Способы повышения экономичности ДВС
С момента изобретения более ста лет назад двигателя внутреннего сгорания (ДВС) предпринимались многочисленные попытки повышения его экономичности 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 ненадёжности, тем более, об экологии тогда никто ещё серьёзно 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 потеряет возможность, через систему охлаждения, отдавать воде своё тепло. Получающая это тепло вода, превращаясь во время кипения или испарения в пар, при обычном атмосферном давлении увеличивается в своём объёме 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 (КПД) 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 заявила компания BMW
2. На многих спортивных автомобилях, использующих турбо наддув, вода распыляется в сжатом компрессором воздухе для охлаждения этого воздуха, вместе с которым она затем попадает 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 объёма и, наоборот, при сжатии, особенно резком, температура газа возрастает. В этом легко убедиться, накачивая камеру колеса велосипеда ручным насосом, который при этом заметно нагревается или если очень резким ударом протолкнуть плотную пробку в пробирку, то помещённая внутри вата загорается от нагрева, вызванного сильным сжатием воздуха. Чтобы в цилиндры двигателя с меньшими затратами энергии поместилось больше сжатого воздуха, этот воздух охлаждается распылением в нём (не подогретой) воды, которая имеет очень высокую теплоёмкость. 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 в себя водяные пары, может привести к остановке двигателя.
3. Специально подогретая вода впрыскивается (распыляется) непосредственно в цилиндры инжекторного двигателя. От контакта с горящим топливом, раскалённым 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, чьё очень высокое давление затрудняет процесс искрообразования. Расширяющийся в цилиндре пар для экологии значительно безопаснее, чем сжатый воздух, содержащий в себе до 80% азота, из которого, при высокой температуре (и давлении) образуются губительные для природы его 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 раскалённых 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 здесь цилиндры охлаждаются водой не столько снаружи, сколько изнутри. К сожалению, по причине очень сложной настройки, недостаточной её надёжности и сравнительной дороговизны, моторы с впрыском (инъекцией) воды распространение получили только в авиации, автоспорте и любительских авто- самоделках (в последнем случае не всегда оправдывают себя). Но достижения современной науки и техники, особенно электроники, позволяют надеяться на большую эффективность моторов с впрыском воды. Именно электроника должна регулировать точное дозирование инжектируемой в цилиндры воды, и её 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.
Давление, p (атм.) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 … x<
Температура кипения воды, t(С) - 100 119 132 141 150 157 163 168 173 178 182 … 430
Разумеется, при давлении в цилиндрах порой более 500 атмосфер, температура кипения воды будет значительно выше, но уже при температуре выше ~ 430 С* весь объём воды принимает газообразное состояние независимо от дальнейшего повышения давления. Предварительный подогрев воды необходим для улучшения процесса парообразования, - чем больше воды вскипит в цилиндрах работающих ДВС, тем больше сэкономится топлива и сохранится природа на нашей планете. 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 надёжности должен, независимо от режима работы ДВС, быстро и точно изменять свою производительность и давление подаваемой им воды. Давление воды в охлаждающей водяной рубашке электроникой регулировать желательно в каждом такте работы двигателя, так как сильно нагретые цилиндры (особенно из сплавов лёгких металлов) становятся мягкими и под большим давлением деформируются, образуя либо нежелательные зазоры между поршнями и цилиндрами, либо недопустимые выпуклости, препятствующие движению поршней. Вода должна быть хорошо очищена, иначе накипь быстро закупорит тонкие форсунки. Чтобы за очень короткое время одного такта двигателя (1/250 долю секунды) вода успела полностью вскипеть ещё в цилиндре, её распылять в нём необходимо очень мелкими капельками через множество очень маленьких отверстий (диаметром около 0,1 мм), под большим давлением. Впрочем, допустимо, чтобы какая-то часть воды переходила в пар уже после выхода её из цилиндра с горячими отработавшими газами в выпускной трубе. Тогда удастся снизить температуру и шум выбрасываемых автомобилями газов, а увеличенный от образовавшегося или перегретого пара их объём позволит эффективно вращать электрическую турбину, установленную внутри этой же трубы. Таким же, как и воду, способом, следует максимально подогревать и топливо, поступающее в цилиндры двигателя. Тогда, нагревшись, оно станет менее вязким, легче походить будет через очень узкие проходы форсунок, тоньше распыляться, лучше смешиваться с воздухом, воспламеняться и полнее сгорать, что, кроме экономии топлива, позволит снизить электрическое напряжение на свечах зажигания и этим продлить срок их жизни. Известно, что при сильных холодах, порядка минус 90 градусов по Цельсию (на станции Восток в Антарктиде), даже авиационный бензин не горит и практически не испаряется. Что касается воздуха, участвующего в горении, то его предварительно не подогревать а, наоборот, желательно охлаждать, так как он – газ, а значит, в отличие от жидкостей и твёрдых тел, при нагревании очень сильно увеличивает (здесь преждевременно) свой объём. Впрыскиваемая вода и образующийся из неё пар может создавать нужную температуру, давление, скорость и даже форму распространения пламени в цилиндре, и этим предотвращать взрывные явления (детонацию), что позволит без вреда для двигателя, создавать ещё большее давление горящей топливовоздушной смеси или (и) использовать более дешёвый низко октановый бензин. При высокой влажности воздуха (в дождливую погоду) ДВС работают мягче, спокойней, по крайней мере, по внешним ощущениям. Зимой воду нужно подогревать и хранить в термосе или в бачке из теплоизолирующих полимеров или керамики, или разбавлять её спиртом. Чтобы избежать ржавчины в неработающем моторе, электроника отключает впрыск воды за несколько мгновений перед остановкой двигателя. Применяемые на инжекторных двигателях датчики кислорода (лямбда – зонды) могут с высокой точностью следить за содержанием кислорода в воздухе с учётом зимних температур, колебаний атмосферного давления, чередований высокой влажности воздуха с засушливой погодой и загазованностью. Параметры водо-воздушного аэрозоля можно регулировать также добавкой небольшого количества спирта (этанола) или ацетона, уровень детонации и скорость горения которых несколько ниже, чем у бензина, что позволяет сгладить резкий пик выделившейся энергии. Но важнейший для работы мотора процесс горения топлива нельзя заглушать полностью. Наоборот, его необходимо всячески активизировать. Для этого важно каким-то образом повысить процентное содержание кислорода в поступающем в цилиндр воздухе, или соответственно уменьшить присутствие в нём азота, который не только не поддерживает горение, но подобно используемым в тушении пожаров воде, песку или углекислому газу, сильно препятствует этому горению. К примеру, едва тлеющая лучина, вносимая в пробирку с чистым кислородом, мгновенно вспыхивает ярким пламенем. Баллонами с чистым кислородом снабжаются даже ракеты, несмотря на существенное утяжеление их конструкций. Автомобили пока не оснащаются ёмкостями с чистым кислородом или устройствами для выделения из воздуха чистого кислорода. Для этой цели современная промышленность, с немалыми затратами энергии, использует громоздкие каскады холодильников и испарителей, которыми невозможно оборудовать обычный автомобиль. Мембранные молекулярные фильтры и нанотехнологии не обладают пока достаточной продуктивностью и надёжностью. Влага, пыль и химически активные аэрозоли сильно затрудняют их работу. Лучше содержание кислорода в воздушной массе увеличивать с помощью быстро вращающейся центрифуги, где сравнительно более тяжелые молекулы кислорода (молекулярный вес - 32) будут собою вытеснять более лёгкие частицы азота (м.в. - 28 ). Конечно, чистый кислород таким способом не получить. Но если в поступающем в цилиндр воздухе сократить количество азота хотя бы в два раза - с 79% до 40%, то количество кислорода в нём увеличится уже почти в три раза - с 21% до 60%, а выделяющаяся в горении энергия возрастёт ещё больше - в 5-7 раз! При столь интенсивном горении горючее сгорать будет уже полностью, и обязательные (но недешёвые) автомобильные нейтрализаторы и сажевые фильтры, отнимающие у двигателя часть его мощности (и топлива) для дожигания впустую ядовитых остатков несгоревшего топлива, сажи (углерода), угарного газа и, при некачественном горючем, сероводорода, станут уже не нужными. Сокращение азота в поступающем в цилиндры воздухе, приведёт к снижению массы выбрасываемых автомобилями окислов азота, вызывающих кислотные дожди, губительные для всего живого на земле, повреждающие архитектурные памятники, различные сооружения, в том числе лакокрасочные покрытия кузовов самих же автомобилей. Молекулы азота и кислорода можно разделять и по степени их намагниченности, предварительно их ионизировав. Намагничивать при низких температурах и ионизировать при высоких можно топливо, воздух, инжектируемую воду, и затем продукты сгорания. Расположенными вокруг цилиндра катушками индуктивности, защищёнными термостойкой керамикой, можно попытаться придать нужную форму горючей смеси (компактно сгруппировать её в центре, равномерно распределить её же по всему объёму цилиндра, или же сместить ее, например, поближе к искре свечи) и скорость её сжигания, повысив которую - увеличить мощность двигателя, либо понизив – избежать детонации. Эту детонацию хорошо бы использовать, так как скорость распространения пламени при взрыве, по сравнению с регулируемым (ограниченным) горением, в 5 – 20 и более раз выше, в зависимости от степени сжатия и других условий. Разумеется, прочность двигателя должна соответствовать предложенным нагрузкам, и всесторонне продуман алгоритм управления этим «взрывомотором». С целью уменьшения нежелательных последствий от резких ударов рабочего газа, верхнюю часть поршня или его сочленения с шатуном (палец) лучше слегка подпружинить, а топливо вводить в цилиндр несколькими маленькими порциями, на протяжении всего такта воспламенения. Подверженные сильнейшему излучению от пламени, поршни и цилиндры могли бы изготавливаться не только из сплавов железа или более лёгких по весу алюминия и магния, но и керамики, а ещё лучше – из монокристаллического (полупроводникового) кремния или германия, которые в солнечных батареях вырабатывают электроэнергию. Она, через электродвигатель, помогала бы поршням вращать коленвал мотора. Самые смелые предложения в этом направлении появились ещё лет 20 назад. Они касаются того, чтобы заменить кремний, обладающий в фотоэлектрических батареях односторонней электропроводимостью, таким же (четырёхвалентным) одно-кристаллическим углеродом, т. е. твердейшим и жаростойким искусственным алмазом, из которого попытаться делать «вечные» поршни, цилиндры, сопла турбин реактивных самолётов или хотя бы их поверхности. Получать на автомобилях электричество можно и термоэлектрическими элементами Пельтье. Обсуждая варианты экологичных двигателей, нельзя не упомянуть водородные и гибридные автомобильные силовые установки, которые так же нуждаются во всестороннем усовершенствовании. Последние электроэнергию могли бы вырабатывать и накапливать не только отбирая часть мощности от ДВС или благодаря силе инерции движущегося автомобиля (во время торможения электрогенератором), но и за счёт хода амортизаторов всех колёс на неровностях дороги. Может использоваться даже вибрация работающего мотора, которому уже не потребуется устанавливать на коленчатом валу утяжеляющие мотор балансиры, уравновешивающие паразитную инерцию поршней и шатунов. Развитие любой техники идёт путём неуклонного её усложнения, и, несмотря на возросшую себестоимость, оно всегда, прямо или косвенно, окупает себя. С целью уменьшения потерь на преодоление трения и инерции холостого хода поршней, некоторые фирмы, с помощью турбонаддува, все четыре такта инжекторного ДВС производят всего за один оборот коленвала. Здесь, в начале обратного хода поршня через выпускной клапан удаляются отработавшие газы, а турбонаддув производит вентиляцию охлаждение изнутри цилиндра простым воздухом. В середине обратного хода поршня выпускной клапан закрывается, затем прекращается турбонаддув и происходит впрыск топлива и его поджигание. Иногда, на подводных лодках и в далёком космосе, в шахтах и тоннелях, на мощных электростанциях и в комнатных условиях, используются экологичные двигатели Стирлинга, изобретённые аж в 1817 (!) году. У них, в абсолютно замкнутом пространстве под большим давлением (200-500 атмосфер) инертный газ (гелий) нагревается от печки с внешним подводом тепла (расширяется), а с другой стороны цилиндра, уже в особом холодильнике, он же охлаждается, т. е. уменьшает свой объём. Возникающая разница давления, над поршнем, и под ним, толкает этот поршень - затем в работу вступают другие цилиндры или запасённая энергия вращающегося маховика. Вместо поршней могут работать и турбины. «Стирлинг» может работать на любом топливе: твёрдом, жидком, газообразном, от энергии Солнца, атомного реактора и, вообще, от любых источников тепла, даже не связанных с горением. Благодаря высочайшему максимальному крутящему моменту на низких оборотах «Стирлинг» способен преодолевать значительные перегрузки, и при этом, в отличие от обычных моторов, он не глохнет, и позволяет обойтись даже без коробки передач или вариатора. Сравнительная мощность, КПД, экономичность, нетребовательность к топливу и смазке, неприхотливость и простота обслуживания, универсальность применения, бесшумность, лёгкий запуск в холодное время года, долговечность, малый удельный вес и компактность, низкая себестоимость, надёжность и многие другие параметры выгодно отличают моторы Стирлинга от традиционных двигателей внутреннего сгорания. Производители серийных автомобилей почти не интересуются обладающими поистине фантастическими характеристиками «Стирлингами» по причине сравнительно медленной их разгонной динамики. Но в той же гибридной силовой установке в паре с электродвигателем (через бесступенчатый вариатор) «Стирлинг» вполне бы мог прижиться на любом автомобиле. Ввиду прогрессирующего роста цен на нефть и неизбежного глобального энергетического и экологического кризиса, есть смысл чаще возвращаться к самым различным способам экономии топлива, пусть несколько подзабытым, но, с привлечением и современных технологий, открывающим многообещающие перспективы.
Безукладников Василий Александрович
ЧТО СКАЖЕТЕ?
