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.