Исследователи Массачусетского технологического института разрабатывают бензиновый двигатель половинного размера, который работает так же, как его полноразмерный кузен, но предлагает топливную экономичность, приближающуюся к топливной экономичности современной гибридной системы двигателя, при гораздо меньших затратах. Ключ? Тщательно контролируемый впрыск этанола, все более распространенного биотоплива, непосредственно в цилиндры двигателя, когда необходимо подняться на холм или объехать автомобиль.
Эти небольшие двигатели могут появиться на рынке в течение пяти лет, и потребители должны найти их привлекательными: потратив около 1000 долларов США и добавляя пару галлонов этанола каждые несколько месяцев, они получат двигатель, который может проехать на 30 процентов больше на галлоне топлива, чем обычный двигатель. Более того, маленький двигатель обеспечивает высокую производительность без использования высокооктанового бензина.
Учитывая короткий срок окупаемости экономии топлива - от трех до четырех лет при нынешних ценах на бензин в США - исследователи считают, что их турбодвигатель с «этаноловым форсированием» имеет реальный потенциал для широкого распространения. Влияние на потребление нефти в США может быть существенным. Например, если бы все современные автомобили имели новый двигатель, текущее потребление бензина в США, составляющее 140 миллиардов галлонов в год, сократилось бы более чем на 30 миллиардов галлонов.
«Существует огромная потребность в поиске недорогих практических способов сделать двигатели более эффективными и чистыми, а также в поиске экономичных способов использования большего количества биотоплива вместо нефти», - сказал Дэниел Р. Кон, старший научный сотрудник. ученый из Лаборатории энергетики и окружающей среды и Центра плазменной науки и термоядерного синтеза (PSFC).
Кон, Джон Б. Хейвуд, профессор машиностроения из Сун Чжэ и директор Слоанской автомобильной лаборатории, и Лесли Бромберг, главный научный сотрудник PSFC, разработали концепцию двигателя, которая обещает достичь этих целей.
На протяжении десятилетий усилия по повышению эффективности обычного бензинового двигателя с искровым зажиганием (SI) блокировались барьером, известным как «предел детонации»: изменения, которые сделали бы двигатель намного более эффективным, вызванный детонацией - самопроизвольное сгорание, которое издает металлический лязг и может повредить двигатель. Теперь, используя сложное компьютерное моделирование, команда Массачусетского технологического института нашла способ использовать этанол для подавления самовозгорания и, по сути, снять предел детонации.
Когда двигатель работает тяжело и возможны детонации, небольшое количество этанола впрыскивается непосредственно в горячую камеру сгорания, где он быстро испаряется, охлаждая топливо и воздух и значительно снижая вероятность самовозгорания. Согласно моделированию, разработанному Бромбергом, при впрыске этанола двигатель не будет детонировать даже тогда, когда давление внутри цилиндра в три раза выше, чем в обычном двигателе SI. Испытания двигателя, проведенные сотрудниками Ford Motor Company, дали результаты, соответствующие предсказаниям модели.
По существу устранив детонацию, исследователи смогли внедрить в свой двигатель два рабочих метода, которые помогают сделать современные дизельные двигатели такими эффективными, но не вызывая высокого уровня выбросов дизелей. Во-первых, двигатель сильно турбирован. Другими словами, поступающий воздух сжимается, так что в цилиндр может поместиться больше воздуха и топлива. Результат: двигатель заданного размера может производить больше мощности.
Во-вторых, двигатель может быть спроектирован с более высокой степенью сжатия (отношение объема камеры сгорания после сжатия к объему до). Горящие газы расширяются больше в каждом цикле, получая больше энергии из заданного количества топлива.
Комбинированные изменения могут увеличить мощность двигателя данного размера более чем в два раза. Но вместо того, чтобы стремиться к более высокой производительности автомобиля (тенденция последних десятилетий), исследователи уменьшили размер своего двигателя вдвое. Используя хорошо зарекомендовавшие себя компьютерные модели, они определили, что их небольшой двигатель с турбонаддувом и высокой степенью сжатия будет обеспечивать ту же пиковую мощность, что и полномасштабная версия SI, но будет на 20-30 процентов более экономичным.
Но недостаточно разработать эффективный двигатель. «Чтобы действительно повлиять на потребление масла, нам нужно, чтобы люди захотели покупать наш двигатель, - сказал Кон, - поэтому наша работа также направлена на снижение дополнительных затрат и минимизацию любых неудобств для водителя».
Двигатель, работающий на этаноле, может обеспечить повышение эффективности, сравнимое с эффективностью современной гибридной системы двигателя, при меньших дополнительных инвестициях - около 1000 долларов США вместо 3000-5000 долларов США. Двигатель должен потреблять менее пяти галлонов этанола на каждые 100 галлонов бензина, поэтому водителям нужно будет заправлять бак этанолом только раз в один-три месяца. И этанол может быть E85, смесь этанола/бензина теперь продвигается федеральным законодательством.
Через свою стартап-компанию Ethanol Boosting Systems LLC исследователи работают со своими коллегами из Ford над тестированием и разработкой этой новой концепции. Если все пойдет так, как ожидалось, в течение пяти лет автомобили с новым двигателем могут выйти на дороги, используя альтернативное топливо для замены небольшого количества бензина и более эффективного использования остатка.