Предыдущий материалК содержанию номераСледующий материалЭкология

 


Роковой ошибке - век


Юрий Свиридов,
 главный научный сотрудник
С.-Петербургского ГТУ,
профессор, д.т.н.


Проблема экологической безопасности приобрела в наше время исключительную остроту: доля токсичных веществ, выбрасываемых автотранспортом, превысила 60 % всех выбросов промышленности. Между тем поршневой двигатель, как наиболее экономичный и динамичный, незаменим. В течение последних 35 лет решение проблемы основывалось на каталитической нейтрализации выхлопных газов посредством доокисления оксидов углерода СО и углеводородов СН. При этом произошло "подчинение двигателя требованиям нейтрализатора". В эти же годы освоить в России нейтрализаторы в производстве не позволили экономические и технические трудности, а вследствие этого возникла терпимость к загрязнению атмосферы. Совершенно очевидно, что одномоментно совершить технический скачок, связанный с "поголовным" оснащением автомобильных двигателей нейтрализаторами, в России невозможно, поэтому возник вопрос: что делать?

Продукты неполного окисления углеводородов образуются при горении вследствие неудовлетворительного смешения бензина с воздухом. Поскольку горение в пламени происходит только в газовой фазе при прямом взаимодействии молекул углеводорода и кислорода, жидкие частицы бензина, которые в большом количестве поступают в двигатель, не участвуют в процессе горения, а лишь порождают сажу, смолы и канцерогены. Несовершенство смесеобразования особенно проявляется на городских режимах - холостом ходу, малых нагрузках и переходных режимах, при пуске и прогреве. Именно эти режимы нормируются по токсичности и расходу топлива. Несмотря на значительные конструкционные и технологические усовершенствования двигателей, сложилось общее мнение, что устранить токсичность отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в принципе невозможно.
Достигнутый технический прогресс по нейтрализации выхлопа позволил решить экологические проблемы XX века. Но... только ХХ, ибо принцип "лечить следствие, а не причину", т.е. неумелую организацию смесеобразования в двигателе, непродуктивен. Для "ДВС-XXI" единственно правильной концепцией является рациональная организация теплового цикла с предотвращением зарождения в камере сгорания продуктов неполного окисления, хотя до последнего времени весь мир отрицал такую возможность. Трудность решения этой задачи связана с тем, что для теплового процесса ДВС характерны две особенности:

  • циклический, в принципе неустановившийся, характер горения;
  • резко переменные режимы работы.
Природа горения в ДВС на порядок сложнее, чем в стабилизированном факеле. А быстротечность самой "вспышки", да еще в условиях переменных температур, давлений, объемов - дополнительно осложняет исследование крайне динамичного процесса смесеобразования, воспламенения и распространения пламени. Возможно, именно эти сложности существенно ограничили фундаментальные исследования процессов, происходящих в камере сгорания ДВС, и не позволили открыть способ организации экологически чистого горения.
Однако сложившееся положение ставит перед российским автостроением задачу во что бы то ни стало найти доступный, оптимальный и независимый путь решения экологической проблемы путем организации в поршневом двигателе предельно эффективного процесса сгорания бензина. Для этого надо по-новому проанализировать физические основы теплового процесса с учетом специфических условий их протекания в тепловом двигателе. К счастью, именно в России велики и приоритетны достижения теории горения, созданной блестящими исследованиями академика Н.Н. Семенова и его учеников в Институте химической физики. Ими была сформулирована принципиально новая модель турбулентного горения в поршневом двигателе, объясняющая природу явления и его особенности с позиции теории нестационарных физических процессов. Удалось обнаружить, что именно в поршневом двигателе в фазе горения создаются практически оптимальные условия для форсированного распространения огневого фронта с быстрым и своевременным сгоранием, свойственным циклическому процессу и крупномасштабному турбулентному ускорению пламени. Это означает, что в поршневом двигателе есть необходимые и достаточные предпосылки для организации оптимального процесса горения, но при выполнении трех непременных условий:
  1. Горючая смесь должна быть гомогенной, т.е. каждая молекула углеводорода должна быть персонально ''запитана" требуемым количеством молекул кислорода. Для этого необходимо полное испарение бензина.
  2. Горючая смесь должна формироваться с некоторым избытком кислорода (так называемые ''бедные смеси'') с тем, чтобы все молекулы топлива (включая "тяжелые") получили "кислородное обеспечение", достаточное для завершения процесса окисления углеводородов до СО2 и Н2О во фронте пламени.
  3. Процесс распространения пламени в камере сгорания из-за изменения интенсивности турбулентности по циклу должен развиваться в определенной фазе, при которой эта интенсивность максимальна.
Третье условие выполняется посредством электронной оптимизации угла опережения зажигания, компенсирующего изменение задержки формирования пламени так, чтобы фаза основного горения начиналась за 10° до верхней мертвой точки.
Второе условие обеспечивается регулировкой на всех режимах величины топливоподачи на оптимально обедненный состав смеси (стехиометрический коэффициент a ~ 1,25...1,35), соответствующий минимальным значениям удельного расхода топлива и интегральной токсичности выхлопа. В память электронного блока закладывается программа изменения длительности впрыска в зависимости от частоты вращения и нагрузки.
Первое из указанных условий требует дозированного подвода теплоты к молекулам всех углеводородов с тем, чтобы из них образовался газ. При этом не допускается химическая деструкция. Такой процесс требует "насыщения" бензина теплотой, равной приблизительно 140 ккал/кг, которая составляет ~ 1 % теплоты сгорания в двигателе, или ~ 3 % теплоты отработавших газов в выхлопном коллекторе. Только целенаправленный теплоподвод с обеспечением выкипания каждого углеводорода может стать базой для обеспечения 100-процентного и "квазимгновенного" испарения.
Между тем в бензиновых двигателях это правило полностью игнорируется в течение всего XX века: топливо распыляется в холодном воздушном потоке. При этом предполагается, что бензин испарится "сам по себе" и как-то насытит своими парами всасываемый воздух. Этот принцип "на авось" странен. Ибо, во-первых, температуры бензина и воздуха близки, и, во-вторых, они далеки от температур кипения всех фракций бензина, при которых последние выкипают интенсивно и полностью. Кроме того, плотность воздуха приблизительно в 1000 раз меньше плотности бензина, теплосодержание воздуха мало, да и теплообмен не эффективен, даже в турбулентной среде. Поэтому воздух просто неспособен снабдить частицы бензина необходимой теплотой. Нагрев всасываемого воздуха мало изменяет ситуацию. Нагрев же стенок всасывающего коллектора при распылении бензина в потоке влияет только на сконденсировавшуюся на стенках "лужу". Так что распыление бензина в воздухе - худший принцип смесеобразования.
Такой процесс "лжесмесеобразования" (по существу за счет собственной энтальпии, т.е. с переохлаждением остатков капель), господствует в ДВС весь XX век! Эта же картина сохраняется и в двигателях с системами впрыска бензина.
Таким образом, из трех обязательных условий экологически чистого и высокоэкономичного горения в ДВС одно из них - гомогенизация заряда - никак не выполняется, и в двигатель поступает двухфазная смесь со случайным соотношением жидкой и газовой фаз. Эффективный же тепловой процесс наступает только при 100-процентном испарении бензина! Известно, что двухфазный поток (так называемая область Ван-дер-Ваальса) распространяется от жидких частиц в паровой среде до паровых пузырьков в жидкости. В супердинамичных условиях поршневого двигателя состояние двухфазной смеси не поддается оценке, что не позволяет прогнозировать качество смешения. Тем более, что жидкие частицы движутся в потоке по иным законам, нежели воздушно-паровой поток, из-за чего характеристики процессов поступления в цилиндры воздуха и бензина резко различны, особенно в динамике. В результате в цилиндрах сильно возрастает разброс смеси по составу, что приводит к нарушению условий поджигания смеси и даже срыву рабочего процесса. Жидкая частица гореть эффективно не может (только с поверхности и крайне медленно, в диффузионном режиме) и, попадая в пламя, она претерпевает термическую молекулярную деструкцию ("процесс коксования без доступа воздуха") с образованием сажи, смолистых и канцерогенных веществ, практически без тепловыделения. Наличие в камерах сгорания двигателей жидких частиц является главной причиной возникновения самых токсичных тяжелых углеводородов, концентрация которых из-за трудностей измерения пока не нормируется.
В гомогенной же смеси токсичность продуктов сгорания возможна только на переобогащенных топливом смесях (a < 1) из-за дефицита кислорода. В этом случае реакция цепного окисления тяжелых молекул СH задерживается на оксиде углерода СО или на ряде недоокисленных углеводородов СН. По мере обогащения смеси возрастает дефицит О2, так что теоретически при a = 0,8 в продуктах сгорания содержится около 6 % СО, а выбросы СН характеризуются значением 300 ррm. Сгорание обедненной смеси характеризуется исчезновением выбросов СО и уменьшением выбросов NОX (относительно максимального значения при a = 1,05). Обедненные смеси имеют лучшие термодинамические свойства рабочего тела вследствие большего содержания двухатомных газов О2 и N2 в продуктах сгорания. Можно ожидать, что в гомогенной смеси обеднение на 25:35 % будет оптимальным и по интегральной токсичности, и по удельному расходу топлива. Поддержание молекулярной смеси в пределах a = 1,25:1,35 на всех нагрузках (кроме полной) решает экологическую проблему автомобильных двигателей.
Единственной проблемой создания "экологичного ДВС" является разработка технологии формирования гомогенной смеси в процессе всасывания и полного устранения жидких частиц. В частности, необходимо обеспечить требуемые температурные характеристики теплопотока к жидкому бензину и не допустить молекулярную деструкцию бензина. В то же время процессы испарения и смешения должны быть сверхбыстрыми, укладывающимися по времени в длительность рабочего цикла. Только выполнение этих условий позволит двигателю работать при оптимальном смесеобразовании даже на переходных режимах.
В Санкт-Петербургском государственном техническом университете (СПГТУ) удалось решить весьма сложную, трудно поддававшуюся пониманию проблему "теплого смесеобразования в ДВС" с образованием идеального рабочего тела - "бензогаза". В основе нового физического процесса лежат явления микропленочного тепломассообмена и молекулярно-диффузионного кипения сложных жидкостей (именуемое "С-процесс ДВС"), когда одновременно испаряются все фракции бензина. Это фундаментальное физическое явление удалось использовать в конструкции "Устройство молекулярного смесеобразования ДВС". В этих "генераторах гомогенного бензогаза" бензин непрерывно испаряется в режиме кипения всех фракций, при этом всасываемый воздух насыщается их сухими парами в газовой фазе, а возможные жидкие частицы полностью "отлавливаются". Образовавшийся однородный сухой бензогаз тотчас же поступает в цилиндры двигателя. Он не конденсируется, а равномерно распределяется по цилиндрам, эффективно воспламеняется искрой и своевременно сгорает, сохраняя чистоту свечей, масла, зеркала цилиндров и поверхностей камеры сгорания. При этом уменьшается теплоотдача в воду. Иначе говоря, перевод двигателя на питание бензогазом позволяет устранить основные проблемы ДВС, предельно снизить расход топлива и токсичность выхлопа в результате своевременного, быстрого, полного горения. Длительные опыты с двигателями, работающими на бензогазе, подтвердили теоретические положения молекулярного смесеобразования, реальность осуществления надежного питания двигателя бензогазом и максимальную эффективность нового теплового цикла "С-процесс ДВС".

В интересах практической проверки выдвинутой идеи в СПГТУ создан экспериментальный образец двигателя с идеальным рабочим телом - бензогазом, использующий теплоту выхлопных газов для испарения бензина, серийную систему питания и электронную оптимизацию на обедненный состав смеси (на a ~ 1,25:1,35). Бензин от подкачивающего насоса поступает в испарительное устройство через электромагнитный дозатор, управляемый электронным блоком, и смешивается в парообразном состоянии с воздухом, поступившим через дроссельный патрубок. Поскольку образуемая смесь гомогенна и не конденсируется, то двигатель четко управляется по алгоритму, заложенному в память электронного блока. Оптимальный состав смеси поддерживается не только на стационарных, но и на переходных режимах вследствие квазимгновенного смесеобразования при "С-процессе". Поэтому отпадет потребность в таком устройстве, как ускорительный насос. На нагрузках свыше 30 % Nemax к бензогазогенератору подключается карбюратор с сохраненными характеристиками дозирования.
Опыты показали, что без каких-либо изменений в конструкции двигателя достигается рабочий цикл с быстрым, полным и своевременным сгоранием, приближающийся к термодинамическому циклу Отто. Создано несколько устройств, в т.ч. для режимов "пуск-прогрев" и "пуск-прогрев-холостой ход" для малолитражных и среднелитражных двигателей.
Завершение создания "ДВС-С-ХXI" в России для отечественных двигателей возможно уже в самом начале следующего века, поскольку реализация "С-процесса ДВС" не потребует больших инвестиций, сложных технологий и дефицитных материалов.