Сергій Нікішин
Повсюдна "автомобілізація" населення (а в світі зараз налічується більше 700 млн. автомобілів, і їх парк продовжує рости) - супроводжується дуже неоднозначними явищами, приносячи людству як плюси, так і мінуси. До числа перших відноситься зросла швидкість, комфорт та свобода пересувань. До других - загострення екологічних і соціально-психологічних проблем (забруднення навколишнього середовища, пробки на дорогах, можливість аварій і т.п.). Тим не менше, більшість людей все ж не готове, та й просто не може відмовитися від автотранспорту. Ось чому ціла армія інженерів, конструкторів, винахідників трудиться над тим, щоб зробити автомобіль, що називається, менш агресивним по відношенню до навколишнього середовища, і більш "економним", адже вичерпання запасів нафти вже не за горами.
Забруднення атмосферного повітря в результаті роботи автомобіля обумовлено трьома основними джерелами: системою випуску відпрацьованих газів, системою мастила і вентиляції картера, системою харчування. На частку вихлопних газів припадає найбільша частина (70-80%) шкідливих речовин, що виділяються автомобільним двигуном. Камера згоряння двигуна - це своєрідний хімічний реактор, що синтезує шкідливі речовини, які потім надходять в атмосферу. Навіть нейтральний азот з атмосфери, потрапляючи в камеру згоряння двигуна, перетворюється на отруйні оксиди азоту. У відпрацьованих газах міститься більше 200 різних хімічних сполук, з них близько 150 - похідні вуглеводнів, прямо зобов'язані своєю появою неповного або нерівномірного згоряння палива в двигуні.
Для двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ), щоб отримувати необхідну механічну енергію для руху автомобіля, необхідно мати високий тиск в циліндрах. Природно, чим вище температура згоряння палива, тим вище тиск. Але окисли азоту утворюються тим охочіше, ніж вище температура і більше кисню (тобто повітря), що надходить в камеру згоряння. З точки зору екології в ДВС ситуація тупикова. Багато палива і мало повітря - низька потужність, економічність і багато СО. Мало палива і багато повітря - багато окислів азоту. Успішний до недавньої пори компроміс досягався електронним регулюванням співвідношення паливо-повітря і застосуванням так званого триходового каталітичного нейтралізатора. Такий нейтралізатор здатний одночасно окисляти СО і вуглеводні, відновлювати оксиди азоту. Ефективність такого очищення вихлопних газів досягає 95%, але вся ця складна схема не дозволяє повністю позбутися від емісії СО і окислів азоту.
Переробляючи токсичні речовини у вихлопі, конструктори паралельно покращували робочий процес. Для боротьби з окислами азоту знижували температуру горіння рециркуляцією вихлопних газів (частина повертають у впускний колектор), але довелося знизити її так, що двигун став насилу прогріватися.
Звичайно, оптимальний склад горючої суміші на всіх режимах роботи ДВС підтримувати досить складно, особливо при класичному принципі його організації.
Результат оптимального процесу організації сумішоутворення (паливоподачі) виглядає наступним чином: склад паливоповітряної суміші в районі зони загоряння повинен бути близький до стехіометричного і не змінюватися зі зміною режиму роботи ДВС. В іншому обсязі циліндра повинна знаходитися гомогенна горюча суміш, якісний склад якої залежить від режиму роботи ДВС і може змінюватися в досить широких межах (режим холостого ходу і мінімальних навантажень). Розподіл залишкових газів бажано в пристеночной зоні і в щілинних зазорах камери згоряння, при потраплянні в яку горюча суміш не згорає за будь-якої своєї концентрації.
Отримання подібного результату роботи системи паливоподачі неможливо ні за карбюраторному харчуванні (зовнішнє сумішоутворення), ні за инжекторном харчуванні, включаючи безпосереднє уприскування (внутрішнє сумішоутворення). Вся складність полягає саме у недосконалості обох класичних процесів паливоподачі, яка посилюється різними режимами роботи ДВС.
Але труднощі переборні, якщо використовувати інший спосіб роботи двигуна. Якщо в двигунах із звичайним способом роботи об'єм повітря або паливно-повітряної суміші, що бере участь в процесі горіння, регулюється кількістю палива, що надходить в камеру згоряння (для дизельних або бензинових, з безпосереднім упорскуванням) або регулюється зниженням тиску на впуску за рахунок зміни положення дросельної заслінки (для бензинових із зовнішнім сумішоутворенням, наприклад карбюраторних), то в пропонованому способі роботи обсяг паливно-повітряної суміші і (або) повітря в камері згоряння регулюється за рахунок зміни кількості відпрацьованих газів, що залишилися в камері згоряння. Вийшов робочий процес, коли бензин і чисте повітря знаходяться в співвідношенні 1:14,7, тобто оптимальним для згоряння (стехіометричним) у всіх режимах роботи ДВС. У той же час суміш "бідна", якщо врахувати, що до 90% об'єму (для режиму холостого ходу) можуть займати інертні відпрацьовані гази, які потрапляють в циліндр без всякої рециркуляції.
Змінювати кількість відпрацьованих газів залишилися в камері згоряння ДВЗ можливо різними способами:
- Зміною тиску в системі відводу відпрацьованих газів;
- Шляхом зсуву фаз відкриття і закриття випускних клапанів, зміною часу і висоти їх відкриття.
Здійснити пропонований спосіб можливо за допомогою різних добре відомих в технічній літературі пристроїв зміни тиску (УІД): потужностного клапана, дросельної заслінки, різних типів нагнітачів і резонаторів.
Для зниження теплових втрат, викликаних охолодженням відпрацьованих газів, у впускному тракті додатково встановлено зворотний клапан, який не дозволяє відпрацьованим газам потрапити у впускний тракт. Крім того, це рішення дозволяє за рахунок зменшення в зоні запалення у складі робочої суміші або повітря кількості відпрацьованих газів створити в районі зони загоряння складу паливоповітряної суміші, близький до стехіометричного (у момент спалаху), а значить, поліпшити умови запалення робочої суміші.
В якості такого зворотного клапана може бути використаний добре відомий у техніці зворотний клапан пелюстковий типу.
Розглянемо роботу пропонованого ДВС на прикладі чотиритактного двигуна з одним УІД в системі відводу відпрацьованих газів, зворотним клапаном у впускному тракті і пристроєм подачі паливно-повітряної суміші, наприклад карбюратором.
У режимах повного навантаження ДВС працює так само, як і при звичайному способі роботи, коли дросель повністю відкритий.
У режимах холостого ходу і часткових навантажень ДВС працює наступним чином:
1. Такт впуску. На початку такту впуску за рахунок більш високого тиску відпрацьовані гази, що залишилися в циліндрі від попереднього циклу, діють на зворотний клапан, який перешкоджає виходу їх з циліндра.
У циліндрі ДВС при інерційному переміщенні поршня створюється розрядження, внаслідок чого заряд паливно-повітряної суміші з карбюратора, через систему газорозподілу, надходить в циліндр.
2. Такт стиску. Після заповнення циліндра паливно-повітряною сумішшю з відпрацьованими газами відбувається стиснення цієї суміші поршнем. У міру зменшення обсягу, температура і тиск суміші підвищуються.
3. Такт розширення або робочий хід. Робоча суміш, запалюється системою запалювання, внаслідок чого температура і тиск утворюються газів різко зростає. При розширенні гази здійснюють корисну роботу, переміщаючи поршень.
4. Такт випуску. Продукти згоряння виштовхуються з циліндра в атмосферу через систему газорозподілу і систему відведення відпрацьованих газів, при цьому частина відпрацьованих газів залишається в циліндрі. Кількість залишилися в циліндрі відпрацьованих газів прямо пропорційно надпоршневому обсягом і тиску в системі відводу відпрацьованих газів. Змінюючи, за допомогою УІД тиск відпрацьованих газів, можна змінювати їх кількість, що залишилася в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння, а відтак і кількість паливоповітряної суміші, що надходить в циліндр. При цьому в режимах часткових навантажень і холостого ходу кількість відпрацьованих газів, що мають більш високу температуру, ніж повітря, буде максимальним, що дозволяє знизити теплові втрати на нагрів робочої суміші, додавши до неї гарячі відпрацьовані гази.
Таким чином, пропонований спосіб роботи ДВЗ дозволяє знизити витрату палива і шкідливі речовини у відпрацьованих газах, за рахунок використання в режимах часткових навантажень і холостого ходу робочої суміші, близької до стехиометрической.
Пропонований винахід ілюструється кресленням, де на фіг. 1 показані індикаторні діаграми пропонованого способу роботи ДВС, що працює по циклу Отто (пунктирна лінія), і звичайного способу (суцільна лінія) для режимів часткових навантажень. Індикаторна діаграма - це залежність тиску в циліндрі від його поточного обсягу під час всіх чотирьох тактів робочого процесу.
Зображена на рисунку індикаторна діаграма трохи спрощена, щоб бути зрозумілою не тільки фахівцям, але і більшості читачів.
Розглянемо звичайний спосіб роботи ДВС (суцільна лінія). Рожевим кольором позначено процес горіння, коли відбувається спалах робочої суміші і тиск газів в циліндрі різко зростають. Потім починається робочий хід (зелена лінія). Гази, розширюючись, штовхають поршень вниз. При цьому збільшується обсяг над поршнем і одночасно падає тиск газів. Закінчився робочий хід і відкрився випускний клапан, випускаючи на волю відпрацьовані гази (коричнева лінія). У них, правда, залишилося деяке залишкове тиск, але використовувати його не вийде - це втрати випуску. Далі поршень йде вгору, витісняючи відпрацьовані гази. В кінці такту випуску, закрився випускний клапан і відкрився впускний, повідомляючи циліндр з карбюратором. Починається такт впуску (синя лінія), поршень переміщується вниз і всмоктує паливноповітряну суміш. Причому педаль газу зараз не натиснута до упору (перехідний режим), дросельна заслінка прикрита і створює опір на впуску, примушуючи двигун витрачати енергію на так звані насосні втрати. Закрився впускний клапан і починається такт стиснення (блакитна лінія), при якому збільшується тиск у надпоршневому обсязі. Після закінчення такту стиснення починається процес горіння (рожева лінія), і так далі.
Пропонований спосіб роботи ДВС (пунктирна лінія) схожий на попередній, тому зупинимося на основних відмінностях. По-перше, це більший тиск на випуску (коричнева лінія) і робота зворотного клапана (червона лінія) при якій відпрацьовані газів, що залишилися в циліндрі продовжують тиснути на поршень. Коли тиск цих газів буде менше атмосферного, зворотний клапан відкриється і починається такт впуску (синя лінія), поршень переміщується вниз і всмоктує паливноповітряну суміш. При цьому насосні втрати будуть менше ніж для звичайного способу, а в режимі холостого ходу, коли кількість відпрацьованих газів, що залишилися в циліндрі, максимально (до 90%), насосні втрати будуть мінімальними. У такті стиснення (блакитна лінія) відпрацьовані гази, що залишилися в циліндрі, збільшують ступінь стиснення і відповідно тиск газів в такті робочого ходу (зелена лінія).
Таким чином, гідності пропонованого способу роботи ДВС, в порівнянні зі звичайними, наступні:
1. Зниження шкідливих викидів і економія палива.
2. Зниження насосних і теплових втрат за рахунок заміни частини повітря на гарячі відпрацьовані гази для ДВС з внутрішнім сумішоутворенням (дизель, упорскування), і за рахунок додавання гарячих відпрацьованих газів у робочу суміш для ДВС із зовнішнім сумішоутворенням (карбюратор).
3. Зміна коефіцієнта стиснення в залежності від режиму роботи ДВС: у режимі повної потужності - мінімальний, плавно зростає в режимах часткових навантажень і досягає максимуму в режимі холостого ходу.
4. Додавання відпрацьованих газів, що володіють антидетонаційними властивостями, в робочу суміш дозволить, для бензинових двигунів, або підвищити загальний коефіцієнт стиснення, або використовувати паливо зі зниженим октановим числом.
5. Підвищення тиску, а значить і температури відпрацьованих газів у вихідному тракті дозволить поліпшити роботу каталізаторів і пристроїв допалу сажі.
6. Поліпшення умов запалення робочої суміші в режимах часткових навантажень і холостого ходу за рахунок створення в районі зони спалаху складу паливоповітряної суміші, близького до оптимального для згоряння (стехиометрическому).
Розглядаючи перспективність впровадження запропонованої технології, слід звернути увагу на те, що практично у будь-якого стандартного ДВС може бути реалізований такий режим роботи з мінімальними витратами і переробками (всього лише один зворотний клапан на циліндр і пристрій зміни тиску). Впровадження цієї технології для великого міста, наприклад Москви, при повсюдному використанні і зниженні шкідливих викидів на 50% (за найскромнішими оцінками) рівносильно заміні половини автомобілів на автомобілі з нульовим викидом. Причому завдяки зниженню витрати палива ці пристрої можуть окупитися протягом 2 років.