УДК 504.3.054
СПОСОБЫ
УМЕНЬШЕНИЯ ВЫБРОСА ДВИГАТЕЛЯМИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ В
АТМОСФЕРУ
Рыжих Н.Е. – к. т. н., доцент
Кубанский государственный аграрный университет
В статье проводится анализ причин образования
токсичных газов и попадания их в атмосферу, предлагаются способы (на базе пяти
изобретений) уменьшения выбросов в окружающую среду углеводородов, оксидов
углерода, азота и других вредных веществ, основанные на усовершенствовании
работы автомобильного двигателя.
В
последние годы в связи с ростом плотности движения автомобилей в городах резко
увеличилось загрязнение атмосферы продуктами сгорания двигателей. Выпускные
газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) состоят в основном из безвредных
продуктов сгорания топлива – углекислого газа и паров воды. Однако в
относительно небольшом количестве в них содержатся вещества, обладающие
токсическим и канцерогенным действием. Это окись углерода, углеводороды
различного химического состава, окислы азота, образующиеся в основном при
высоких температуре и давлении.
При
горении углеводородного топлива происходит образование токсичных веществ,
связанное с условиями горения, составом и состоянием смеси. В двигателях с
принудительным воспламенением концентрация окиси углерода достигает больших
значений из-за недостатка кислорода для полного окисления топлива при их работе
на богатой топливом смеси (при α < 1) [1].
При
движении автомобилей в городе и на дорогах с переменным уклоном и часто
меняющимися скоростями с включенной передачей и открытой дроссельной заслонкой
двигателям приходится около 1/3 путевого времени работать в режиме
принудительного холостого хода [2]. На принудительном холостом ходу двигатель
не отдает а, напротив, поглощает энергию, накопленную автомобилем. При этом
непроизводительно расходуется топливо, усиленное всасывание которого приводит к
наибольшему выбросу токсичных газов СО и СН в атмосферу. По данным
Л.П. Ярмака, в 1995 г. загрязнение воздушного бассейна г. Туапсе
выбросами двигателей автомобильного транспорта составляло более 85 % от
стандарта. На территории бывшего СССР на долю автотранспорта приходится 22 %
выбросов оксида азота, 44 % углеводорода, 60 % оксидов углерода и других
вредных веществ [3, 4].
Избежать
режима принудительного холостого хода при работе двигателя возможно при
использовании в автомобилях устройства, задерживающего выпускной клапан ДВС в
открытом положении (рис. 1)[5].
![](image001.gif) |
Рисунок 1 – Устройство
для отключения выпускного клапана двигателя внутреннего
сгорания |
Устройство
представляет собой декомпрессор, включающийся педалью тормоза и педалью
акселератора. Благодаря этому устройству прекращается тормозное воздействие
двигателя на автомобиль, двигающийся накатом, устраняются подсасывание топлива
в цилиндры двигателя, а следовательно, горение и выбросы вредных веществ в
атмосферу.
Значительный
выброс несгоревшего топлива происходит при торможении автомобиля двигателем,
особенно при длительном, а также на дорогах с уклоном. Если в этот момент не
открывать клапаны, то прекратится подсос топлива и не будет выброса вредных
веществ в атмосферу, а сжатие воздуха (без топлива) в цилиндрах увеличит
тормозной эффект двигателя. Такую работу двигателю обеспечит устройство (рис.
2, 3), разработанное в КубГАУ (заявка № 4192898/06).
![](image002.gif) |
Рисунки 2, 3
– Устройство экономии топлива |
Устранить
детонационное горение и, как следствие, выброс вредных веществ в атмосферу
можно и без применения антидетонаторов. Согласно теории органических перекисей
(Бах А.Н., Семенов Н.Н.) [1, 6], окисление углеводородов происходит через
промежуточное образование перекисей, обладающих большей окислительной
способностью, чем молекулярный кислород. В такте сжатия количество перекисных
соединений увеличивается по мере повышения давления. При принудительном воспламенении
рабочей смеси волна пламени сжимает перекисные соединения, количество которых
возрастает лавинообразно с повышением давления. Когда их концентрация в
несгоревшей части рабочей смеси достигает критических значений, процесс
сгорания приобретает взрывной характер, т. е. возникает явление детонации.
Антидетонаторы,
добавляемые в топливо, увеличивают его детонационную стойкость благодаря тому,
что, взаимодействуя с перекисями углеводородов, разрушают их с прерыванием
цепи образования. При критической концентрации перекисей углеводородов цепь
их образования можно разрушить и механическим способом, не применяя вредных
добавок в топливо. Для этого надо использовать в камерах сгорания выравниватель
давления горения (рис. 4) [7].
![](image003.gif) |
Рисунок 4 –
Выравниватель давления горения двигателя внутреннего
сгорания |
Вышеназванное
устройство представляет собой регулируемый редукционный клапан, установленный в
камере сгорания. Его особенность состоит в том, что избыточное давление
выходит из камеры сгорания и вновь появляется при другом расположении поршня.
Применение
выравнивателя давления горения обеспечивает ДВС мягкую работу с повышенным КПД,
предотвращает выброс в атмосферу свинца и других вредных
веществ-антидетонаторов и, возможно, при ограничении давления горения уменьшает
образование оксидов азота.
Как
отмечено И.С. Белюченко [3], для уменьшения выбросов азота в атмосферу
необходимо, чтобы работа двигателя осуществлялась при пониженных температуре и
давлении. Такой ДВС (принципиальная схема на рисунке 5) разработан в КубГАУ
(заявка № 3220442/06).
![](image004.jpg)
Рисунок 5 – Принципиальная схема роторно-поршневого двигателя с принудительным воспламенением:
1 – цилиндр составной,
ториобразный; 2 – поршни левого и правого роторов
Двигатель
характеризуется низким числом оборотов (до 1000), но большим крутящим моментом,
одновременной работой нескольких поршней, двигающихся только в одну сторону,
большим числом рабочих ходов на один оборот вала (при 8 поршнях – 16 рабочих
ходов). При использовании в качестве топлива водотопливной смеси, несмотря на
ее большую частоту горения, давление и температура в камерах сгорания будут
недостаточны для образования оксидов азота.
Применение
в существующих ДВС влажного воздуха или воды в процессе сгорания топлива
понижает температуру горения и способствует уменьшению концентрации СО и
расхода топлива [1], так как водяные пары, действующие как инертные газы,
препятствуют образованию перекисей [6] и, следовательно, снижают детонацию [7].
Однако
введение в камеру сгорания воды в виде капель, для испарения которой требуется значительное
количество энергии и времени, малоэффективно, а использование перегретого
водяного пара, подаваемого через водоиспаряюшие форсунки [9], в предлагаемом и
в существующих ДВС (рис. 6) должно обеспечить защиту воздушного пространства
от токсичных выбросов выпускных газов.
![](image005.jpg) |
Рисунок 6 –
Устройство для подачи воды в цилиндр двигателя внутреннего
сгорания |
Вывод. Повышение
эффективности работы ДВС и снижение токсичности отработавших газов можно
достичь благодаря работе двигателя на принудительном холостом ходу с открытыми
выпускными клапанами, а при торможении автомобиля двигателем – с закрытыми.
Мягкая
работа двигателя и отсутствие детонации обеспечиваются введением в цилиндры
двигателя перегретого водяного пара. Наличие дополнительной камеры для
повышенного давления увеличит время сохранения давления на поршень,
необходимого для поворота кривошипа и возрастания плеча, и максимально
реализует давление газов.
Существующие
ДВС работают с большим излишним нагревом, способствующим образованию оксидов
азота и снижению КПД. Создание бесшатунных, с постоянным плечом кривошипов ДВС,
работающих с меньшим давлением, нагревом и выделением менее токсичных отработавших
газов, значительно снизит загрязнение атмосферы и повысит их КПД.
Список
литературы
1. Теория
поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина. – М., 1983.
2. Абрамов Н.
Секрет электронной коробочки // Социалистическая индустрия. 1980. 22 января.
3. Белюченко
И.С. Антропогенная экология. – Краснодар: КГАУ, 1995. – 180 с.
4. Ливчак И.Ф.
и др. Охрана окружающей среды. – М., 1995. – 270 с.
5. А. с. №1020601. F 02 M 3/04.
Устройство для отключения выпускного клапана д. в. с. / Н.Е. Рыжих. –
Бюл. № 20, 1983.
6. Ляшко Г.П.
Топливо, смазочные материалы и технические жидкости. – М., 1979. – 212 c.
7. Пат. №
2154173. F 02 B 21/02. Выравниватель давления горения
д. в. с. /
Н.Е. Рыжих. – Бюл. № 22, 2000.
8. Кузнецов
Л.П. и др. Практикум по топливу и смазочным материалам /
Л.П. Кузнецов, М.Л. Кульчев. – М.,
1987. – 162 c.
9. А. с. № 870752. F 02 M 25/02. Устройство
для подачи воды в цилиндр д. в. с. / Н.Е. Рыжих. – Бюл. № 37, 1981.
|