Транспорт - важное условие функционирования общественного производства и жизни людей. Пассажиропотоки в городах растут быстрее, чем население городов. Большую долю всего объема транспортных перевозок выполняет промышленный транспорт, в составе которого 30-35% перевозок совершают железные дороги, около 60 % автомобили, а остающиеся 5-10% - трубопроводы, транспортеры, речной и морской флот.
Автомобиль в настоящее время стал, чуть ли не основным средством транспорта для подавляющего большинства человечества. Но он же, к сожалению, и главный глобальный загрязнитель окружающей среды.
Для большинства промышленно развитых стран мира не является секретом тот факт, что для поддержания конкурентоспособности автомобильной промышленности, совершенствования надежности, качества, безопасности автомобилей необходимо участие трех сторон - промышленности, науки и государства. Причем усилия всех участников должны быть объединенными и скоординированными, а не автономными и разрозненными.
Специальные правительственные органы многих промышленно развитых стран проводят всестороннее изучение экологических и других проблем и формулирует систему норм, ограничений, требований и стимулов к производителям и потребителям продукции. Это делается с целью минимизации негативного воздействия на природу. Обеспокоенность мирового сообщества, правительств многих государств темпами технического развития отразились в ряде международных, европейских и национальных документов по обеспечению экологической безопасности и защите окружающей природной среды.
Поэтому большинство ученых и практиков предпринимают срочные меры по снижению токсичности отработавших газов двигателя. И прежде всего — уменьшению количества содержащихся в них моно- и диоксидов углерода, а также оксидов азота и несгоревших углеводородов.
Проблема эта, безусловно, весьма сложная, трудоемкая и дорогостоящая. Уже хотя бы потому, что, во-первых, современные ДВС, как показывает анализ, довольно близки к "потолку" их совершенствования; во-вторых, бурный рост автомобильного парка будет продолжаться, следовательно, речь должна идти не о единицах процентов снижения вредных выбросов отдельно взятым автомобилем, а о разах.
Тем не менее, специалисты, занимающиеся данной проблемой, не считают ее неразрешимой. Более того, они предлагают как минимум четыре направления работ, которые позволят сделать автомобильную энергетику экологически чистой.
Совершенствование ДВС
С момента изобретения более ста лет назад 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 (затраты/кВт энергии). Совершенствование рабочего процесса привело к высокой объемной (массовой) энергоемкости (кВт/кг, кВт/м3). Изыскания многих поколений ученых и инженеров открыли, что у данной конструкции есть неиспользованные резервы для дальнейшего развития и совершенствования конструкции. Например, существенный рост к.п.д. бензиновых двигателей и улучшение экономичности было достигнуто благодаря: переходу на впрыск топлива во впускной трубопровод или непосредственно в цилиндр; использованию наддува.
Так разрабатываются методы повышения к.п.д. существующих ДВС путем создания конструкции регулирования степени сжатия и рабочего объема. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что путем оптимизации степени сжатия и рабочего объема ДВС может быть улучшена эксплуатационная топливная экономичность и обеспечено снижение выброса парниковых газов (СО2) 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. Естественно, чем выше температура сгорания топлива, тем выше давление. Но окиси азота образуются тем охотней, чем выше температура и больше кислорода (то есть воздуха), поступает в камеру сгорания. С точки зрения экологии в ДВС ситуация тупиковая. Много топлива и мало воздуха - низкая мощность, экономичность и много СО. Мало топлива и много воздуха - много окиси азота. Успешный до недавней поры компромисс достигался электронным регулированием соотношения топливо-воздух и применением, так называемого трехходового каталитического нейтрализатора. Тем не менее, уже разработаны камеры сгорания, способные сжигать сверхбедные топливовоздушные смеси. ДВС, имеющие такие камеры, на всех режимах работают практически при идеальных соотношениях топлива и воздуха, 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 последние годы появились в серийном производстве 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, переходу на четырехклапанное газораспределение.
Так же 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 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 турбонаддув, 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. 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 турбонаддув. 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.
Предварительный подогрев воды необходим для улучшения процесса парообразования, - чем больше воды вскипит в цилиндрах работающих ДВС, тем больше экономится 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.
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 современных технологий, открывающих многообещающие перспективы.
