Улучшение экологических показателей автомобильных двигателей

Сергей Никишин

Повсеместная "автомобилизация" населения (а в мире сейчас насчитывается более 700 млн. автомобилей, и их парк продолжает расти) - сопровождается очень неоднозначными 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, что называется, менее агрессивным по отношению к окружающей среде, и более "экономным", ведь исчерпание запасов нефти уже не за горами.

Загрязнение атмосферного воздуха 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, прямо 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 (то есть 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. Успешный до недавней поры компромисс достигался электронным регулированием соотношения топливо-воздух и применением так называемого трехходового каталитического нейтрализатора. Такой нейтрализатор способен одновременно окислять СО и углеводороды, восстанавливать 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 возвращают 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 (топливоподачи) выглядит следующим образом: состав топливовоздушной смеси в районе зоны возгорания должен быть близок к стехиометрическому и не изменяться 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, при попадании в которую горючая смесь не сгорает при любой своей концентрации.

Получение подобного результата работы системы топливоподачи невозможно ни при карбюраторном питании (внешнее смесеобразование), ни при инжекторном питании, включая непосредственный впрыск (внутреннее смесеобразование). Вся сложность заключается именно в несовершенстве обеих классических процессов топливоподачи, которая 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, участвующего в процессе горения, регулируется количеством топлива, поступающего в камеру сгорания (для дизельных или бензиновых, с непосредственным впрыском) или регулируется снижением давления на впуске за счет изменения положения дроссельной заслонки (для бензиновых 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. Получился рабочий процесс, когда бензин и чистый воздух находятся в соотношении 1:14,7, то есть оптимальным для сгорания (стехиометрическим) во всех режимах работы ДВС. В то же время смесь "бедная", если учесть, что до 90 % объема (для режима холостого хода) могут занимать инертные отработавшие 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 в районе зоны возгорания состав топливовоздушной смеси, близкий к стехиометрическому (в момент возгорания), а значит, улучшить условия воспламенения рабочей смеси.

В качестве такого обратного клапана может быть использован хорошо известный в технике 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.

В режимах полной нагрузки ДВС работает так же, как и при обычном способе работы, когда дроссель полностью открыт.

В режимах холостого хода и частичных нагрузок ДВС работает следующим образом:

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 разряжение, вследствие чего заряд топливно-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 поршнем. По мере уменьшения объема, температура и давление смеси повышаются.

3. Такт расширения или рабочий ход. Рабочая смесь, воспламеняется системой зажигания, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает. 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. Количество оставшихся в цилиндре отработанных газов прямо пропорционально надпоршневому объему и давлению в системе отвода отработанных газов. Изменяя, с помощью УИД давление отработанных газов, можно изменять их количество, оставшееся в цилиндре ДВС, а значит и количество топливовоздушной 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 вредные вещества в отработанных газах, за счет использования в режимах частичных нагрузок и холостого хода рабочей смеси, близкой к стехиометрической.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 показаны индикаторные диаграммы предлагаемого способа работы ДВС, работающего по циклу Отто (пунктирная линия), и обычного способа (сплошная линия) для режимов частичных нагрузок. Индикаторная диаграмма - это зависимость давления в цилиндре от его текущего объема во время всех четырех тактов рабочего процесса.

Приведенная на рисунке индикаторная диаграмма несколько упрощена, чтобы быть понятной не только специалистам, но и большинству читателей.

Рассмотрим обычный способ работы ДВС (сплошная линия). Розовым цветом обозначен процесс горения, когда происходит вспышка рабочей смеси и давление газов в цилиндре резко возрастают. Затем начинается рабочий ход (зеленая линия). Газы, расширяясь, толкают поршень вниз. При этом увеличивается объем над поршнем и одновременно падает давление газов. Закончился рабочий ход и открылся выпускной клапан, выпуская на волю отработавшие газы (коричневая линия). 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 (синяя линия), поршень перемещается вниз и всасывает топливовоздушную смесь. Причем педаль газа сейчас не нажата до упора (переходной режим), дроссельная заслонка прикрыта и создает сопротивление на впуске, заставляя двигатель тратить энергию на так называемые насосные потери. Закрылся впускной клапан и начинается такт сжатия (голубая линия), при котором увеличивается давление в надпоршневом объеме. По окончании такта сжатия начинается процесс горения (розовая линия), и так далее.

Предлагаемый способ работы ДВС (пунктирная линия) похож на предыдущий, поэтому остановимся на основных отличиях. Во первых, это большее давление на выпуске (коричневая линия) и работа обратного клапана (красная линия) при которой отработанные газов, оставшихся в цилиндре продолжают давить на поршень. Когда давление этих газов будет меньше атмосферного, обратный клапан откроется и начинается такт впуска (синяя линия), поршень перемещается вниз и всасывает топливовоздушную 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 %), насосные потери будут минимальными. В такте сжатия (голубая линия) отработанные газы, оставшиеся в цилиндре, увеличивают степень сжатия и соответственно давление газов в такте рабочего хода (зеленая линия).

Таким образом, достоинства предлагаемого способа работы ДВС, по сравнению с обычными, следующие:

1. Снижение вредных выбросов и экономия топлива.

2. Снижение насосных и тепловых потерь за счет замены части воздуха на горячие отработанные газы для ДВС с внутренним смесеобразованием (дизель, впрыск), и за счет добавления горячих отработанных газов в рабочую смесь для ДВС с внешним смесеобразованием (карбюратор).

3. Изменение коэффициента сжатия в зависимости от режима работы ДВС: в режиме полной мощности - минимальный, плавно возрастает в режимах частичных нагрузок и достигает максимума в режиме холостого хода.

4. Добавление отработанных газов, обладающих антидетонационными свойствами, в рабочую смесь позволит, для бензиновых двигателей, или повысить общий коэффициент сжатия, или использовать топливо с пониженным октановым числом.

5. Повышение давления, а значит и температуры отработанных газов в выходном тракте позволит улучшить работу катализаторов и устройств дожига сажи.

6. Улучшение условий воспламенения рабочей смеси в режимах частичных нагрузок и холостого хода за счет создания в районе зоны возгорания состава топливовоздушной смеси, близкого к оптимальному для сгорания (стехиометрическому).

Рассматривая перспективность внедрения предлагаемой технологии, следует обратить внимание на то, что практически у любого стандартного ДВС может быть реализован такой режим работы с минимальными затратами и переделками (всего-то один обратный клапан на цилиндр и устройство изменения давления). 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. Причем благодаря снижению расхода топлива эти устройства могут окупиться в течение 2 лет.