Совершенствование двигателя внутреннего сгорания

С момента изобретения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) предпринимались многочисленные попытки повышения его экономичности и экологичности. У ДВС есть ряд преимуществ перед другими типами силовых установок. К настоящему времени это прежде всего топливная экономичность и возможность удовлетворения международным требованиям по экологии. Отлаженность технологии выпуска ДВС обеспечила их низкую удельную стоимость. Совершенствование рабочего процесса привело к высокой объемной (массовой) энергоемкости.

В результате многолетних исследований ученых и инженеров можно сделать вывод, что у данной конструкции есть неиспользованные резервы для дальнейшего развития и совершенствования конструкции. Например, существенный рост КПД бензиновых двигателей и повышение экономичности были достигнуты благодаря переходу на впрыск топлива во впускной трубопровод или непосредственно в цилиндр и использованию наддува. Разрабатываются методы повышения КПД существующих ДВС путем создания конструкции для регулирования степени сжатия и рабочего объема. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что путем оптимизации степени сжатия и рабочего объема ДВС может быть повышена эксплуатационная топливная экономичность и обеспечено снижение выброса парниковых газов (С0₂) в условиях городского движения от 20 до 40%.

Для двигателя внутреннего сгорания, чтобы получать необходимую механическую энергию для движения автомобиля, необходимо иметь высокое давление в цилиндрах, которое может быть достигнуто за счет повышения температуры сгорания топлива. Но последнее обстоятельство и повышение содержания кислорода в топливной смеси приводят к интенсификации процесса образования окиси азота и увеличению количества вредных выбросов в окружающую среду.

С определенным успехом устранение данного противоречия достигается электронным регулированием соотношения топливо — воздух и применением так называемого трехходового каталитического нейтрализатора. Разработаны камеры сгорания, способные сжигать сверхбедные тонливовоздушные смеси. ДВС, имеющие такие камеры, на всех режимах работают практически при идеальных соотношениях топлива и воздуха и, следовательно, содержат минимальное количество вредных веществ в отработавших газах.

Кроме того, все больше появляется систем, обеспечивающих автоматическое управление подачей топлива в камеру сгорания и его воспламенением, что тоже благоприятно сказывается на экологической чистоте ДВС. В частности, технические данные ДВС могут быть улучшены путем совершенствования электронного управления системами двигателей. Так, в серийном производстве в последние годы появились системы с управляемыми фазами газораспределения, и многие фирмы выпускают двигатели с достаточно эффективными механизмами их регулирования (Honda, Toyota, BMW и др.). Наибольшими функциональными возможностями воздействия на показатели двигателей обладает система с электромагнитным приводом клапанов и электронным управлением, а также переход на четырехклананное газораспределение.

Предпринимались многочисленные попытки повышения экономичности ДВС с использованием процесса парообразования из воды. Особенно активно двигатели с впрыском воды применялись всеми воюющими сторонами во время Второй мировой войны, когда цены на нефть были чрезвычайно высокими. Но затем такие двигатели вышли из употребления по причине своей технологической сложности и ненадежности, тем более об экологии тогда никто еще серьезно не заботился.

Любой двигатель внутреннего сгорания не просто впустую выбрасывает большую часть получаемой им тепловой энергии (70—80%), но, более того, он даже разрушается, если теряет возможность через систему охлаждения отдавать воде свое тепло. Получающая это тепло вода, превращаясь во время кипения или испарения в пар, при обычном атмосферном давлении увеличивается в своем объеме в 1700 раз. Давление образовавшегося пара может помочь рабочему газу приводить в движение поршни или турбины тепловых двигателей и тем давать существенное приращение мощности, максимального крутящего момента и коэффициента полезного действия этих моторов.

Существует три основных варианта использования впрыска воды на ДВС.

• 1. От контакта воды с горячими выхлопными газами происходит процесс парообразования, после чего пар вращает небольшую турбину, которая помогает основному двигателю. О разработке подобной силовой установки для своих автомобилей в ноябре 2005 г. заявила компания BMW.
• 2. На многих спортивных автомобилях, использующих турбонаддув, вода распыляется в сжатом компрессором воздухе, вместе с которым она затем попадает в цилиндры, где и становится паром. Здесь нужно заметить, что любой газ (это относится и к воздуху, и к пару) при понижении своей температуры на один градус при атмосферном давлении уменьшается примерно на 1/270 своего объема и, наоборот, при сжатии, особенно резком, температура газа возрастает.

Для того чтобы в цилиндры двигателя с меньшими затратами энергии поместилось больше сжатого воздуха, этот воздух охлаждается распылением в нем (неподогретой) воды, которая имеет очень высокую теплоемкость. Это распыление осуществляется либо до прохождения сжатого воздуха через интеркулер (дополнительный охлаждающий радиатор), либо после него, но в любом случае даже мельчайшие нагревающиеся капельки воды должны превращаться в пар только внутри цилиндра, иначе польза от этого пара становится ничтожной. Более того, нарушение стехиометрического (оптимального) соотношения количества топлива и воздуха, включающего водяные пары, может привести к остановке двигателя.

3. Специально подогретая вода впрыскивается (распыляется) непосредственно в цилиндры инжекторного двигателя. От контакта с горящим топливом, раскаленным поршнем и цилиндром вода вскипает, и расширяющийся пар помогает рабочим газам приводить поршни в движение. Здесь впрыск воды фактически заменяет собой турбо-наддув. В этом случае уже не будет нарушаться стехиометрическое соотношение количества топлива и чрезвычайно сжатого компрессором воздуха, чье очень высокое давление затрудняет процесс искрообразования. Расширяющийся в цилиндре пар с точки зрения экологии значительно безопаснее, чем сжатый воздух, содержащий до 80% азота, из которого при высокой температуре (и давлении) образуются губительные для природы химические соединения с избыточным кислородом. Кроме того, лишний кислород в сильно сжатом воздухе приводит к нежелательному обгоранию цилиндров, поршней, поршневых колец, клапанов и окислению электрических контактов свечей.

Некоторые автомобилисты уверяют, что даже после многих лет эксплуатации ДВС с впрыском воды внутренности его цилиндров выглядят как новые. Более эффективное непосредственное охлаждение (и смазывание) водой раскаленных и интенсивно трущихся поверхностей цилиндра продлевает жизнь всего мотора. Помимо прибавки мощности и экономии топлива на 15—20% существенно улучшается и охлаждение мотора, так как цилиндры охлаждаются водой не столько снаружи, сколько изнутри.

К сожалению, по причине очень сложной настройки, недостаточной надежности и сравнительной дороговизны двигатели с впрыском (инъекцией) воды распространение получили только в авиации, автоспорте и любительских автосамоделках (хотя в последнем случае и не всегда оправдывают себя). Но достижения современной науки и техники, особенно электроники, позволяют надеяться на большую эффективность двигателей с впрыском воды. Именно электроника должна регулировать точное дозирование инжектируемой в цилиндры воды и ее предварительный подогрев от внешних стенок цилиндра (в водяной рубашке) и от выхлопного патрубка с глушителем каталитическим нейтрализатором и сажевым фильтром, чтобы в момент впрыска температура воды максимально приближалась к своей точке кипения, которая в сжатой газовой среде неизбежно повышается.

Предварительный подогрев воды необходим для улучшения процесса парообразования — чем больше воды вскипит в цилиндрах работающих ДВС, тем больше сэкономится топлива и гем меньше будет нанесено вреда окружающей среде. При избыточном нагреве цилиндра микропроцессор может увеличить подачу в него воды, при этом снизить подачу топлива ровно настолько, чтобы от этой замены при существующей нагрузке ощутимо не изменилась скорость вращения маховика двигателя, установленная водителем на данный момент. В идеале (при хорошей регулировке) мотору с впрыском воды уже не нужен громоздкий радиатор, ухудшающий аэродинамическое сопротивление быстро движущегося автомобиля, а также вентилятор, дополнительно обдувающий двигатель снаружи. В этом случае водяной насос помимо своей надежности должен, независимо от режима работы ДВС, быстро и точно изменять свою производительность и давление подаваемой им воды.

Ввиду прогрессирующего роста цен на нефть и неизбежного глобального энергетического и экологического кризисов есть смысл чаще возвращаться к самым различным способам экономии топлива, пусть несколько подзабытым, но с привлечением современных технологий, открывающих многообещающие перспективы.