Освещены проблемные вопросы с энергоносителем для двигателей транспортных средств. Производство поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является одним из важнейших направлений машиностроения, оказывающим значительное влияние на решение экономических, социальных, оборонных, экологических и научно-технических проблем России. Характеристики ДВС во многом определяют энергетические, экономические, массогабаритные, экологические показатели объектов их применения. Сегодня основным направлением развития бензиновых ДВС в мире является снижение расхода топлива, выбросов двуокиси углерода (СО₂) и других вредных компонентов отработавших газов (ОГ). В краткосрочной и среднесрочной перспективе оно будет реализовываться через повышение доли выпуска двигателей с турбонаддувом и сопровождаться ростом литровой мощности и понижением размерности ДВС. Анализ технического уровня современных двигателей, изучение результатов НИОКР мировых лидеров автомобильного моторостроения и маркетинговые исследования позволили сформулировать ключевые требования к двигателям: конфигурация V8 - V12 в гибридном исполнении с высоковольтной электромашиной; непосредственный впрыск топлива с центральным расположением форсунки; рабочий объём цилиндра -540-560 см³; среднее эффективное давление - 24-26 бар; удельная мощность - 90-100 кВт/л; удельный крутящий момент - 180-200 Н-м/л; уровень экологической безопасности - Евро-6d; минимальный удельный эффективный расход топлива - 240-250 г/кВт-ч. Приведён перечень компонентов отечественного производства, необходимых для создания двигателей нового поколения.

В настоящее время обсуждается целесообразность реализации шеститактного цикла в современных двигателях наземного и водного транспорта. Представлена история создания и развития двигателей с шеститактным рабочим процессом. Проведён анализ выполненных исследований. Отмечено, что проблема виброактивности шеститактных двигателей не изучена. В связи с чем и предпринято данное исследование, которое надо рассматривать как первичную постановку проблемы. Задача о порядках работы решалась по методике применительно к наиболее распространённым практически во всех видах транспорта четырёхцилиндровым рядным и шестицилиндровым, восьмицилиндровым, десятицилиндровым, двенадцатицилиндровым V-образным двигателям, работающим по четырёх- и шеститактному циклам. Для шеститактных двигателей использовалась оцифрованная индикаторная диаграмма. Первоначально предполагалось, что двигатели имеют традиционные четырёхкривошипный плоский и трёхкривошипный пространственные коленчатые валы. Высказано предположение, что изменение схемы заклинки кривошипов вала может способствовать улучшению равномерности крутящего момента. В связи с этим предпринята попытка расчёта суммарного крутящего момента четырёхцилиндрового двигателя с крестообразным коленчатым валом, применение которого известно в двухтактных двигателях. При этом в двигателе становятся неуравновешенными моменты сил инерции первого порядка, которые устраняются при помощи установки уравновешивающего механизма. В результате проведённого исследования показано, что реализация шеститактного рабочего цикла при дополнительном впрыске воды в цилиндр приводит к некоторому ухудшению равномерности чередования рабочих ходов и равномерности крутящего момента. Применение особых схем коленчатых валов может способствовать некоторому улучшению этих показателей.

Выполнение современных экологических стандартов практически невозможно без применения системы нейтрализации, причём ужесточение экологических требований и рост топливной экономичности дизеля требуют повышения эффективности антитоксичных систем. Современная дизельная система нейтрализации отработавших газов (СНОГ) является весьма сложным, многофункциональным и дорогостоящим агрегатом автотранспортного средства, а его разработка требует компетенций широкого спектра - от достаточно детальной инженерии дизеля до здравой оценки возможностей различных технологий обезвреживания вредных выбросов отработавших газов (ОГ). Рассмотрены особенности процессов нейтрализации токсичных компонентов в современных СНОГ дизелей. Показано, что необходимые для выполнения современных экологических требований уровни очистки основных токсичных компонентов дизеля - оксидов азота и дисперсных частиц -достигаются методами гетерогенного катализа и фильтрации. Наиболее сложную проблему представляет нейтрализация оксидов азота, что обусловлено высоким исходным содержанием оксидов азота в продуктах сгорания современных дизелей, существенно превышающих требования Евро-5 и Евро-6. Наиболее надёжным и эффективным методом нейтрализации оксидов азота является их селективное каталитическое восстановление аммиаком, генерируемым разложением карбамида (мочевины). Отмечена особая роль окислительного нейтрализатора в структуре дизельной СНОГ, рассмотрены процессы регенерации сажевых фильтров, показана необходимость объёмного усреднения концентрации аммиака перед подачей ОГ на катализатор и изложены принципы построения систем контроля и управления дизельными СНОГ. Показана необходимость в современном моделировании и предложены подходы для реализации структурных субмоделей для анализа процессов обезвреживания токсичных выбросов дизелей.

Проблема развития автомобилей с электроприводом на современном этапе в России стала одной из главных, так как повышение энергетических характеристик и снижение выбросов вредных веществ может быть решена массовым переходом на транспортные средства, использующие комбинированные силовые установки. Важность данного направления обусловлена также необходимостью выполнения требований Директивы ЕС № 443, которая устанавливает нормативные значения по снижению выбросов СО₂ для легковых автомобилей. Накопленный опыт по эксплуатации автомобилей с электроприводом позволяет утверждать, что одним из основных путей совершенствования комбинированных силовых установок является правильный выбор параметров силовой установки и алгоритма её работы. В литературных источниках нет общепризнанной методики расчёта параметров комбинированной силовой установки для автомобиля, нет единого подхода по данному вопросу и теоретических обоснований выбора параметров её электромеханических устройств. Всё это в значительной мере сдерживает разработку образцов отечественной техники, затрудняет взаимопонимание специалистов. В этой связи в статье рассмотрена методика расчёта зарядного баланса комбинированной силовой установки автомобиля, выбора мощности и энергии тяговой батареи, определения КПД комбинированной силовой установки. Расчёт энергетического баланса выполнен с определением количества энергии, затраченной силовой установкой на движение автомобиля по отдельным этапам городского цикла движения и на накопление энергии на аккумуляторной тяговой батарее от двигателя внутреннего сгорания, а также энергии рекуперации при торможении. Рассмотрены критерии выбора алгоритма работы комбинированной силовой установки автомобиля и параметры, определяющие зарядный баланс тяговой аккумуляторной батареи с точки зрения повышения энергоэффективности работы комбинированной силовой установки. Расчётным путём получена зависимость КПД комбинированной силовой установки от её зарядного баланса. Проведены анализ вводимых изменений по моделям японских автомобилей с комбинированными силовыми установками в отношении устанавливаемых на них тяговых аккумуляторных батарей и сопоставление статистических данных с расчётными.

Разработаны способ получения наночастиц мультиграфена, представляющего собой частицы, состоящие из нескольких слоев графена с высоким значением коэффициента теплопроводности, и метод диспергирования этих частиц в водном растворе этиленгликоля с массовой концентрацией последнего 20% (ВЭГ 20%), с получением устойчивой суспензии «жидкость - твёрдые частицы мультиграфена» для экспериментального определения влияния массовой концентрации наночастиц и температуры на коэффициент теплопроводности наножидкости, так как последний существенно зависит от применяемых технологий. Рассмотренные теоретические модели теплопроводности двухфазных сред «жидкость - твёрдые частицы» не позволили адекватно описать поведение коэффициента теплопроводности λ_nf наножидкостей на основе ВЭГ 20% и мультиграфена. Получены экспериментальные данные, свидетельствующие о значительном повышении коэффициента теплопроводности наножидкости на основе ВЭГ 20% и мультиграфена при увеличении его концентрации и температуры суспензии. Это в свою очередь приводит к увеличению интенсивности теплоотдачи на границе «стенка - охлаждающая жидкость» при применении указанной наножидкости в системах охлаждения тепловых двигателей по сравнению с используемой в настоящее время базовой жидкостью (ВЭГ 20%). В соответствии с этим понизятся и температуры теплонапряжённых деталей, охлаждаемых такой наножидкостью. С применением компьютерного моделирования, методом вычислительной гидродинамики показано снижение на 8°С максимальных и средних температур стенки гильзы цилиндра двигателя 6ЧН 13/14 при использовании в качестве теплоносителя суспензии с массовым содержанием мультиграфена 0,75%. При этом необходимо учесть, что коэффициент теплоотдачи от нагретой стенки к наножидкости зависит не только от её коэффициента теплопроводности, но и от величины её коэффициента динамической или кинематической вязкости, что может привести к некоторому уменьшению эффекта интенсификации процесса теплоотдачи в системах охлаждения. Последнее связано с тем, что добавление наночастиц в ОЖ приводит и к некоторому увеличению её коэффициента вязкости.

Автомобили с задним и полным приводом оснащены топливными баками сложной конфигурации, в которой заправочный объём бака разделён на два полубака, что обусловлено требованиями компоновки при наличии деталей трансмиссии для привода задних колёс. Для обеспечения бесперебойной работы топливной системы низкого давления и эффективного использования заправочного объёма топливного бака требуется система сообщения или перекачки из одного полубака в другой. Наиболее распространённым устройством, используемым в системах низкого давления топлива, является струйный насос. В статье описаны возвратная и невозвратная схемы контура низкого давления топлива. Дана классификация заборного и переливного эжекторов в зависимости от уровня давления активного потока. Определены условия функционирования топливного модуля и эжекторов в контуре низкого давления. Получена формула, определяющая зависимость минимальной величины коэффициента избытка подачи бензонасоса от коэффициентов эжекции заборного и переливного струйных насосов. Показано, что у исследованных моделей струйных насосов расход в пассивном потоке не зависит от коэффициента эжекции и определяется только давлением в активном потоке. Определены минимальные уровни давления на входе в заборный и переливной эжекторы для функционирования системы низкого давления топлива в зависимости от номинальной мощности двигателя.

Определение электронной системой управления двигателем величины наполнения цилиндра имеет очень важное значение, так как ошибка в его расчётах напрямую влияет на токсичность выбросов отработавших газов и топливную экономичность, а также на энергетические показатели работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Значение цилиндрового расхода воздуха участвует в расчёте топливоподачи, определении эффективного крутящего момента и является основным аргументом в функции выбора угла опережения зажигания (УОЗ). Также его значения необходимы для управления положением дроссельной заслонки, угловыми положениями распределительных валов, а также в управлении давлением наддува. Рассматриваются математические модели расчёта цилиндрового наполнения, в основе которых находится модель парциального давления отработавших газов, применяемые в алгоритмах систем управления ДВС. В статье произведён анализ нескольких алгоритмов разных систем управления с целью выявления причин возникновения систематической ошибки в расчёте цилиндрового наполнения. Данный анализ показал следующие результаты: во всех рассматриваемых в этой статье моделях наполнения цилиндра зарядом, основанных на парциальном давлении отработавших газов, не было учтено влияние парциального давления рециркулирующих остаточных газов в фазе перекрытия клапанов на величину наполнения цилиндра воздухом. Предлагается модель наполнения цилиндра, в основе которой также находится принцип парциального давления газов, но уже с учётом рециркуляции остаточных газов. Приводятся результаты расчётов циклового наполнения, основанные на предложенной методике, и результаты её верификации.

В работе представлены результаты сравнения экономической эффективности различных типов энергоносителей для электромобилей. Рассмотрены батарейные электромобили с подзарядкой из централизованной электросети, электромобили на основе воздушно-водородных электрохимических генераторов, а также перспективные транспортные средства, оснащённые воздушно-алюминиевым электрохимическим генератором. Рассчитываются затраты на энергоноситель и энергоустановку за жизненный цикл легкового электромобиля для индивидуального пользования и лёгкого развозного коммерческого грузовика. В затратах на энергоноситель учтены издержки на его производство, доставку до зарядных (заправочных) станций, издержки на содержание зарядной (заправочной) инфраструктуры. Показано, что наименьшие издержки имеют место при использовании электромобиля, оснащённого воздушно-алюминиевым электрохимическим генератором. Как для легкового, так и для грузового электромобиля, оснащённого воздушно-алюминиевым электрохимическим генератором, затраты оказываются в 1,5-2 раза ниже по сравнению с затратами батарейного электромобиля и в 3-4 раза ниже по сравнению с затратами электромобиля на основе воздушно-водородного электрохимического генератора. Таким образом, алюминий в качестве энергоносителя для транспортных средств имеет хорошие перспективы. Несмотря на его высокую стоимость, бортовые энергоустановки и заправочная инфраструктура оказываются существенно проще, а значит и дешевле батарейных и водородных аналогов. Но, в то же время для организации замкнутого топливного алюминиевого цикла требуется создание масштабной инфраструктуры с определённой мерой государственной поддержки. В этом случае индустрия использования электромобилей на алюминии сможет развиваться параллельно с батарейным и водородным транспортом. Наибольшее распространение они могут получить в регионах с низкой плотностью электросетевой инфраструктуры и крупными дешёвыми источниками электроэнергии, - например атомными и гидроэлектростанциями, позволяющими эффективно организовать замкнутый цикл производства алюминия (Россия, Канада, Бразилия и т.п.).

Исследована эффективность применения различных конструкций подвески кабины транспортно-технологической самоходной машины (ТТСМ). Показано влияние методов и конструктивных элементов подвески, при которых будут обеспечиваться необходимые параметры виброзащиты. Представлены спектральные характеристики кабины, полученные в результате проведённых стендовых испытаний макетных образцов систем виброзащиты при различных дорожных условиях и режимах движения. Проведена экспериментальная оценка работы различных упругих элементов в системах вторичного подрессоривания кабин ТТСМ. Описаны условия воспроизведения (имитации) на гидропульсаторном стенде реальных входных воздействий на кабину со стороны несущей системы многоосного транспортного средства в местах их крепления. Выявлено, что определяющим фактором для уровней вибронагруженности экипажа многоосных ТТСМ является система подрессоривания кабины, а подрессоренное сиденье при правильно выбранных упруго-диссипативных параметрах может только несколько уменьшить уровень вибраций на сиденьях экипажа. Обоснована целесообразность совместного применения пневматической подвески кабины с упругими элементами с резинокордной оболочкой баллонного и тороидного типов и подрессоренного сиденья. Проведена экспериментальная оценка эффективности установки в подвеске кабин ТТСМ гидроамортизаторов, которые обеспечивают необходимое демпфирование. Представлены результаты октавного анализа вертикальных виброускорений, замеренных в различных точках кабины с тремя вариантами систем подвешивания, которые показали преимущества применения пневматических упругих элементов с резинокордными оболочками по сравнению с резинометаллическими виброопорами, используемыми в серийных подвесках кабин. Показано, что применение пневматических упругих элементов с резинокордными оболочками тороидного типа в системах вторичного подрессоривания кабин ТТСМ возможно без использования направляющего устройства (металлических рычагов или специальных кронштейнов) и др.

В случае опрокидывания трактора вопросы безопасности водителя приобретают важное значение. Снижение риска получения повреждений возможно при использовании специальных защитных устройств Roll-over protective structures (ROPS). В настоящее время ROPS является необходимым условием для любой тракторной техники и, как все защитные устройства, подлежит обязательной сертификации. Согласно ГОСТу, испытания по оценке безопасности ROPS представляют собой последовательность статических нагружений конструкции (боковое, вертикальное и продольное), полностью имитирующих опрокидывание машины. Значения сил зависят от массы всего трактора. Критерием соответствия является отсутствие разрушения конструкции и неприкосновенность ограниченного объёма предполагаемого расположения оператора Deflection-limiting volume (DLV) при условии поглощения требуемой энергии удара при достижении определённых уровней нагрузки. В статье приведена методика сертификационных испытаний защитной конструкции ROPS на примере кабины трактора Б11 (Б14). Для расчёта поглощённой энергии удара построена экспериментальная зависимость боковой силы от перемещения точки приложения силы. Энергия считалась как площадь под кривой данной зависимости. В результате все экспериментальные значения сил и энергии превысили требуемые ГОСТом значения. Исследуемая конструкция ROPS прошла весь цикл нагружения без разрушений и проникновения элементов конструкции в ограниченную область DLV. В результате сделан вывод о безопасности защитной конструкции ROPS для машин массой до 25 т и выдан сертификат соответствия.

В статье приведён анализ измерителей плавности хода и безопасности движения автомобиля. Показано, что при организации управления необходимо ориентироваться не только на критерии эффективности управления, но и на измерители эксплуатационных свойств автомобиля. При этом важно также учитывать режимы движения, которые накладывают ограничения на использование соответствующих измерителей. Указано, что для оценки высокоскоростного маневрирования целесообразно использовать только определённые измерители. Приведён перечень наиболее часто применяемых измерителей плавности хода и безопасности движения. При этом, исходя из анализа используемых измерителей плавности хода и требований к бортовой системе для их определения, предложено ранжирование данных измерителей по «уровням». Такое ранжирование отражает степень совершенства и, соответственно, стоимость управляемой системы подрессоривания. Приведённая таблица может быть использована при учёте потребительских свойств вновь разрабатываемого автомобиля. Представленный анализ измерителей безопасности движения проведён для режима высокоскоростного маневрирования, который характеризуется своей кратковременностью по отношению к общему времени движения автомобиля. Анализ применяемых измерителей безопасности движения показывает, что в качестве основного измерителя предпочтительно использовать динамическую силу в пятне контакта. Отмечено, что при создании системы управления подрессориванием возникает противоречие между обеспечением показателей плавности хода и обеспечением безопасности. Для разрешения этого противоречия рекомендуется использовать метод «конфликтной диаграммы». Подобные диаграммы строятся для математических моделей автомобилей и дают представление о статистических данных по среднеквадратическим значениям нормы вектора ускорений и среднеквадратическим значениям нагрузки на колесе.

Современное состояние экологических проблем крупных городов происходит по причине недостаточного внимания к загрязнению городского воздуха частицами от износа шин и асфальтодорожного полотна, которые несут на себе весьма опасные канцерогенные вещества, являющиеся источником заболевания раком лёгких. С целью определения реальной дисперсности и количества выбросов твёрдых частиц (ТЧ) менее 10 мкм от движущегося автомобиля была разработана методика исследовательских работ, которая предусматривала решение следующих задач: 1) методология отбора проб выбросов твёрдых частиц от движущегося автомобиля; 2) влияние различных режимов движения автомобиля на дисперсность и величину выбросов ТЧ от износа шин и дорожного полотна. Определение дисперсности и величины выбросов ТЧ выполнялось при различных режимах движения испытуемого автомобиля на дорогах с различной плотностью движения потока. В результате проведённых исследований выявлено, что основной выброс твёрдых частиц от износа шин и дорожного полотна составляют частицы от 0,3 до 5 мкм. Учитывая регистрируемые Всемирной организацией здравоохранения, ежегодно более 1 000 000 новых случаев заболеваний раком лёгких по всему миру и заявления о том, что загрязнённый уличный воздух является онкологическим фактором, вызывающим рак лёгких у горожан, необходимы разработка и принятие дополнительных, экстренных мер по снижению выбросов особо опасных для здоровья твёрдых частиц менее 10 мкм от износа дорожного полотна и шин в крупных городах и мегаполисах.