Be variklio automobilis būtų beprasmis ir niekam nereikalingas daiktas. Būtent variklis yra elementas, kuris užtikrina pagrindinę automobilio savybę - važiuoti. Pasakymas, kad variklis yra automobilio širdis, nėra tik vaizdinga metafora. Automobilio variklis - kaip žmogaus kūne širdis, jis ne tik atsakingas už tai, kad transporto priemonė judėtų, bet ir palaiko kitų sistemų funkcionavimą.
„Net ir variklių bandymų metu yra daroma kardiograma. Moksliniuose tyrimuose yra matuojamas slėgis cilindre, kaip jis kinta per ciklą, ir iš tos diagramos, kaip ir širdies kardiogramos, galima nustatyti variklio būklę ir apskaičiuoti jo galingumą, nebandant jo ant specialaus stendo. Todėl asociacijų su žmogaus širdimi tikrai galime surasti“, - pasakoja A.
Vidaus degimo variklių naudingumo koeficientas
Naudingumo koeficientas - naudingo ir viso darbo (ar sunaudotos šilumos) santykis. Naudingumo koeficientas negali viršyti 1, nes būtų pažeidžiamas energijos tvermės dėsnis. Kai kurių prietaisų naudingumo koeficientai artimi 1 (pvz., transformatoriaus). Ypač mažus naudingumo koeficientus turi šiluminiai varikliai.
„Šiluminis efektyvumas“ yra problema, apie kurią visada kalbama kuro transporto priemonėse. Jei norite didelio našumo, jums reikia didelio efektyvumo, o jei norite mažų degalų sąnaudų, jums reikia ir didelio efektyvumo. Aukščiausias masinės gamybos variklių standartas neviršija 45 proc. Šiuo metu BYD 1,5 l NA Atkinsono ciklas turi aukščiausią standartą - 43,02%. Daugumos variklių standartai yra apie 35%.
Vidaus degimo variklių šiluminis naudingumo koeficientas negali būti didelis, o tai labai bejėgis faktas; laboratorijoje vis dar gulinčių itin didelio šiluminio efektyvumo variklių yra kiek daugiau nei 50 proc., o juose naudojamos medžiagos yra „keraminės kompozitinės medžiagos“. Ir net šio keraminio variklio šiluminis efektyvumas siekia tik apie 50%.
Kas riboja vidaus degimo variklių šiluminį efektyvumą? Įleidimo ir išmetimo nuostoliai, susidėvėjimo nuostoliai, aušinimo nuostoliai ir degimo pakankamumo nuostoliai, labiausiai perdėti šie nuostoliai yra "aušinimo nuostoliai"; vadinamieji vidaus degimo varikliai arba išorinio degimo varikliai yra „šilumos varikliai“, kurie priklauso nuo šilumos energijos, gaunamos deginant kurą. Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad šilumos energija bus perduodama iš aukštos temperatūros objektų į žemos temperatūros objektus. Degalų degimo liepsnos temperatūra yra labai aukšta. Benzinas gali siekti 1200 laipsnių, o dyzelinas - 1800 laipsnių. Matyti, kaip perdėta generuojama šilumos energija; ir variklio korpuso temperatūra Ji yra daug žemesnė už liepsnos temperatūrą, tačiau variklio medžiaga taip pat turi ribą. Jei jis viršys slenkstį, jis ištirps.
Aušinimo sistema yra padalinta į dvi dalis. Vienas iš jų yra išorinis elektroninis ventiliatorius ir oro srautas, kuris sugeria kūno šilumos energiją iš išorės, kad jį atvėsintų. Kitas - vidinis antifrizo aušinimo skystis, kuris sugeria degimo metu susidarančią šilumos energiją ir ją atvėsina iš vidaus. Taigi, jei norite pagerinti variklio šiluminį efektyvumą, svarbiausia yra sumažinti aušinimo nuostolius. Būdas jį sumažinti - padidinti variklio medžiagos atsparumo karščiui ribą. Šiuo metu atrodo, kad kokybiškų medžiagų, kurias galima pasirinkti, yra itin mažai. Dėl to vidaus degimo variklis pateko į begalinį ciklą. Didelio efektyvumo vidaus degimo variklių gamybos savikaina yra itin didelė, o populiarinimo galimybės nėra.
Nerealu tikėtis pagerinti vidaus degimo variklių šiluminį efektyvumą, nebent įvyks medžiagų mokslo proveržis, bet proveržio nebus. Todėl galime naudoti tik kitas technologijas, kad sukurtume didelio efektyvumo variklius iš esamų medžiagų.
Elektros variklių privalumai
Elektros srovė, įvedama į variklio apviją per maitinimo akumuliatorių, sudaro elektromagnetinį lauką, kuris gali varyti rotorių, „abipusiai atstumdamas“ nuolatinio magneto magnetinius polius arba kito ritinių rinkinio magnetinius polius; konstrukcija gali būti labai paprasta, tačiau esminis dalykas yra mechaninės energijos konvertavimo principas. Magnetinis laukas vietoj šiluminės energijos, išspręsta aušinimo nuostolių problema.
Todėl variklio „šiluminio efektyvumo“ riba gali būti labai perdėta, o itin aukšto standarto nuolatinio magneto sinchroninis variklis gali siekti 97,5%! Tai aukštis, kurio negali pasiekti vidaus degimo varikliai. Asinchroniniai kintamosios srovės varikliai turi mažus nuostolius didelio greičio diapazone.
Didelio efektyvumo, didelio našumo ir mažai energijos suvartojantys varikliai gali būti pagaminti naudojant įprastas medžiagas. Atrodo, kad nebėra pagrindo vargti studijuojant vidaus degimo variklius; tai, ką dabar reikia sulaužyti, yra maitinimo baterijų gamybos sąnaudos.
Benzininių ir dyzelinių variklių palyginimas
Kitas šuolis įvyko tuomet, kai buvo pristatyti „Common-Rail“ aukšto slėgio degalų įpurškimo sistemą turintys dyzeliniai varikliai. Tai įvyko maždaug 2000-aisiais. Kalbant apie benzininius variklius, esminis šuolis įvyko, kai buvo pristatytos tiesioginio degalų įpurškimo sistemos. Tada atsirado vadinamasis sluoksniuotasis mišinys, kuris dega net ir tuomet, kai yra labai liesas, o tai reiškia ir geresnę ekonomiją. Šiuo šuoliu buvo pastebimai padidintas benzininių variklių naudingumo koeficientas.
Paprastai šiuolaikinių dyzelinių variklių naudingumo koeficientas siekia iki 40-45 proc., kai kurių lėtaeigių didelių dyzelinių variklių viršija 50 proc. (pavyzdžiui, MAN S80ME-C7 sunaudoja tik 155 g/kWh, pasiekdamas 54,4 proc. efektyvumą).
Dyzelinis variklis negali išvystyti aukštų apsukų - dėl priešuždegiminės fazės laikotarpio kuras nespėja sudegti cilindruose. Dideli mechaniniai įtempimai dyzeliniuose varikliuose reikalauja masyvesnių ir brangesnių detalių panaudojimo, o tai apsunkina variklį. Tai mažina santykinį variklio galingumą, ir dėl šios priežasties dyzeliniai varikliai nepaplito aviacijoje.
Į dyzelinio variklio cilindrą įpurškiamo kuro degimas vyksta palaipsniui, todėl dyzeliniai varikliai sukuria aukštesnį sukimo momentą, esant žemesnėms apsukoms, o tai sąlygoja didesnį automobilio su dyzeliniu varikliu „paklusnumą“ judant, nei automobilio su benzininiu varikliu. Dėl šios priežasties bei dėl didesnio ekonomiškumo šiuo metu daugelyje sunkvežimių montuojami dyzeliniai varikliai.
Lyginant su benzininiais varikliais, paprastai dyzelinio variklio išmetamosiose dujose yra mažesnis anglies oksido (CO) kiekis, tačiau šiuo metu naudojami katalizatoriai, montuojami benzininiuose varikliuose, gerokai sumažina šį skirtumą. Kitas svarbus aspektas, susijęs su saugumu, - tai žemas dyzelinio kuro garavimo lygis, o tai reiškia, kad mažėja dyzelinio variklio užsidegimo tikimybė, juo labiau kad juose nenaudojama degimo sistema.
Žinoma, yra ir trūkumų, tarp jų - būdingas dyzelinio variklio kalenimas darbo metu. Aiškiais dyzelinių variklių trūkumais galime laikyti: galingų starterių naudojimo būtinybę, vasarinių dyzelinių degalų sustingimą (parafino išsiskyrimą) esant žemoms temperatūroms, preciziškos kuro aparatūros sudėtingumą ir didesnes šios aparatūros remonto išlaidas. Taip pat dyzeliniai varikliai yra jautresni kuro užterštumui kietosiomis dalelėmis ir vandeniu. Paprastai dyzelinių variklių remontas yra gerokai brangesnis nei tos pačios klasės benzininių variklių.
Dyzelinių variklių tūrinis galingumas taip pat paprastai nusileidžia benzininių variklių galingumui, nors dyzeliai pasižymi tolygesniu ir aukštesniu sukimo momentu. Ekologiniai dyzelinių variklių rodikliai iki pastarojo meto gerokai nusileisdavo benzininių variklių rodikliams. Klasikiniuose dyzeliniuose varikliuose, turinčiuose mechaninį įpurškimo valdymą, yra įmanoma montuoti tik oksiduojančius išmetamųjų dujų neutralizatorius, veikiančius aukštesnėje nei 300 °C išmetamųjų dujų temperatūroje, kurie oksiduoja tik CO bei CH ir paverčia juos nekenksmingu žmogui anglies dioksidu (CO2) ir vandeniu. Be to, anksčiau tokie neutralizatoriai sugesdavo dėl jų užteršimo sieros junginiais (sieros junginių kiekis išmetamosiose dujose tiesiogiai priklauso nuo sieros kiekio dyzeliniuose degaluose) bei suodžių dalelių nuosėdų katalizatoriaus paviršiuje.
Situacija pradėjo keistis atsiradus vadinamajai „Common-Rail“ dyzelių sistemai. Šiose sistemose kuras įpurškiamas elektronikos valdomais purkštukais. Elektroninį purkštukų valdymo signalą siunčia valdymo blokas, gaunantis signalus iš daugybės daviklių. Davikliai tikrina įvairius variklio darbo parametrus, turinčius įtakos kuro įpurškimo impulso trukmei bei įpurškimo momentui. Taigi, pagal sudėtingumą šiuolaikinis ekologiškas dyzelinis variklis niekuo nenusileidžia savo benzininiam broliui, o pagal daugybę parametrų (pvz., sudėtingumo) smarkiai jį lenkia. Pavyzdžiui, kuro slėgis įprastuose dyzeliniuose purkštukuose, turinčiuose mechaninį įpurškimą, sudaro nuo 100 iki 400 barų (apytikriai atitinka „atmosferas“), o naujausiose „Common-Rail“ sistemose šis slėgis svyruoja nuo 1000 iki 2500 barų ir tai kelia nemažai problemų.
Šiuolaikinių transporto priemonių su dyzeliniais varikliais katalizatorių sistema taip pat kur kas sudėtingesnė nei benzininių variklių, nes katalizatorius turi veikti esant nestabiliai išmetamųjų dujų sudėčiai, o kartais yra reikalingas vadinamasis suodžių filtras (DPF - kietųjų dalelių filtras). Suodžių filtras - tai panaši į įprastą katalizatorių konstrukcija, montuojama tarp dyzelinio variklio išmetimo kolektoriaus ir katalizatoriaus. Suodžių filtre sukuriama aukšta temperatūra, kuriai esant suodžių dalelės oksiduojamos liekamuoju deguonies kiekiu, esančiu išmetamosiose dujose. Tačiau dalis suodžių ne visuomet oksiduojama ir lieka suodžių filtre, todėl valdymo bloko programa periodiškai perjungia variklį į suodžių filtro valymo režimą, vadinamą „post injection“, t. y. papildomos kuro dozės įpurškimas į cilindrus degimo fazės pabaigoje tam, kad būtų pakelta išmetamųjų dujų temperatūra ir išvalytas filtras, išdeginant susikaupusius suodžius.
Variklių konstrukcijos ir efektyvumo tobulinimas
Bet kuris variklis turi vidinių mechaninių nuostolių, todėl kuo variklis mažesnis, tuo mažesni ir nuostoliai. Tad, jei pačiame cilindre yra patalpinama daugiau energijos, o mažesnis cilindras atlieka tokį patį darbą, kaip ir didesnis, dėl mažesnių mechaninių nuostolių mažesnio litražo varikliai ir yra ekonomiškesni.
Kad gamintojai stengiasi mažinti variklių darbinį tūrį, pastebi ir V. Kabelis. Jis teigia, kad, pavyzdžiui, šiuolaikinis turbobenzininis mažalitražis variklis pasiekia neką mažesnį galingumą nei senesnis šešių cilindrų variklis. „Tai labai atsiliepia variklio resursui, nes variklio detalės yra kur kas labiau apkraunamos, cilindruose susidaro didesnis slėgis, dėl to keliami kitokie reikalavimai medžiagoms. Taip yra todėl, kad cilindrų apdirbimo paviršius, stūmokliai ir alkūniniai velenai gaminami naudojant tobulesnes technologijas, yra jonizuojami ir padengiami specialiomis medžiagomis. Dažniausiai mažo darbinio tūrio varikliams gamintojai net nėra numatę atsarginių detalių, nes variklio blokas kartu su stūmokliais, žiedais ir alkūniniu velenu yra viena detalė. Visgi, jei atsargines detales gauti pavyktų, vis tiek susiduriama su problema, kad gamintojas nėra pateikęs variklio išardymo ir surinkimo technologijos.“
Variklių kūrėjai ir inžinieriai yra sukūrę gausybę įvairių variklių, kurie skiriasi, pradedant cilindrų skaičiumi, baigiant jų išdėstymu. „Jeigu žiūrėtume grynai iš mechaninės pusės, pagal atsirandančias jėgas ir inercijas, kaip jas reikia atsverti, pati pranašiausia konstrukcija yra šešių cilindrų, išdėstytų eile, variklis. O keturių cilindrų variklis nėra savaime atsveriantis. V formos variklio privalumas - jo dydis. Tokį variklį lengviau sumontuoti į automobilį dėl jo ilgio, mažesnio svorio. Yra net ir toks skaičiavimas - kiek sveria vienas kilovatas. Todėl sutrumpinus variklį, trumpėja velenas, sutaupoma masės. O kalbant apie techninį pranašumą, jo praktiškai nėra.“
„Manyčiau, kad geriausi yra šešių cilindrų varikliai, nesvarbu, cilindrai išdėstyti eile ar V forma. Tai geriausiai subalansuoti varikliai, jiems nereikia papildomo balansavimo.“
„Variklio komponuotė dažniausiai priklauso nuo to, kaip ir į kokį automobilį jis bus montuojamas, pavyzdžiui, skersai ar išilgai, priekyje ar gale ir pan.“
„Aš manau, kad kuo daugiau cilindrų - tuo variklis patikimesnis. Nors yra daugiau detalių, pavyzdžiui, žvakių ar stūmoklių, bet gedimo tikimybė yra gerokai mažesnė. Daugiau cilindrų turintis variklis yra tiesiog natūraliai mažiau apkraunamas ir gali dirbti lengvesniu režimu.“
„Variklius sukūrę mokslininkai yra apskaičiavę, koks galėtų būti maksimalus naudingumo koeficientas. Šiandien tos reikšmės dar tikrai nepasiektos. Pavyzdžiui, paimkime labai gerą dyzelinį variklį, kurio naudingumo koeficientas yra 0,45. Dalį naudingumo koeficiento, 10 proc., galima priskirti mechaniniams nuostoliams. Praktiškai tiek pat, kiek energijos panaudojama, tokia pati dalis pašalinama į aplinką per aušinimo ir išmetimo sistemas. Todėl, lyginant su teoriniu idealiu skaičiavimu, rezervo dar tikrai yra.“
Pašnekovas teigia, kad, bent jau šiuo atžvilgiu, vidaus degimo varikliai tobulėja labai lėtai ir, palyginus su vis labiau populiarėjančiais elektros varikliais, jų naudingumo koeficientas nepalyginamai mažesnis.
„Žmonės mėgsta tradicijas ir tikrai bus tokių, kurie naudos vidaus degimo variklius ir toliau. Pavyzdžiui, yra technologija, kai vietoje to, kad šiukšlės deginamos, pirolizės būdu iš jų galima išgauti angliavandenilių ir juos sintetinti. Taip pat degalus galima gaminti tiesiog iš nemaistinių atliekų. Tam netgi būtų galima pasitelkti saulės energiją, iš jos būtų gaminama elektra, ji būtų naudojama vandenilio gamybai, o vandeniliu būtų įsodrinami sintetiniai degalai. Visgi manau, kad viena vystoma rūšis nėra gerai. Turi būti vystomos kelios konkuruojančios rūšys. Tai yra postūmis tobulėti. Ta technologija, kuri bus geresnė, ją vartotojai ir pasirinks, tačiau progresas tikrai neturėtų sustoti.“
Vidaus degimo variklių nenurašo ir V. Kabelis. „Mano manymu, vidaus degimo variklių tikrai turėsime dar pusamžį. Pavyzdžiui, pažvelkite į miestą. Trūksta stovėjimo vietų apskritai, tad ką bekalbėti apie elektromobilių įkrovimo vietas. Žinoma, klausimas, kokiais degalais važiuosime ateityje. Aš manau, kad bus plėtojamas įvairių degalų mišinių kūrimas ir naudojimas. Galbūt bus didesnis alternatyvių degalų pasirinkimas, o senieji varikliai galės būti pritaikomi naujoms degalų rūšims.“
tags: #automobiliu #naudingumo #koeficientai