Улучшение экологических показателей автомобильных двигателей

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 топливо-воздушной 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 обоих 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 топливо-воздушной смеси, участвующий 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 топливо-воздушной смеси и 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 оптимальный 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 отработанные газы, попадающие в цилиндр без всякой рециркуляции.

Изменить количество отработанных газо,в оставшихся в камере сгорания ДВС, можно 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 можно с помощью известных 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 этим 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 топливо-воздушной 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 лепесткового 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 топливо-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 разрежение, вследствие чего заряд топливно-воздушной смеси из карбюратора через систему газораспределения поступает в цилиндр.

2. Такт сжатия. После заполнения цилиндра топливо-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.

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 топливо-воздушной смеси, поступающей в цилиндр.

Предлагаемый способ работы ДВС позволяет снизить расход топлива и клоичество вредных веществ в отработанных газах, за счет использования в режимах частичных нагрузок и холостого хода рабочей смеси, близкой к стехиометрической.

Достоинства предлагаемого способа работы ДВС, по сравнению с обычными, следующие:
1. Снижение вредных выбросов и экономия топлива.
2. Снижение насосных и тепловых потерь .
3. Изменение коэффициента сжатия в зависимости от режима работы ДВС.
4. Повышение давления, а значит, и температуры отработанных газов в выходном тракте позволит улучшить работу катализаторов и устройств дожига сажи.
5. Улучшение условий воспламенения рабочей смеси в режимах частичных нагрузок и холостого хода за счет создания в районе зоны возгорания состава топливо-воздушной смеси, близкого к оптимальному для сгорания (стехиометрическому).

Сергей НИКИШИН

Источник: http://www.eprussia.ru