Методы повышения энергоэффективности форсированных быстроходных дизелей транспортного назначения. Часть 1

Введение (постановка задачи и актуальность). Современный дизель является одним из самых совершенных тепловых двигателей, и потенциал повышения его энергоэффективности далеко не исчерпан. Однако ужесточающиеся экологические и экономические требования, предъявляемые к транспортным силовым установкам, вынуждают разработчиков изыскивать новые и совершенствовать традиционные направления улучшения эффективных показателей. В первую очередь рассматривается возможность совершенствования рабочего процесса двигателя, топливоподачи и воздухоснабжения, снижения механических потерь, а также внедрение электрификации и утилизация теплоты отработавших газов. Актуальность исследования обусловлена важностью сохранения в ближайшие годы конкурентоспособности современного дизеля в условиях бурного развития альтернативных силовых установок, сокращающихся разведанных запасов нефти и непрерывно возрастающей озабоченности общества вопросами охраны окружающей среды.

Цель исследования – анализ и классификация основных методов повышения энергоэффективности современных быстроходных транспортных дизелей.

Методология и методы. В работе применён аналитический метод исследования на основе опубликованных в открытой печати материалов.

Результаты и научная новизна. В систематизированном виде представлены ключевые направления повышения энергоэффективности форсированных дизелей транспортного назначения. Приведена оценка потенциального влияния отдельных методов на удельные эффективные показатели дизелей. Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы при доводке существующих и проектировании перспективных высокоэффективных быстроходных дизелей.

1. Mollenhauer K., Tschöke H. Handbook of diesel engines. – Berlin: Springer-Verlag, 2010. – 636 p. DOI: 10.1007/978-3-540-89083-6.

2. Thiruvengadam A., Besch M., Delgado O. Heavyduty vehicle diesel engine efficiency evaluation and energy audit: final report. – West Virginia University Center for Alternative Fuels, 2014. – 66 p.

3. Reducing fuel consumption and greenhouse gas emissions of medium- and heavy-duty vehicles: final report. – Washington, DC: The National Academies Press, 2020. – 398 p. DOI: 10.17226/25542.

4. Ханнанов М.Д., Алимгулов Э.Р., Фардеев Л.И., Куликов А.С. Двигатель внутреннего сгорания в будущем: актуальные задачи по развитию // Труды НАМИ. – 2022. – № 1 (288). – С. 82–90. DOI: 10.51187/0135-3152-2022-1-82-90. EDN: QYBSTD.

5. Delgado O., Lutsey N. Expediting the development of advanced heavy-duty vehicle technologies: white paper. – The International Council on Clean Transportation, 2014. – 36 p.

6. Duleep G. Forecast of medium- and heavyduty vehicle attributes to 2030. – California Energy Commission, 2017. – 151 p.

7. Mattarelli E., Cantore G., Rinaldini C.A. Advances in the design of two-stroke, high speed, compression ignition engines. Advances in internal combustion engines and fuel technologies. – London: InTech Press, 2013. – 320 p. DOI: 10.5772/54204.

8. Benajes J., Novella R., de Lima D. Analysis of the combustion process, pollutant emissions and efficiency of an innovative 2-stroke HSDI engine designed for automotive applications // Applied Thermal Engineering. – 2013. – V. 58. – P. 181–193. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2013.03.050.

9. Naresh P., Hari Babu A.V. Concept of six-stroke engine // Journal of Advancement in Engineering and Technology. – 2015. – V. 3. – Iss. 4. DOI: 10.15297/JAET.V3I4.04.

10. Williams D., Koci C., Fiveland S. Compression ignition 6-stroke cycle investigations // SAE International Journal of Engines. – 2014. – V. 7 (2). – P. 656–672. DOI: 10.4271/2014-01-1246.

11. Owen N. CryoPower – a long haul truck engine with near zero emissions and high efficiency / Future Powertrain Conference. – Solihull, UK: 2019.

12. Morgan R.E., Jackson N., Atkins A. The recuperated split cycle – experimental combustion data from a single cylinder test rig // SAE International Journal of Engines. – 2017. – V. 10 (5). – P. 2596–2605. DOI: 10.4271/2017-24-0169.

13. Reitz R.D., Lee S., Gonzalez M.A. Stoichiometric combustion in a HSDI diesel engine to allow use of a three-way exhaust catalyst // SAE Journal of Fuels and Lubricants. – 2006. – V. 115 (4). – P. 354–365. DOI: 10.4271/2006-01-1148.

14. Kidoguchi Y., Sanda Y., Miwa K. Experimental and theoretical optimization of combustion chamber and fuel distribution for the low emission direct-injection diesel engine // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2013. – V. 125 (1). – P. 351–357. DOI: 10.1115/1.1501077.

15. Zhang Z., Kang Z., Jiang L. Effect of direct water injection during compression stroke on thermal efficiency optimization of Common Rail diesel engine // Energy Procedia. – 2017. – V. 142. – P. 1251–1258. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.12.514.

16. Shah S.R., Maiboom A., Tauzia X., Hétet J.¬F. Experimental study of inlet manifold water injection on a Common Rail HSDI automobile diesel engine with respect to PM and NOx emissions and specific fuel consumption // SAE Technical Paper. – 2009. – No. 2009-01-1439. – 16 p. DOI: 10.4271/2009-01-1439.

17. Maurya R.K. Characteristics and control of low temperature combustion engines. – Cham, Switzerland: Springer International Publishing, 2018. – 544 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-68508-3.

18. Mofijur M., Hasan M.M., Ashrafur Rahman S.M. Performance and emission parameters of Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engine: a review // Energies. – 2019. – V. 12. – P. 1–21. DOI: 10.3390/en12183557.

19. Inagaki K., Fuyuto T., Nishikawa K. Combustion System with premixture-controlled compression ignition – research report // R&D Review of Toyota CRDL. – 2006. – V. 41 (3). – P. 35–46.

20. Reitz R.D., Duraisamy G. Review of high effi-ciency and clean Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) combustion in internal combustion engines // Progress in Energy and Combustion Science. – 2015. – V. 46. – P. 12–71. DOI: 10.1016/j.pecs.2014.05.003.

21. Srivastava D.K., Agarwal A.K., Maurya R.K. Advances in internal combustion engine research. – Singapore: Springer Nature, 2018. – 345 p. DOI: 10.1007/978-981-10-7575-9.

22. Karim G.A. Dual-fuel diesel engines. – Boca Raton, FL: CRC Press, 2015. – 288 p. DOI: 10.1201/b18163. EDN: CZVWZV.

23. Kovacs D., Eilts P. Potentials of Miller cycle on HD diesel engines using a 2-stage turbocharging system // SAE Technical Paper. – 2018. – No. 2018-01-0383. – 16 p. DOI: 10.4271/2018-01-0383.

24. Гумеров И.Ф., Фардеев Л.И., Андриянов С.М., Козлов А.В., Матвеев А.А., Милов К.В. Термодинамический анализ двигателя с воспламенением от сжатия по управляемому циклу Миллера // Труды НАМИ. – 2022. – № 3 (290). – С. 27–35. DOI: 10.51187/0135-3152-2022-3-27-35. EDN: KTKCGW.

25. Payri F., Lopez J.J., Pla B., Graciano D. Assessing the Limits of downsizing in diesel engines // SAE Technical Paper. – 2014. – No. 2014-32-0128. – 11 p. DOI: 10.4271/2014-32-0128.

26. Narayanan A.P. Downspeeding the diesel engine – a performance analysis. – Göteborg, Sweden: Chalmers University of Technology Press, 2011. – 51 p.

27. Hellström E., Ivarsson M., Aslund J., Nielsen L. Look-ahead control for heavy trucks to minimize trip time and fuel consumption // Control Engineering Practice. – 2019. – V. 17 (2). – P. 245–254. DOI: 10.1016/j conengprac.2008.07.005. EDN: XXVOAY.

28. Патрахальцев Н.Н., Савастенко А.А, Петруня И.А., Аношина Т.С. Система регулирования дизеля изменением его рабочего объёма // Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. – 2014. – № 4. – С. 65–71. EDN: TCRVWN.

29. Shaver G.M., Allen C.M. Utilizing low airflow strategies, including cylinder deactivation, to improve fuel efficiency and aftertreatment thermal management // International Journal of Engine Research. – 2017. – V. 18 (10). – P. 1005–1016. DOI: https://doi.org/10.1177/1468087417695897.

30. Joshi M.C., Gosala D.B., Allen C.M. Reducing diesel engine drive cycle fuel consumption through use of cylinder deactivation to maintain aftertreatment component temperature during idle and low load operating conditions // Frontiers in Mechanical Engineering. – 2017. – V. 3. – P. 1–15. DOI: 10.3389/fmech.2017.00008.

31. Онищенко Д.О., Панкратов С.А., Смирнов А.Ю. Влияние частичной теплоизоляции камеры сгорания дизеля на теплоотдачу в систему охлаждения // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. – 2016. – № 3. – С. 81–89. DOI: 10.18698/ 0236-3941-2016-3-81-89. EDN: WBKDNZ.

32. Thibblin A. Thermal barrier coatings for diesel engines. – Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2017. – 57 p.

33. Serrano J., Arnau F., Martín J., Hernandez M., Lombard B. Analysis of engine walls thermal insulation: performance and emissions // SAE Technical Paper. – 2015. – No. 2015-01-1660. – 14 p. DOI: 10.4271/2015-01-1660.

34. Jones J. Heat losses in conventional and insulated exhaust ports. – Lund, Sweden: 2015. – 61 p.