CC BY
9Основные проблемы энергетики и альтернативной
энергетики х^ЛС
Basic problems of energy and alternative ene
¿f* o_
УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
С. В. Никишин
ООО «Астраханьгазпром» п. Аксарайский, г. Астрахань, 414000, Россия Тел.: 8-8512-31-40-44; e-mail: Nik_65@mail.ru
Никишин Сергей Владимирович
Сведения об авторе: инженер экспертной группы ООО «Астраханьгазпром».
Образование: Пензенский политехнический институт (1988 г.). Область научных интересов: газовые и электрические гибридные силовые агрегаты и двигатели внутреннего сгорания для транспортных средств. Публикации: 6 статей, 9 авторских свидетельств и патентов.
A new technical approach on the improvement of ecological parametrs of the existing car motors is described.
Повсеместная «автомобилизация» населения (в мире сейчас насчитывается более 700 млн. автомобилей, и их парк продолжает расти) сопровождается далеко не однозначными явлениями, принося человечеству как плюсы, так и минусы. К числу первых относится возросшая скорость, комфорт и свобода передвижений, ко вторым — обострение экологических и социально-психологических проблем (загрязнение окружающей среды, пробки на дорогах, возможность аварий и т. п.). Тем не менее, большинство людей все же не готово, да и просто не может отказаться от автотранспорта. Вот почему целая армия инженеров, конструкторов, изобретателей трудится над тем, чтобы сделать автомобиль менее агрессивным по отношению к окружающей среде и более экономичным, ведь исчерпание запасов нефти уже не за горами.
Загрязнение атмосферы в результате работы автомобиля обусловлено тремя основными источниками: системой выпуска отработанных газов, системой смазки и вентиляции картера, системой питания. На долю выхлопных газов приходится наибольшая часть (70-80 %) вредных веществ, выделяемых автомобильным двигателем. Камера сгорания двигателя — это своеобразный химический реактор, синтезирующий
вредные вещества, которые затем поступают в атмосферу. Даже нейтральный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания двигателя, превращается в ядовитые оксиды азота. В отработанных газах содержится более 200 различных химических соединений, из них около 150 — производные углеводородов, напрямую обязанные своим появлением неполному или неравномерному сгоранию топлива в двигателе.
Для двигателя внутреннего сгорания (ДВС), чтобы получать необходимую механическую энергию для движения автомобиля, необходимо иметь высокое давление в цилиндрах. Естественно, чем выше температура сгорания топлива, тем выше давление. Но окислы азота образуются тем охотней, чем выше температура и больше кислорода (т. е. воздуха), поступающего в камеру сгорания. С точки зрения экологии в ДВС ситуация тупиковая. Много топлива и мало воздуха — низкая мощность, экономичность и много СО. Мало топлива и много воздуха — много окислов азота. До недавнего времени компромиссом являлись электронное регулирование соотношения топливо/воздух и применение так называемого трехходового каталитического нейтрализатора. Такой нейтрализатор способен одновременно окислять СО и углеводороды, вос-
станавливать окислы азота. Эффективность такой очистки выхлопных газов достигает 95 %, но вся эта сложная схема не позволяет полностью избавиться от эмиссии СО и окислов азота.
Перерабатывая токсичные вещества в выхлопе, конструкторы параллельно улучшали рабочий процесс. Для борьбы с окислами азота снижали температуру горения рециркуляцией выхлопных газов (часть их возвращалась во впускной коллектор), но пришлось снизить ее так, что двигатель стал с трудом прогреваться.
Конечно, оптимальный состав горючей смеси на всех режимах работы ДВС поддерживать достаточно сложно, особенно при классическом принципе его организации.
Результат оптимального процесса организации смесеобразования (подачи топлива) выглядит следующим образом: состав топливно-воз-душной смеси в районе зоны возгорания должен быть близок к стехиометрическому и не меняться с изменением режима работы ДВС. В остальном объеме цилиндра должна находиться гомогенная горючая смесь, качественный состав которой зависит от режима работы ДВС и может изменяться в довольно широких пределах (режим холостого хода и минимальных нагрузок). Распределение остаточных газов желательно в пристеночной зоне и в щелевых зазорах камеры сгорания, где при попадании горючей смеси она не сгорает при любой концентрации.
Достижение подобного результата работы системы подачи топлива невозможно ни при карбюраторном (внешнее смесеобразование), ни при инжекторном питании, включая непосредственный впрыск (внутреннее смесеобразование). Вся сложность заключается именно в несовершенстве этих классических процессов топливоподачи и усугубляется различными режимами работы ДВС.
Но трудности преодолимы, если использовать другой способ работы двигателя. Если в двигателях с обычным способом работы объем воздуха или топливно-воздушной смеси, участвующих в процессе горения, регулируется количеством топлива, поступающего в камеру сгорания (для дизельных или бензиновых двигателей с непосредственным вспрыском), или снижением давления на впуске за счет изменения положения дроссельной заслонки (для бензиновых двигателей с внешним смесеобразованием, например, карбюраторных), то в предлагаемом способе работы объем топливно-воздушной смеси и/ или воздуха в камере сгорания регулируется за счет изменения количества отработанных газов, оставшихся в камере сгорания. В таком рабочем процессе бензин и чистый воздух находятся в соотношении 1:14,7, т. е. оптимальном для сгорания (стехиометрическим) во всех режимах работы ДВС. В то же время смесь бедна, если учесть, что до 90 % объема для режима холостого хода могут занимать инертные отработав-
I Система отвода
отработанных газов
UM | Устройство измененияI Обратный клапан ■ ■ „„.„,
к _■ Щ давления (УИД) Щ
Система газораспределения
Ü u Свеча Ц
Ш ш
У/УУ/ Y/Ys/
1 Поршень 1
if if
Рис. 1. Схема ДВС
шие газы, попадающие в цилиндр без всякой рециркуляции.
Изменять количество отработанных газов, оставшихся в камере сгорания ДВС, возможно различными способами: изменением давления в системе отвода отработанных газов, путем сдвига фаз открытия и закрытия выпускных клапанов, изменением времени и высоты их открытия.
Осуществить предлагаемый способ возможно с помощью различных хорошо известных в технической литературе устройств изменения давления (УИД): мощностного клапана, дроссельной заслонки, различных типов нагнетателей и резонаторов. Для снижения тепловых потерь, вызванных охлаждением отработанных газов, во впускном тракте дополнительно установлен обратный клапан, не позволяющий отработанным газам попасть во впускной тракт. Кроме того, это решение позволяет за счет уменьшения в зоне воспламенения в составе рабочей смеси или воздуха количества отработанных газов создать близкий к стехиометрическому (в момент возгорания) состав топливно-воздушной смеси в районе зоны возгорания, а, значит, улучшить условия воспламенения рабочей смеси. В качестве обратного клапана может быть использован хорошо известный обратный клапан лепестковый типа.
Рассмотрим работу предлагаемого ДВС на примере четырехтактного двигателя с одним УИД в системе отвода отработанных газов, обратным клапаном во впускном тракте и устройством подачи топливно-воздушной смеси, например, карбюратором (рис. 1).
В режимах полной нагрузки ДВС работает также как и при обычном способе работы, когда дроссель полностью открыт. В режимах холостого хода и частичных нагрузок ДВС работает следующим образом:
Основные проблемы энергетики и альтернативной энергетики
1. Такт впуска. В начале такта впуска за счет более высокого давления отработанные газы, оставшиеся в цилиндре от предыдущего цикла, действуют на обратный клапан, который препятствует выходу их из цилиндра. В цилиндре ДВС при инерционном перемещении поршня создается разрежение, вследствие чего заряд топ-ливно-воздушной смеси из карбюратора через систему газораспределения поступает в цилиндр.
2. Такт сжатия. После заполнения цилиндра топливно-воздушной смесью с отработанными газами происходит сжатие этой смеси порш-
Давление в цилиндре
е
о
р е
-& %
Q 3
О
5 * g
(О I q i л
ю о
Потери выпуска
Насосные потери
Надпоршневой объем
Рис. 2. Индикаторные диаграммы способов работы ДВС: —--предлагаемый;--обычный
нем. По мере уменьшения объема температура и давление смеси повышаются.
3. Такт расширения (рабочий ход). Рабочая смесь воспламеняется системой зажигания, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастают. При расширении газы совершают полезную работу, перемещая поршень.
4. Такт выпуска. Продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через систему газораспределения и систему отвода отработанных газов, при этом часть отработанных газов остается в цилиндре и количество их прямо пропорционально надпоршневому объему и давлению в системе отвода отработанных газов. Изменяя с помощью УИД давление отработанных газов, можно изменять их объем, оставшийся в цилиндре ДВС, а, следовательно, и количество топливно-воздушной смеси, поступающей в цилиндр. При этом в режимах частичных нагрузок и холостого хода количество отработанных газов, имеющих более высокую температуру, чем воздух, будет максимальным, что позволяет снизить тепловые потери на нагрев рабочей смеси, добавив к ней горячие отработанные газы.
Таким образом, предлагаемый способ работы ДВС позволяет снизить расход топлива и долю вредных веществ в отработанных газах за счет использования в режимах частичных нагрузок и холостого хода рабочей смеси, близкой к стехиометрической.
Предлагаемое решение иллюстрируется рис. 2, где показаны индикаторные диаграммы предлагаемого способа работы ДВС, работающего по циклу Отто (пунктирная линия), и обычного способа (сплошная линия) для режимах частичных нагрузок. Индикаторная диаграмма представляет собой зависимость давления в цилиндре от его текущего объема во время всех четырех тактов рабочего процесса. Диаграмма, приведенная на рисунке, несколько упрощена, чтобы быть понятной не только специалистам, но и большинству читателей.
Рассмотрим обычный способ работы ДВС (сплошная линия). Линия 1 обозначает процесс горения, когда происходит вспышка рабочей смеси и давление газов в цилиндре резко возрастает. Затем начинается рабочий ход (линия 2). Газы, расширяясь, толкают поршень вниз, при этом увеличивается объем над поршнем и одновременно падает давление газов. Закончился рабочий ход, открылся выпускной клапан, выпуская отработавшие газы (линия 3). У них, правда, осталось кое-какое остаточное давление, но использовать его не получится — это потери выпуска. Далее поршень идет вверх, вытесняя отработавшие газы. В конце такта выпуска закрылся выпускной клапан и открылся впускной, сообщая цилиндр с карбюратором. Начинается такт впуска (линия 4), поршень перемещается вниз и всасывает топливно-воздушную смесь. Причем педаль газа сейчас не нажата до упора (переходный режим), дроссельная заслонка прикрыта и создает сопротивление на впуске, заставляя двигатель тратить энергию на так называемые насосные потери. Закрылся впускной клапан, начинается такт сжатия (линия 5), при котором увеличивается давление в надпоршневом объеме. По окончании такта сжатия начинается процесс горения (линия 1) и т. д.
Остановимся на основных отличиях предлагаемого способа работы ДВС (пунктирная линия). Во-первых, это большее давление на выпуске (линия 3а) и работа обратного клапана (линия 6), при которой отработанные газы, оставшиеся в цилиндре, продолжают давить на поршень. Когда давление этих газов будет меньше атмосферного, обратный клапан откроется и начинается такт впуска (линия 4), поршень перемещается вниз и всасывает топливно-воздушную смесь. При этом насосные потери будут меньше чем для обычного способа, а в режиме холостого хода, когда количество отработанных газов, оставшихся в цилиндре, максимально (до 90 %), будут минимальными. В такте сжатия (линия 5а) отработанные газы, оставшиеся в цилиндре, увеличи-
вают степень сжатия и, соответственно, давление газов в такте рабочего хода (линия 2а).
Таким образом, достоинства предлагаемого способа таковы:
■ снижение вредных выбросов и экономия топлива;
■ снижение насосных и тепловых потерь за счет замены части воздуха на горячие отработанные газы для ДВС с внутренним смесеобразованием (дизель, вспрыск) и за счет добавления горячих отработанных газов в рабочую смесь для ДВС с внешним смесеобразованием (карбюратор);
■ изменение коэффициента сжатия в зависимости от режима работы ДВС: минимальный в режиме полной мощности, плавно возрастает в режимах частичных нагрузок и максимальный в режиме холостого хода;
■ добавление отработанных газов, обладающих антидетонационными свойствами, в рабочую смесь для бензиновых двигателей позволит или повысить общий коэффициент сжатия, или использовать топливо с пониженным октановым числом;
■ повышение давления, а, значит, и температуры отработанных газов в выходном тракте позволит улучшить работу катализаторов и устройств дожига сажи;
■ улучшение условий воспламенения рабочей смеси в режимах частичных нагрузок и холостого хода за счет создания в районе зоны возгорания состава топливно-воздушной смеси близкого к оптимальному для сгорания (стехиометрическому).
Рассматривая перспективность внедрения предлагаемой технологии, следует обратить внимание на то, что такой режим работы может быть реализован с минимальными затратами и переделками (всего-то один обратный клапан на цилиндр и устройство изменения давления) практически для любого стандартного ДВС. Внедрение этой технологии для крупного города, например, Москвы, при повсеместном использовании и снижении вредных выбросов на 50 % (по самым скромным оценкам) равносильно замене половины автомобилей на автомобили с нулевым выбросом. Благодаря снижению расхода топлива эти устройства могут окупится в течении двух лет.
НОВОСТИ НАУКИ И . ТЕХНИКИ Г5 \
HB JA Шш \ I——mhkW/^^W Л ШШww «?>
САМОЛЕТ НА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯХ
Израильская компания Israel Aircraft Industries разрабатывает проект беспилотного самолета-гиганта на солнечных батареях
На борту самолета планируется установить оборудование для связи и фотосъемки, которое позволит выполнять как гражданские, так и военные задачи. Стоимость его строительства оценивается в 100-150 миллионов долларов. Проект получил одобрение Министерства обороны Израиля.
По проекту израильских инженеров, самолет будет сделан из легких полимерных материалов. Его поделят на две секции, в одной из которых разместят баллоны со сжатым гелием. После взлета гелий заполнит всю секцию, что приведет к значительному уменьшению массы всего самолета. Аналогичная схема применяется на подводных лодках, где для всплытия используют баллоны со сжатым воздухом. При массе в 10 тонн самолет сможет брать на борт до 1,9 тонны оборудования.
Как сообщил один из разработчиков проекта Ави Баум (Avi Baum), самолет станет самым большим в мире. Его длина составляет 200 метров, размах крыльев - 60 метров. Самолет разрабатывается в беспилотном варианте, что позволит ему совершать беспосадочные полеты продолжительностью до трех лет на высоте 21 километр. Как считают инженеры, прототип самолета может быть создан в течение четырех лет.
http://www.bellona.org/ru/index.html
