрузчики разрешено применять в закрытых помещениях. Тем более можно их эксплуатировать круглосуточно по сравнению с электротехникой. При этом топливо стоит для машин гораздо дешевле бензина или солярки. Погрузчики с двигателем, работающим на газе, даже не нужно подзаряжать в течение смены.

Электропогрузчики способны перемещаться по объекту без подзарядки всего лишь 8 часов. Столько времени обычно длится одна смена. Они не выделяют вредных веществ, тихо работают, имеют более высокую долговечность, требуют меньше затрат при техническом обслуживании.

Ковшовые погрузчики

Данная многофункциональная спецтехника оснащается ковшом. Все колесные погрузчики могут осуществлять разгрузку и погрузку штабелированного, сыпучего или кускового груза. Еще технике под силу осуществить перевозку, например, песка на короткое расстояние.

Современные колесные погрузчики оснащаются усовершенствованной конструкцией осей, модернизированным механизмом, осуществляющим подъем ковша, который может иметь разный объем в зависимости от модели машины.

Выбор двигателя для техники выполняется исходя из условий эксплуатации. Еще учитывается требуемая мощность и обязательно не забывается про крутящий момент, который нужен в каждом рабочем цикле.

Габариты техники тоже играют немаловажную роль, так как объемный двигатель не удастся разместить под капотом колесного погрузчика, характеризующегося малой грузоподъемностью.

В некоторых моделях устанавливаются моторы, позволяющие выбирать режим мощности. Такая особенность способствует сокращению расхода топлива.

Промышленный гусеничный трактор

Строительная техника данного типа — это машина, оснащенная дополнительным оборудованием (ковш, погрузчик и так далее). В результате из нее можно создать экскаватор, бульдозер и другую технику.

Промышленный гусеничный трактор можно использовать для создания машины под конкретные цели. При этом она будет двигаться довольно медленно. Скорость машины не превысит 30 км/ч. Однако техника обладает высокой проходимостью, потому что оснащена гусеницами.

Двигатель для гусеничного трактора подбирается с учетом условий эксплуатации и задач, которые поставлены перед техникой. Исходя из этого, выбирается мощность мотора, а также учитываются его габариты.

Источник http://aif.ru/auto/about/dvs_ili_elektrichestvo_kakie_dvigateli_budut_rabotat_v_mashinah_budushchego
Источник Источник http://iz.ru/879303/olga-kolentcova/mednyi-dovod-sozdan-unikalnyi-dvigatel-dlia-elektromobilei
Источник http://autotopik.ru/vse-pro-avtomobili/1448-tipy-dvigatelej-dlja-stroitelnoj-tehniki.html