Е.С. Шаньгин, д.т.н., главный специалист по научной работе ЧОУ «Межотраслевой институт» E-mail: shangines25644@mail.ru
Речь, конечно же, пойдёт о двигателе внутреннего сгорания (ДВС), который захватил практически всё городское пространство и нещадно отравляет природу, превратившуюся вследствие этого в окружающую среду, а также всё живое, существующее в этой среде. Специальные исследования состава выхлопных газов автомобильных двигателей обнаружили более двухсот вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу этими объектами. Обнаружено, что более 70% загрязнений воздуха в городах приходится на автомобильные выхлопы. Контроль за токсичностью выхлопных газов установлен на сегодняшний день только по СО (угарному газу), но существует ещё множество веществ, иметь которые в составе атмосферы нежелательно и небезопасно. К ним можно отнести и многочисленные окислы азота, бензапирен, диоксид серы, тяжёлые металлы и другие вещества и соединения, против которых и бороться-то невыгодно в силу их многочисленности и малой концентрации [7].
Неужели компетентные люди не заметили этих угроз? Конечно, заметили, ещё с 20-х годов ХХ в. стали появляться в патентной литературе предложения по усовершенствованию ДВС, снижению его токсичности и повышению его удельной мощности. Соединить эти противоречивые требования по сию пору не удалось.
Здесь следует историческое отступление.
Как известно, ХIХ в. не напрасно называют веком пара. Главной механической тягловой силой в эту эпоху был паровоз. По тяговым характеристикам он и по сию пору остаётся непревзойдённым механизмом, а вот по термодинамическим – слабоват. Хотя надо учесть, что последний паровоз, построенный в 1961 году, имел термический КПД более 11% и мог развивать скорость до 160 км/час. Это уже не те показатели, которые имели детища Уатта и Черепановых (КПД 3%), но их опередили показатели ДВС – КПД бензинового двигателя 25%, дизельного – 36%. Не дело, конечно, – выбрасывать в атмосферу больше половины топлива в виде тепла, а именно этим «грешат» ДВС всех мастей [3, 4], львиная доля энергии сгорания дорогого топлива уходит с выхлопными газами на отопление Вселенной. Не может быть, чтобы такое положение не волновало изобретателей. Конечно, волновало – более века дымят двигатели и сразу же стали появляться изобретения, посвящённые снижению непроизводительных потерь углеводородного топлива в ДВС. Значительная часть их под влиянием успехов в паровозостроении пыталась соединить великолепные механические характеристики паровозов (в них весьма простая трансмиссия, не требующая редукторов и других передаточных механизмов, сочеталась с высоким показателем крутящего момента на малых оборотах с постепенным его снижением по мере увеличения скорости, т.е. такие двигатели обладали практически с постоянной мощностью на всех скоростях) с попытками повысить термический КПД. В результате появились гибридные двигатели, например, двигатель Стирлинга с внешним подводом тепла.
Некоторые из этих попыток воплощались в конструкциях двигателей с турбонаддувом, что повышало мощность на 30%, но существенно снижало ресурс двигателя [1, 4].
Выходом из этого положения может служить предложение объединить термодинамические процессы в цилиндре с паровым процессом (цикл Отто соединить с паровым циклом). Причём, осуществить это можно на любом поршневом двигателе без затрат энергии на дополнительные процессы [6].
Двигатель утилизирует тепло выхлопных газов путём испарения воды и введения перегретого пара в камеру сгорания двигателя. Сгорание топлива в среде инертного газа (водяного пара) позволяет получить ряд новых характеристик двигателя:
- за счёт введения в камеру сгорания дополнительного тепла вместе с водяным паром часть работы расширения рабочего тела производится за счёт использования этого тепла, что снижает потребность в топливе;
- водяной пар повышает плотность среды расширения в камере сгорания, что позволяет более полно использовать тепловой потенциал двигателя и уменьшить требуемое количество топлива;
- температура горения рабочей смеси уменьшается 2 раза (до 800-900°С), что снижает потери тепла в системе охлаждения двигателя;
- уменьшается угар масла (в 4 раза), снижается термическая нагрузка на элементы двигателя;
- токсичность выхлопных газов (по СО) снижается в 8-10 раз;
- снижение потребления топлива – 50-60 %.
Экспериментальные исследования предложенного метода снижения токсичности выхлопных газов с одновременным повышением экономичности двигателя, проведённые на автомобиле ВАЗ-2106, подтвердили его реальность и позволили снизить потребление топлива на 52%, а содержание угарного газа в выхлопных газах уменьшить на 1000% (в 10 раз).
Реализация предложенного и апробированного метода позволит очистить воздух над городами и оздоровить среду обитания людей.
Литература:
- Архангельский В.М. Автомобильные двигатели.–М.: Машиностроение. 2006.
- Вырубов Д.Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания: теория поршневых и комбинированных двигателей. – М.: Машиностроение. 2007.
- Колчин А.И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей.–М.: Высш. шк. 2008.
- Хачиян А.С. Двигатели внутреннего сгорания.–М.: Высш. шк. 2007.
- А.с. SU № 118471, кл. F02B75/32. 1957. / Баландин С.С. Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом.
- Пат. RU № 2033553, кл. F02M25/022. 1995./Шаньгин Е.С. Двигатель внутреннего сгорания.
- Мустафин С.К. Экология мегаполиса Уфа: состояние и перспективы.-Уфа: Альфа-реклама. 2013.