§ 4. Адіабатні двигуни
Досить перспективним напрямом розвитку двигунів у майбутньому є застосування дизелів з обмеженим відведенням теплоти в охолодне середовище, тобто наближення процесів, що відбуваються в камерах згоряння, до адіабатних — так званих “адіабатних дизелів». Назва обумовлена прагненням конструкторів знизити теплопередачу через стінки і головки циліндрів шляхом застосування матеріалів з низькими коефіцієнтами теплопровідності (кераміка, двоокис цирконію, окис титану). У цьому випадку процеси в циліндрі наближаються до адіабатних, підвищується температура вихлопних газів двигуна, що дозволить більш ефективно використовувати їхню енергію (наприклад, для роботи газової турбіни). Такий двигун може працювати без спеціальної системи охолодження, що дає додатковий приріст енергетичних показників, поліпшення економічності та зменшення маси і габаритів дизеля, хоча в цьому випадку істотно ускладнюється змащення деталей, що працюють при високих температурах. Розробка адіабатних двигунів (17.2) — складна науково-технічна проблема, над рішенням якої в даний час активно працюють дослідники.
У цьому напрямку певних успіхів досягла японська фірма Hino, створивши турбокомпаундний адіабатний дизель з рекуперацією (зворотним одержанням) енергії у силовій турбіні. Головка поршня, верхня частина рубашки охолодження, випускні трубопроводи виготовлені з керамічних матеріалів. Питома витрата палива цього двигуна становить 167 г/(кВт×год), з ефективним ККД приблизно 0,50.
Фірмою Cummins (США) розроблено адіабатний двигун з рекуперацією енергії у силовій турбіні, яка працює на ВГ.
Теоретичні і експериментальні дослідження токсичності адіабатних дизелів показали, що має місце зменшення викидів CO і СmНn та димності відпрацьованих газів, хоча кількість NOx дещо збільшується. Проте, їх можна зменшити до рівня викидів звичайних дизелів зменшенням кута випередження впорскування.
На цей час недоліком адіабатних двигунів є їх малий строк служби, що пов’язано з недосконалістю керамічних матеріалів.
5. Парові двигуни
Парові двигуни широко використовувалися на перших автомобілях, однак через ряд недоліків (великі маса і габарити, складності пуску, велика витрата води) їх повністю замінили поршневі ДВЗ.
Останнім часом інтерес до парових двигунів як альтернативи поршневим ДВЗ відновився. Це обумовлено успіхами котлобудування — розроблено плоскі і однотрубні котли з малою кількістю робочої рідини, що забезпечує зменшення маси і габаритів двигунів, легкий і надійний запуск, а також зменшення небезпеки вибуху котла. Пробіг до дозаправлення водою для сучасних двигунів складає 500 км. Паливна економічність парових двигунів дещо гірша за поршневі бензинові ДВЗ, але крива протікання крутного моменту більш сприятлива. Токсичність ВГ набагато краща за поршневі ДВЗ.
Одним з варіантів є використання парового двигуна як допоміжного при поршневому ДВЗ. У експериментальній стендовій установці BMW Turbosteamer («турбопаровик») парова турбіна, що використовує теплоту відпрацьованих газів та охолодної рідини, є допоміжною для бензинового мотора (4 циліндри, 1,8 л). Силова установка автомобіля, крім ДВЗ з системою випуску, містить у собі пару парогенераторів, два пароперегрівники і дві парові турбіни, з’єднані з колінчастим валом ремінним приводом. Система утилізує тепло ВГ, дозволяючи одночасно знизити на 15% витрату палива та одержати збільшення і потужності (на 10 кВт), і крутного моменту (на 20 Н·м). «Паротурбінна» система досить компактна та уміщується у стандартний кузов BMW третьої серії, але інженери планують зробити її ще менше і простіше. Очікується, що до серійного виробництва комплекс Turbosteamer буде готовим у 2016 році.
Рис.
8. Установка BMW Turbosteamer:
1 — радіатор/низькотемпературний
конденсатор, 2 — насос, 3 — парогенератор,
4 — парогенератор/високотемпературний
конденсатор, 5 — теплообмінник, 6 —
парогенератор/низькотемпературний
теплообмінник, 7 — турбіна низького
тиску, 8 — турбіна високого тиску
Рис.
9. Розподіл температур у випускній
системі установки BMW
Turbosteamer (від
60 до 800 градусів). Зеленим кольором
показана пара.