Улучшение экологических показателей автомобильных двигателей.

Сегодня автомобильные конструкторы стремятся решить две основные проблемы автомобильного транспорта уменьшение  вредных выбросов и экономия топлива. При этом основные работы направлены на улучшение рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания (ДВС) путем организации оптимального процесса смесеобразования рабочей смеси.
В связи с этим очень интересна конструкция двухтактных двигателей спортбайков и машин типа "эндуро". Во впускном тракте такого двигателя установлен обратный клапан лепесткового типа, препятствующий обратному выбросу рабочей смеси.
Это простое и эффективное устройство позволяет расширить рабочий диапазон двигателя и повысить кпд. Кроме обратного клапана лепесткового типа на впуске, появилась еще и специальная заслонка - так называемый мощностной клапан - на выпуске. Дело в том, что для двухтактного двигателя чрезвычайно важна настройка впускной и выпускной систем. Это связано с продувкой цилиндра, во время которой часть топливно-воздушной смеси вылетает в выпускную систему. Смесь удается вернуть в камеру сгорания, используя волновые процессы, за счет создания на начало такта впуска высокого давления  в выпускной системе. Однако это происходит лишь в определенном диапазоне оборотов. Мощностной клапан, перекрывая часть проходного сечения выпускного патрубка, меняет сопротивление выпускной системы и тем самым ее настройку, расширяя диапазон наиболее эффективной работы двигателя. Такие системы появились в начале 80-х годов на двухтактных моторах кроссовых и гоночных мотоциклов.
 Рассмотрим термодинамический цикл такого двигателя, на примере обычного двигателя.

Рис.1
Термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объеме состоит из следующих процессов (см. рис. 1):
1-2 - изохорический подвод теплоты при сгорании топлива в цилиндре двигателя;
2-3 - адиабатическое расширение рабочего тела;
3-4 - изохорический отвод теплоты при выбросе отработанного газа в атмосферу;
4-1 - адиабатическое сжатие рабочего тела.
Подвод теплоты производится при постоянном объеме V1, а отвод - при объеме V2 = eV1. Считается, что рабочее тело можно рассматривать как идеальный газ с показателем адиабаты, равным g.
 В соответствии с выражениями
Cтела = дQ/dT, дQ = dU, U = CnT/m
где Cтела  - коэффициент пропорциональности между количеством теплоты дQ, сообщаемом телу, и изменением его температуры dT, называемым теплоёмкостью, dU,  - изменение  внутренней энергии тела.
Подведенная Q1 и отведенная Q'2 в изохорических процессах 1-2 и 3-4 теплота может быть определена по формулам:
Q1 = Cn(T2 - T1)M/m
Q'2 = Cn(T3 - T4)M/m
где: M - масса рабочего тела,
       m  -  молярная масса,
         Cn - молярная теплоемкость при постоянном объеме,
         T - температура.
Тогда на основании выражения
h = A/Q1 = (Q1 - Q'2)/Q1, (где A полезная  работа, совершаемая  тепловым двигателем)
имеем коэффициент полезного действия двигателя:
h = (Cn(T2 - T1)M/m - Cn(T3 - T4)M/m)/Cn(T2 - T1)M/m = ((T2 - T1) - (T3 - T4))/(T2 - T1)
Использование формулы TVg-1 = const  для адиабатических процессов 2-3 и 4-1 позволяет получить следующие соотношения:
T3/ T2 = (V1/V2)g-1 = e1-g ,
T4/ T1 = (V1/V2)g-1 = e1-g
Подстановка полученных из этих формул выражений для температур T3 и T4 в выражение для кпд дает
h = 1 -  e1-g .
Таким образом,  двигателя внутреннего сгорания зависит от отношения объемов рабочего тела, которое называется степенью сжатия, и является одной из основных характеристик  двигателя.
Однако, рассматривая работу реального двигателя, можно заметить, что в такте выпуска в цилиндре остается часть горячих  отработанных газов. В двигателе с обратным клапаном картина резко меняется. Обратный клапан не допускает попадание горячих отработанных газов во входной тракт, а значит позволяет использовать их теплоту в рабочем процессе. Это особенно заметно  для режима частичных нагрузок, когда наполнение топливно-воздушной смесью цилиндра неполное.
При учете теплоты горячих отработанных газов, оставшихся в цилиндре от предыдущих циклов, в термодинамическом цикле получаем следующее уравнение
h = A/Q1 = (Q1 - Q'2 + DQ'2)/Q1,
где DQ'2 - количество теплоты горячих отработанных газов, оставшихся в цилиндре
DQ'2 = Cn(T2 - T1)MDVPвых/mV2Pвх
где DV и  Pвых объем и давление отработанных газов, оставшихся в цилиндре на момент закрытия выходного клапана, Pвх давление в начале сжатия рабочего тела, когда объем рабочего тела V2.
Таким образом,  h рассматриваемого двигателя внутреннего сгорания больше, чем у обычного двигателя и зависит еще и от количества горячих отработанных газов,  оставшихся в цилиндре от предыдущих циклов.
Добавлять отработанные газы в цилиндр лучше в тех режимах, где не требуется полного наполнения цилиндра  воздухом или топливно-воздушной смесью, то есть в режимах частичных нагрузок и холостого хода.
В связи с эти напрашивается новое техническое решение -  регулировать объем топливно-воздушной смеси и (или) воздуха в камере сгорания, а значит и режим работы двигателя,  за счет  изменения количества  отработанных газов, оставшихся в камере сгорания, при регулировании давления    отработанных газов в такте выпуска. Это позволяет не менять соотношение бензина и чистого воздуха в зависимости от режима работы.
Если обеспечить это соотношение 1:14,7, то есть  оптимальное для сгорания (стехиометрическое), можно уменьшить вредные выбросы и снизить расход топлива. Кроме того, отсутствие дросселирования  на входе уменьшает насосные потери.

Рис. 2
Оптимальным способом  является  повышение  давления Pвых  в системе отвода отработанных газов на момент закрытия выходного клапана при увеличении угла закрытия выпускного клапана на всех режимах работы ДВС. Это объясняется тем, что при этом увеличивается перекрытие клапанов, а значит наполнение цилиндра топливно-воздушной смесью в режимах  полной мощности и высоких оборотов, когда впускной и выпускной клапан одновременно открыты и разрежение, которое создается в выпускном коллекторе "подхватывает" свежую смесь в цилиндр, улучшая его наполнение. В обычном двигателе перекрытие клапанов не делают большим, так как   в режиме частичных нагрузок и холостого хода отработанные газы в большом  количестве поступают во входной тракт и  ухудшают параметры двигателя. В  предлагаемом способе этого не происходит, так как обратный клапан не позволяет отработанным газам  поступать во входной тракт.
Осуществить предлагаемый способ  работы ДВС возможно с помощью различных  хорошо известных в технической литературе устройств изменения давления: мощностного клапана, дроссельной заслонки, различных типов нагнетателей,  резонаторов и устройств  сдвига фаз открытия  и  закрытия впускных и выпускных клапанов.
Рассмотрим работу предлагаемого ДВС на примере четырехтактного двигателя с одним устройством изменения давления в системе отвода отработанных газов, обратным клапаном во впускном тракте и устройством подачи топливно-воздушной смеси, например карбюратором.
В режимах полной нагрузки ДВС работает также как и при обычном способе работы.
В режимах холостого хода и частичных нагрузок  ДВС работает следующим образом:
1. Такт  впуска. В начале такта впуска за счет более высокого давления от-работанные газы, оставшиеся в цилиндре  от предыдущего цикла, действуют на обратный клапан, который препятствует выходу их из цилиндра.
В цилиндре  ДВС при инерционном перемещении поршня  давление падает и, при уменьшении его до давления на впуске,  заряд  топливно-воздушной смеси из карбюратора через систему газораспределения  поступает  в цилиндр.
При этом необходимо обратить внимание на то, что заряд топливно-воздушной смеси попадает в верхнюю часть цилиндра, под свечой, и перемешивается с отработанными газами меньше, чем в обычном режиме, когда отработанные газы поступают во входной тракт  системы газораспределения.  Это позволяет создать в области воспламенения большую концентрацию топливно-воздушной смеси.
2. Такт сжатия. После заполнения цилиндра  топливно-воздушной смесью с отработанными газами происходит сжатие этой рабочей смеси поршнем. По мере уменьшения объема температура и давление смеси повышаются.
3. Такт  расширения  или  рабочий  ход.  Рабочая смесь, воспламеняется системой зажигания,  вследствие  чего  температура  и давление образующихся газов резко возрастает. При расширении газы совершают полезную работу, перемещая поршень.
4. Такт выпуска. Продукты  сгорания  выталкиваются  из цилиндра  в атмосферу через систему газораспределения  и  систему отвода отработанных газов, при этом часть отработанных газов остается в цилиндре. Количество оставшихся в цилиндре отработанных газов прямо пропорционально надпоршневому объему и давлению в системе отвода отработанных газов в момент закрытия выпускного клапана. Изменяя, с помощью устройства изменения давления   давление отработанных газов на момент закрытия выпускного клапана можно  изменять  их количество, оставшихся в цилиндре  ДВС.

Рис. 3
Таким образом,  изменяя с помощью устройства изменения   давления  давление отработанных газов, можно  изменять  их количество, оставшихся в цилиндре ДВС, а значит и количество топливовоздушной смеси  поступающей в цилиндр. При этом в режимах частичных нагрузок и холостого хода количество отработанных газов, имеющих более высокую температуру, чем воздух, будет максимальным, что позволяет повысить  двигателя в этих режимах, а значит  снизить расход топлива.
При этом необходимо обратить внимание на то, что применение предлагаемого способа работы ДВС актуально только в тех случаях, когда ДВС работает в основном в режимах частичных нагрузок, например, для городского автомобиля.
Техническое решение  иллюстрируется рисунком 3, на котором показаны индикаторные диаграммы предлагаемого способа работы ДВС,  работающего по циклу Отто (пунктирная линия), и обычного способа (сплошная  линия) для режима частичных нагрузок.
    Таким образом, достоинствами предлагаемого способа работы ДВС, по сравнению с обычным, являются:
  1. Снижение вредных выбросов  и экономия топлива, за счет работы во всех режимах на составе топливно-воздушной смеси  близкой к стехиометрической.
  2. Снижение насосных и  тепловых потерь за счет замены части воздуха на  горячие отработанные  газы для ДВС с внутренним смесеобразованием (дизель, впрыск), и за счет добавления   горячих отработанных газов в рабочую смесь для ДВС с внешним смесеобразованием (карбюратор).
  3. Изменение   в зависимости от режима работы  ДВС: в режиме полной мощности – как у обычного двигателя, плавно  возрастает в режимах частичных нагрузок  и достигает максимума в режиме холостого хода.
  4. Повышение давления, а значит и температуры отработанных газов в выходном тракте  в режиме частичных нагрузок ДВС, что  позволит улучшить работу катализаторов и устройств дожига   сажи.
  5. Улучшение условий  воспламенения рабочей смеси в режимах частичных нагрузок  и холостого хода  за счет  создания в районе зоны  воспламенения высокой концентрации топливовоздушной смеси.