Повышение эффективности двигателя и перспективы его развития

ДВС, пришедший на замену паровой машине, наиболее широко применяется на транспорте, как наземном, так и воздушном, благодаря возможности автономного перемещения экипажа или летательного аппарата на большие расстояния без стационарных баз дозаправки топлива вследствие огромного запаса энергии, заключенной в относительно небольших массе и объеме топлива.

Запасы жидкого углеводородного топлива конечны, несмотря на то, что каждый год открываются их новые месторождения. Поэтому актуальна задача наиболее экономного использования топлива именно в тех условиях, в которых оно наиболее эффективно - на автономных транспортных средствах, прежде всего на воздушном транспорте и автомобилях.

И для летательного аппарата и для автомобиля очень важно отношение собственной массы с запасом топлива к полной массе: чем больше запас топлива, тем меньше полезная нагрузка и больше энергии топлива расходуется на перемещение самого транспортного средства.

В качестве топлива на морском и речном транспорте можно использовать уголь, тем более что КПД современных паровых машин возросло в 2 раза по сравнению с машинами середины XX в. На крупных судах могут с успехом применять ядерные энергетические установки.

Железнодорожный транспорт целесообразно перевести на электрическую энергию, в крайнем случае можно вернуться к паровозам: так как масса парового локомотива даже с запасом топлива и воды составляет 4...5% массы всего состава. Тем более неразумно использовать жидкое углеводородное топливо для стационарных энергетических установок, особенно для крупных электростанций.



Уже много десятилетий ДВС предрекают замену: то в связи с предполагаемым созданием новых энергетических установок, то в связи с исчерпанием запасов топлива. Наверное в будущем сфера применения традиционного ДВС (и поршневого, и турбинного) будет ограничена. На городском транспорте должна быть преобладающей электрическая энергия. Вполне вероятно применение транспорта с аккумуляторными энергетическими агрегатами для перевозок пассажиров и мелких грузов на относительно небольшие расстояния. В малых городах и поселках в качестве средств индивидуального перемещения разумно выбрать велосипеды и веломобили.

ДВС обязан существовать, и в любом случае задача наиболее полного использования энергии топлива остается самой актуальной и в ближайшем и отдаленном будущем при создании ДВС. Наиболее эффективный путь экономии топлива - снижение энергоемкости технологических процессов, будьте вспашка земли, лесоповал или перевозка грузов.

Другой путь - транспортировка грузов. Многие грузы можно перевозить и водным путем, и по железной дороге. Мощность судна на 1 т груза может быть в пределах 0,5... 1 кВт, железнодорожного локомотива - 2...3 кВт, а грузового автомобиля - не менее 4...5 кВт.

Немаловажным является вопрос скорости транспортных средств. Чем выше скорость, тем больше пропускная способность любой дороги, но с ростом скорости увеличивается интервал между автомобилями или составами, необходимый для обеспечения безопасности движения.

Конечно, наибольшую экономию топлива можно получить при полной загрузке автомобиля и сокращении порожних рейсов, так как грузовой автомобиль имеет полезную грузоподъемность, примерно равную или чуть большую его собственной массы. Отсюда следуют два вывода: о рациональности загрузки автомобиля и необходимости иметь целую серию автомобилей различной грузоподъемности для обеспечения рациональной загрузки. Следовательно, серии автомобилей должна соответствовать и серия двигателей разной мощности.



Реальным источником экономии топлива является организация движения, особенно в городах. В технических данных автомобиля обычно приводят сведения о расходе топлива при равномерном движении по шоссе (для легковых автомобилей, например, при скорости 90...120 км/ч) и при движении в городе. В городе автомобиль расходует примерно столько же топлива, сколько при движении по шоссе со стодвадцатикилометровой скоростью. Связано это с частыми разгонами, торможением автомобиля, длительными и частыми стоянками у светофора, когда двигатель работает в режиме холостого хода.

Совершенствование двигателя и трансмиссии экипажей

Для экономичной работы двигателя важно качество смесеобразования. В дизелях это достигается повышением давления при впрыскивании топлива и требуемой степенью турбулизации заряда. В бензиновых ДВС данную задачу решить сложнее из-за внешнего смесеобразования при количественном регулировании мощности. Через дозирующие органы карбюратора и впускной тракт проходит разное количество воздуха. Следовательно, меняется и скорость потока, и условия дробления струйки топлива, вытекающей из распылителя, и испарение капелек топлива. Сделать впускные каналы переменного сечения сложно, поэтому изыскиваются варианты улучшения смесеобразования при постоянном сечении каналов или делаются двойные впускные каналы.

Одно из наиболее доступных решений - улучшение смесеобразования за счет всевозможных завихрителей или распылителей, которые устанавливаются прямо в прокладке между карбюратором и выпускным трубопроводом (рис. 129). Подобные устройства целесообразно устанавливать под первичной камерой двухкамерного карбюратора с последовательным открытием заслонок. Поскольку на частичных нагрузках, когда малы скорости потока смеси и необходимо улучшать смесеобразование, работает только первичная камера. На полных нагрузках скорость потока уже достаточна для удовлетворительного смесеобразования. Кроме того, подобные устройства целесообразно делать так, чтобы раздробить только капли, перемещающиеся вблизи стенки, и не слишком ограничивать проходное сечение канала. Эффективным оказывается и "еж", устанавливаемый на днище приемной 'камеры трубопровода, особенно подогреваемый электрической спиралью или отработавшими газами. Попадающие на еж капельки топлива дробятся об его иголки и хорошо испаряются с их нагретых поверхностей. Вместе с тем он не оказывает большего гидравлического сопротивления и мало влияет на подогрев смеси в целом, так как основной ее поток проходит мимо.





Применяется впускной трубопровод с переменной шероховатостью поверхности. Три четверти поверхности трубопровода гладкие, а одна четверть шероховатая, способствующая возникновению пристенных вихрей, которые обусловливают интенсивный срыв топливной пленки с поверхности канала и ее испарению. При резком нажатии на педаль управления дроссельной заслонкой срабатывает насос ускорения впрыскивающий в поток дополнительную порцию топлива, чтобы кратковременно обогатить смесь. Если в приводе от педали к дроссельной заслонке установить замедлитель, то дозу топлива, впрыскиваемую насосом ускорения, можно существенно уменьшить. Принцип работы замедлителя при управлении дроссельной заслонкой ясен из рис. 130. При резком нажатии на педаль сначала сжимается пружина (штриховая линия), а потом она плавно поворачивает заслонку до полного открытия. Аналогичный эффект получается и при нажатии на педаль подачи топлива. Поток воздуха замедляется плавно и не вызывает излишнего выброса топлива. Устройство удобно не только с точки зрения снижения расхода топлива, но и с точки зрения токсичности - уменьшается выброс несгоревших углеводородов. Недостаток один: необходимо постоянное сопротивление проворачиванию дроссельной заслонки.





Бензиновые двигатели имеют минимальный удельный расход топлива при полностью открытой дроссельной заслонке, если они работают на экономичном составе смеси. Повышение удельного расхода (см. рис. 34) связано с включением клапана-экономайзера и переходом на мощностной состав. Он включается, как правило, задолго до полного открытия дросселя (при 75...80% нагрузки). Гораздо разумнее сделать такой привод дроссельной заслонки, который обеспечивал бы сначала ее полное открытие и только потом, если мощности не достаточно, - включение экономайзера.

Наддув в настоящее время почти повсеместно применяется на дизелях судов, тепловозов, тракторов и грузовых автомобилей и находит все более широкое применение на малолитражных дизелях и бензиновых двигателях легковых автомобилей и даже мотоциклов.

Наддув возможен, либо с помощью нагнетателя, приводимого от коленчатого вала, либо с помощью турбокомпрессора. Приводные нагнетатели (рис. 131, 132), как правило, - сравнительно тихоходные (до 6...10 тыс. мин⁻¹) поршневые, роторно-поршневые или роторные нагнетатели с достаточно высокими коэффициентами подачи в широком диапазоне частот вращения вала, что является их основным преимуществом. Но на их привод затрачивается работа двигателя, равная работе сжатия с учетом КПД нагнетателя. Другим недостатком таких нагнетателей является их большие габаритные размеры и масса. А неизбежные зазоры не позволяют создать высокое давление наддува.







В настоящее время наибольшее распространение получили турбонагнетатели (см. рис. 16), в которых для привода лопаточного компрессора используется энергия выбрасываемых из цилиндра отработавших газов.

В приводном объемном нагнетателе количество подаваемого воздуха пропорционально частоте вращения вала (конечно, с учетом объемного КПД), а характеристика подачи очень близко соответствует расходной характеристике двигателя (рис. 133). Поэтому объемные нагнетатели могут обеспечить примерно одинаковую (небольшую) степень повышения давления в очень широком диапазоне частот вращения вала. Подача турбокомпрессора и степень повышения давления нелинейно связаны с частотой вращения коленчатого вала двигателя. При малых частотах вращения (при малом количестве отработавших газов) подача турбокомпрессора может быть меньше требуемого расхода воздуха, но резко возрастает по мере увеличения частоты вращения вала.





Для получения гарантированного увеличения мощности на 25...40% в зоне низких и средних частот вращения вала разумнее применить отключаемый приводной нагнетатель. Турбонаддув целесообразно использовать при необходимости увеличения мощности в 1,5...2 раза и более в зоне высоких частот вращения вала. Например, для двигателей гоночных автомобилей или для тихоходных дизелей грузовых автомобилей, которые на крейсерских режимах работают при высоких нагрузках и расходах отработавшиьгазов.

Турбонаддув целесообразно применять для дизелей. Повышенное сопротивление выпуску отработавших газов приводит к повышению количества остаточных газов, но дизель работает на обедненных смесях, поэтому данное обстоятельство не существенно влияет на процесс сгорания. В бензиновом ДВС увеличение количества остаточных газов связано с излишним подогревом свежего топливовоздушного заряда и нарушением процесса сгорания - повышается склонность двигателя к детонации. Для ее устранения приходится снижать степень сжатия (невыгодно на частичных нагрузках), уменьшать угол опережения зажигания и переводить процесс сгорания на линию расширения, впрыскивать воду, а следовательно, неизбежно значительное увеличение расхода топлива. Применение турбонаддува не очень целесообразно для автомобилей общего назначения. В последние годы неуклоно растет число фирм, использующих для бензиновых двигателей наддув приводными объемными нагнетателями. В конце 70-х гг. некоторые фирмы разрабатывали газодинамический наддув, в основе которого находились волновые являния во впускном и выпускном трубопроводах.



Волновой обменник показан на рис. 134. Он представляет собой цилиндр с вращающимся в нем ротором в виде соединенных у оси продольных пластин. Таким образом, между пластинами возникают достаточно длинные каналы с относительно малым проходным сечением.



Для того чтобы яснее представить процессы, происходящие в волновом обменнике, обратимся к рис. 134, б. В положении 1 канала в нем под воздействием отработавших газов сжимается воздух. Поскольку канал имеет малое проходное сечение и большую длину, зона смешения отработавших газов с воздухом невелика. Когда рассматриваемый канал перемещается в положение 2, сжатый в нем воздух выталкивается во впускной патрубок. В положении 3 расширяющиеся отработавшие газы вытесняются остатком сжатого воздуха из канала обменника. При этом благодаря наличию волновых колебаний в выпускном трубопроводе давление в канале оказывается меньше давления окружающей среды. При перемещении в положение 4 канал заполняется свежим зарядом воздуха из впускного трубопровода. Такой агрегат наддува может успешно работать в сравнительно узком скоростном диапазоне при совпадении частот вынужденных (частота вращения волнового обменника и коленчатого вала двигателя) и собственных колебаний столба газов, но при отклонении от оптимального режима эффективность резко ухудшается.

Мы уже упоминали о том, что бензиновый двигатель имеет наименьший удельный расход топлива при работе на экономичном составе смеси с полностью открытой дроссельной заслонкой.

Однако в реальных условиях движения полная мощность двигателя реализуется только при достижении максимальной скорости, при резком разгоне автомобиля или при преодолении каких-то экстремальных дорожных препятствий. В условиях нормальной дороги для преодоления сопротивления движению требуется существенно меньшая мощность, чем та, которую двигатель способен развить. На рис. 135 кривая N_e характеризует зависимость мощности двигателя от частоты вращения вала при полностью открытой дроссельной заслонке, а кривая N_c - зависимость мощности, требуемой на преодоление сопротивления движению, от скорости автомобиля.



В большинстве случаев на автомобиле с классической трансмиссией (с постоянным передаточным отношением) двигатель работает на менее экономичных нагрузочных режимах (с прикрытой дроссельной заслонкой).

Однако мощность, требуемую для преодоления сопротивления движению с той или иной скоростью v_a, можно обеспечить и при работе двигателя с полностью открытой дроссельной заслонкой, но при меньших частотах вращения его вала n. Для этого между двигателем и колесами автомобиля должна быть установлена трансмиссия с плавно измененным передаточным отношением, например вариатор. В двигателе с обычным механизмом газораспределения работа на низких частотах вращения вала при полном открытии дроссельной заслонки практически невозможна или неустойчива из-за обратного выброса смеси и вялого сгорания вследствие малой фактической степени сжатия и малой турбулизации заряда.

Для улучшения наполнения во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала используют регулируемые фазы газораспределения. Существует достаточное число механизмов газораспределения с регулируемыми фазами открытия и закрытия клапанов. Идея переменных фаз газораспределения возникла давно, еще на заре двигателестроения, и применялась как один из способов регулирования подачи газового топлива. Но затем эти конструкции не использовались, так как нашлись более простые способы дозирования топлива, и в настоящее время механизмы газораспределения с переменными фазами существуют пока только на экспериментальных двигателях.

Механические устройства, позволяющие регулировать фазы газораспределения, не очень дороги и не сложны в производстве - просто пока в них не было необходимости, поскольку с обычной трансмиссией двигатель крайне редко работает с полным открытием дроссельной заслонки да еще в зоне малых частот вращения вала. Заманчивой представляется гидромеханическое управление клапанами (рис. 136, а, при котором длительность нахождения клапана 1 в открытом состоянии определяется временем перекрытия перепускного отверстия 3 золотником 2. Но данная схема имеет недостатки: инерционность гидравлической связи, ненадежность при высоких частотах вращения коленчатого вала, необходимость высокого качества изготовления деталей.



Возможно не только механическое или гидромеханическое управление клапанами, но и электромагнитное (рис. 136, в). И здесь существуют трудности. Сила тока в катушках индуктивности 4 электромагнита должна регулироваться так, чтобы с одной стороны преодолеть инерцию клапана при разных частотах вращения вала, с другой - предотвратить чрезмерный удар по амортизатору 5 в момент открытия или жесткую посадку в седло при закрытии. Очень важна идентичность работы всех клапанов на многоцилиндровом двигателе, т.е. идентичность всех параметров электромагнитов и регулирующих устройств.

Для достаточной турбулизации заряда при низких частотах вращения как во впускных каналах, так и в камере сгорания используют двойной впускной трубопровод (см. рис. 103), регулирование высоты подъема клапана и интенсификацию вихревого движения в процессе сгорания смеси в двух объемных камерах сгорания. Принцип работы этой камеры такой. При низких частотах вращения вала смесь достаточно воспламенять за 10...15° до ВМТ, когда поршень 1 практически вплотную подошел (рис. 137, а) к головке и между малой и большой камерами сгорания остался соединительный канал 2 небольшого сечения. Во время воспламенения заряда в малой камере через этот канал с большой скоростью вытесняется горящая смесь, турбулизируя основной объем заряда. При больших частотах вращения вала угол опережения зажигания в достигает 35...40° до ВМТ. Поршень (рис. 137, б) находится еще достаточно далеко от поверхности головки, и выгорание смеси в малой камере не сопровождается излишней турбулизацией всего заряда, так как слишком интенсивный вихрь в процессе сгорания связан с большими тепловыми потерями в стенки камеры. А при высокой частоте вращения вала смесь имеет достаточные завихрения в процессе впуска и сжатия.



Вопрос об отключении цилиндров для повышения эксплуатационной экономичности двигателей широко дискутировался в конце 70-х - начале 80-х гг., были созданы экспериментальные образцы двигателей и даже серийно выпускались автомобили с такими двигателями. При работе двигателя на малых нагрузках отключается часть цилиндров, но их поршни продолжают двигаться, работают все системы и механизмы, обслуживающие в том числе и отключенные цилиндры. Увеличиваются относительные механические потери. Оказалось, что вместо ожидаемых 12...15% экономии топлива в лучшем случае достигалось только 4...6%, да и то в условиях установившегося движения. При работе автомобиля в городских условиях экономия сводится почти к нулю, так как для стабилизации процессов во впускном трубопроводе, в цилиндре и топливоподающей аппаратуре требуется время, нехватку которого приходится компенсировать обогащением смеси. Отключение цилиндров осуществлялось, как правило, выведением клапанов из контакта с кулачком (см. рис. 110).

Были выполнены интересные разработки секционных малолитражных двигателей автомобильного типа с муфтами синхронизации вращения параллельных валов или с расчленяемым коленчатым валом, которые в какой-то степени копируют схемы тепловозных или судовых силовых агрегатов, но, поскольку проблему эксплуатационной экономичности можно решить несколько проще, данные разработки применения не нашли.

Рассмотренные выше способы повышения эксплуатационной экономичности двигателя были направлены на решение практически одной задачи -заставить бензиновый двигатель работать на режимах, близких к полной нагрузке, т.е. на режимах с меньшими удельными расходами топлива. Конструкторы заранее соглашались с тем, что частичные нагрузки так и останутся неэкономичными.

Однако наряду с упомянутыми выше способами улучшения смесеобразования и интенсификации сгорания на частичных нагрузках большой резерв в экономии топлива заложен в конструкции двигателя, в котором степень сжатия может изменяться в зависимости от нагрузки.

На частичных нагрузках давление газов и напряжения в деталях кривошипно-шатунного механизма существенно меньше, равно как меньше склонность к возникновению детонации. Принципиально ничто не мешает повысить на частичных нагрузках степень сжатия. Но слишком большая степень расширения продуктов сгорания может привести к тому, что в конце рабочего хода давление в цилиндре будет меньше давления окружающей среды и насосные потери уменьшат выигрыш, полученный при увеличении степени сжатия. Кроме того, для малолитражных дизелей реализовать высокую степень сжатия сложно, исходя из их конструкции и технологии изготовления: объем камеры сгорания оказывается сопоставимым с объемом между днищем поршня и головкой, возникающим из-за необходимого технологического зазора.

Тем не. менее было создано достаточно много экспериментальных двигателей с переменной степенью сжатия, в которых использовали различные конструктивные решения для изменения объема камеры сгорания. Однако ни один из них, к сожалению, не удобен для реализации в массовом производстве и в эксплуатации.

Один из наиболее простых способов изменения объема камеры сгорания - с помощью дополнительного поршня 1 (рис. 138, а). Но подвижный дополнительный поршень необходимо уплотнять и охлаждать, на стенках не должен образовываться нагар, иначе поршень потеряет подвижность, прорвавшиеся через уплотнение газы нужно удалять: конструкция не очень удачная.



Можно сделать основной поршень таким образом, чтобы его головка 4 имела возможность перемещаться относительно направляющей части 3 (рис. 138, 6). Но, во-первых, нужно управлять положением головки в зависимости от режима на работающем двигателе и, во-вторых, существенно возрастает масса поршня, динамические нагрузки в кривошипно-шатунном механизме, регулирующие клапаны 2 снижают надежность.

Можно изменять положение коленчатого вала 5 относительно картера 6 или цилиндра 9 с головкой относительно поршня 10 (рис. 138, в, д). Такой метод широко и давно применяется при создании исследовательских одноцилиндровых двигателей для определения антидетонационных свойств топлив. Объем камеры сгорания и степень сжатия можно изменить в результате отклонения направляющего штока 7, по которому движется ползун 8 крейцкопфного кривошипно-шатунного механизма (см. кинематическую схему на рис. 138, г).

Схему с переменными ходом поршня и степенью сжатия, можно реализовать изменением плеч коромысла 12 при смещении его опоры 11 (рис. 138, е). Но ДВС с традиционным кривошипно-шатунным механизмом мало пригоден для реального воплощения рассматриваемой схемы.

Более приемлем двигатель с наклонной шайбой (рис. 139). Перемещение шайбы 1 в осевом направлении с одновременным изменением угла ее наклона позволяет в широких пределах изменять рабочий объем цилиндра 2, сохраняя на заданном уровне или изменяя степень сжатия. Благодаря такому способу регулирования рабочего объема двигатель в каждый момент развивает мощность, требующуюся для преодоления сопротивления движению при полностью открытой дроссельной заслонке и, главное, со стандартной трансмиссией автомобиля. Прототип такого ДВС создан во второй половине 80-х гг. специалистами НАМИ.



Возможность свести к минимуму тепловые потери через стенки цилиндра (они составляют 30...35% энергии, заключенной в топливе), которая появляется при использовании новых конструкционных материалов на основе керамики, металлокерамики или полимеров и различных комбинаций с традиционными материалами, ставит перед создателями двигателей целый комплекс задач, требующих решения.

Если исключить (примем это допущение) отвод теплоты в процессе сжатия, то и температура, и давление в начале процесса сгорания будут выше. Сократится период задержки воспламенения топлива, возрастет скорость сгорания. Иное дело - традиционный бензиновый двигатель, в цилиндре которого сжимается уже приготовленная топливовоздушная смесь. Повышение ее температуры в конце сжатия неизбежно приведет к повышению вероятности детонационного сгорания.

Поэтому при адиабатизации двигателя возникает задача такой организации процессов смесеобразования и сгорания, чтобы исключить термическую подготовку топлива в процессе впуска и сжатия, как и в бензиновых двигателях, работающих с высокой степенью сжатия. Одним из направлений в решении такой задачи является регулирование процесса сгорания за счет подачи топливовоздушной смеси непосредственно в камеру сгорания перед ее воспламенением и в начальный период сгорания (см. рис. 127).

Но трудности адиабатизации двигателей не кончаются. Поскольку теплота через стенку не отводится, температура поверхности стенки, обращенной к камере сгорания, имеет такую же температуру, что и газы. На такой горячей стенке вряд ли может сохраниться пленка смазочных масел из минерального сырья. Кроме малой теплопроводности, материалы, применяющиеся для цилиндров адиабатных двигателей, должны обладать и жаропрочностью и хорошими антифрикционными качествами поверхности при высоких температурах. Или мы должны иметь масла, способные работать при таких температурах. К счастью, современный уровень разработок в области материаловедения позволяет конструкторам выбрать материалы, во многом отвечающие предъявляемым требованиям.

Комбинированные энергетические агрегаты

Адиабатный двигатель создается ради максимального использования энергии топлива. И коль скоро предотвращается потеря теплоты в охлаждающую жидкость или воздух - неразумно выбрасывать "на ветер" газы, энергосодержание которых значительно больше, нежели у традиционного двигателя. Значит, следующая наша задача - использовать энергию отработавших газов на совершение полезной работы в какой-то дополнительной машине расширения - это может быть поршневая, роторно-поршневая или турбомашина. Какую же из них выбрать? По-видимому, ту, которая способна преобразовать энергию отработавших газов в полезную работу с меньшими потерями, и не только по термодинамическому циклу, а и по энергозатратам на производство, по материалоемкости, массе, габаритам и т.п.

К достоинствам поршневых или роторно-поршневых двигателей относится прежде всего малая частота вращения вала: для соединения с валом основного двигателя не требуется редуктора с большим передаточным отношением. Поскольку основной двигатель изготовлен из жаропрочных материалов, использование их же для дополнительного двигателя снимает заботы с ограничением по температурной стойкости. Но поршневая машина расширения слишком громоздка, так как пропорционально степени дополнительного расширения увеличивается ее рабочий объем.

ГТД, применяемый в качестве дополнительной машины расширения, способен обеспечить высокую степень расширения при малых габаритах - это несомненное достоинство. Но для передачи крутящего момента на вал основного двигателя требуется редуктор с большим передаточным отношением и, равным 10...30.

Процесс изменения давления и температуры газа при расширении проходит по-разному. При уменьшении давления в 20 раз температура газа снижается в 2 раза. Поэтому после дополнительной ступени расширения отработавшие газы будут сохранять еще весьма высокую температуру. Второй дополнительной ступенью комбинированного силового агрегата, по-видимому, должна стать тепловая машина с внешним подводом теплоты. Для таких целей можно использовать либо паровую машину либо тепловоздушный двигатель.

В 60...70-е гг., когда возрос интерес к паровым машинам, как экологически чистым, были разработаны весьма прогрессивные конструкции таких машин (рис. 140), элементы которых могут быть с успехом использованы и для комбинированного силового агрегата. В те же годы возродился интерес и к двигателям внешнего сгорания Стирлинга (рис. 141). Основу обоих двигателей составляет теплообменник или котел. В машине с внешним подводом теплоты основной задачей является обеспечение передачи теплоты к рабочему телу (воде или газу). Это возможно только при достаточно развитой поверхности теплообмена, но при этом рабочее тело находится при весьма высоком давлении до 15...25 МПа и температуре 400л.600°C. Поэтому котлы современных тепловых машин внешнего сгорания выполнены из прочных и жаростойких капиллярных трубок, производство которых отнюдь не просто.





Поскольку и паровая, и тепловоздушная машины тихоходные - их валы могут быть связаны с трансмиссией напрямую, без сложных редукторов.

Что же мы будем иметь в итоге, после создания такой сложной комбинированной установки?

Вспомните, эффективность использования энергии топлива в тепловой машине определяется термическим КПД.

Отдельно взятые поршневой, газотурбинный и тепловоздушный двигатели могут иметь термический КПД до 45...55%, паровая машина - до 35...40%. А в комбинированном силовом агрегате? Адиабатный поршневой двигатель при степени расширения в 15...17 единиц будет иметь термический КПД около 45%. Но на вторую ступень расширения - силовую турбину (тоже адиабатизированную) - останется очень небольшая степень расширения рабочего тела, и ее термический КПД не превысит 20...25%.

Однако после силовой турбины продукты сгорания будут иметь очень высокую температуру - 750...800°C. И если возможно использовать их энергию в двигателе с внешним подводом теплоты, то КПД комбинированного силового агрегата может быть 70...75%.

Расчеты показывают, что для такого комбинированного силового агрегата выгоднее использовать паровую поршневую машину или паровую турбину.

Дело вот в чем. В тепловоздушном двигателе рабочий цикл включает четыре процесса - сжатие рабочего тела, подвод теплоты (в данном случае от отработавших газов), расширение и охлаждение в теплообменнике.

От отработавших газов основного двигателя можно передать теплоту только в том случае, если их температура окажется выше температуры сжатого рабочего тела и КПД комбинированного агрегата определяется разностью этих температур. Таким образом, чем выше степень сжатия, тем выше КПД тепловоздушного двигателя, но тем меньшую тепловую энергию можно передать рабочему телу от отработавших газов основного двигателя. Парадокс -чем выше КПД дополнительного агрегата, тем меньше КПД всей установки. Для утилизации энергии отработавших газов может быть создан комбинированный силовой агрегат (рис. 142), состоящий из поршневого двигателя I, дополнительной ступени расширения - силовой турбины Зи двигателя с внешним подводом теплоты - паровой турбины 5. На частичных нагрузках уменьшается расход продуктов сгорания основного двигателя и их температура, что ведет к снижению эффективности дополнительных ступеней агрегата. При этом основными режимами работы большинства транспортных двигателей являются режимы на частичных нагрузках.



Заманчиво создать комбинированный агрегат с аккумуляторами энергии (рис. 143). Агрегат работает в наиболее экономичном установившемся режиме, соответствующем средней эксплуатационной затрате мощности. На меньших нагрузках избыточная мощность передается аккумулятору, а на больших - отбирается от аккумулятора и добавляется к мощности, развиваемой двигателем.



И коль скоро речь идет о транспортной машине, аккумулятор энергии должен находиться на ней и в любой момент быть готовым к использованию, должен обладать малой массой и габаритными размерами, большой энергоемкостью.

Какие же аккумуляторы энергии существуют? Прежде всего - механические аккумуляторы (пружина, сжатый воздух). Такие аккумуляторы широко используются в различных ситуациях, но энергоемкость их, отнесенная к массе или объему, невелика. Среди механических аккумуляторов, пожалуй, самым эффективным является маховик, и в недавнем прошлом идея его использования на транспортных машинах активно пропагандировалась. Удельные показатели стального маховика превосходят показатели свинцового электрического аккумулятора, а затраты на материал меньше, проще обслуживание и т.п.

Еще в 30...40-е гг. были экспериментальные и даже нормально эксплуатирующиеся машины с аккумуляторами в виде маховика, например троллейбусы-гиробусы, спроектированные специально для горных дорог. У таких гиробусов маховик подкручивается во время остановок.

Что же касается электрических аккумуляторов, то свинцовые имеют слишком большую удельную массу, а более легкие серебряно-цинковые аккумуляторы широкого распространения не получили из-за ограниченности запасов и высокой стоимости материала.

Однако при применении аккумуляторов основной проблемой является проблема отбора мощности, требуемой на каждый данный момент движения.

Во-первых, между двигателем и маховиком должен находиться бесступенчатый редуктор передачи и отбора мощности - конструкция достаточно сложная и громоздкая. Редуктор должен согласовывать момент и частоту вращения вала двигателя, маховика и трансмиссии экипажа. Механическую трансмиссию можно, конечно, заменить электрической или гидравлической, но КПД ее будет существенно меньшим и повлечет за собой снижение общего КПД установки.

И даже если успешно решен вопрос передающих и регулирующих звеньев системы, остается весьма сложной задача выбора соотношения мощности двигателя и энергоемкости аккумулятора. Проще такую задачу решить для машины, выполняющей какие-то более или менее стабильные циклы работы.

Кроме механических или электрических существуют и тепловые аккумуляторы, которые обладают большей энергоемкостью, чем свинцовые электрические аккумуляторы или маховики. Конечно, запасенная в тепловом аккумуляторе энергия будет зависеть как от теплоемкости материала, так и от температуры теплоносителя (чем она выше, тем лучше). В тепловых аккумуляторах в качестве аккумулирующего материала используют соли, например фтористый литий. Тепловые аккумуляторы, по мнению специалистов, могут быть использованы для транспортных средств ограниченного радиуса действия в качестве основного источника энергии, будучи заряженными теплотой какого-то стационарного источника.

Целесообразно ли использовать тепловой аккумулятор в комбинированном силовом агрегате? С помощью комбинированных силовых агрегатов с механическими или электрическими аккумуляторами, работающими в постоянном скоростном и нагрузочном режимах, поток мощности распределяется между трансмиссией и аккумулятором.

В случае применения теплового аккумулятора нужно распределить тепловой поток, уменьшая или вообще прекращая подачу тепловой энергии к дополнительным ступеням утилизации или снижая нагрузку основного двигателя. Такие меры связаны с переходом на менее экономичные режимы. Кроме того, представляет значительную трудность зарядка теплового аккумулятора от источника энергии с переменной температурой, иногда меньшей, чем температура аккумулятора. В данном случае зарядка окажется возможной только при наличии дополнительного агрегата - теплового насоса, что ведет к дополнительным тепловым и механическим потерям и уменьшению надежности.

Таким образом, комбинированные силовые агрегаты выгодны прежде всего для машин, работающих в постоянном нагрузочном и скоростном режимах или в узком диапазоне его изменения. Для транспортных машин, работающих в широком диапазоне нагрузок и скоростей, необходима установка аккумуляторов и сложных передающих и регулирующих устройств. Следовательно, приходится увеличивать габариты и массу агрегатов.

Необходимо рациональное упрощение таких агрегатов. Функции основного силового агрегата (рис. 144) может выполнять ГТД, а функции компрессора или генератора газа - поршневой двигатель. В поршневом двигателе отпадает необходимость в кривошипно-шатунном механизме, упрощается смазочная система, уменьшаются габариты и масса. Такой двигатель называют свободнопоршневым. Для этсй цели наиболее пригоден двухтактный дизель с высокой (до 40 единиц) степенью сжатия, работающий на обедненных смесях. КПД свободнопоршневого генератора газа существенно выше, чем у лопаточного компрессора, хотя его габаритные размеры и масса больше. Так или иначе комбинированный силовой агрегат остается сложным и громоздким, более пригодным для установки на судах или тепловозах, нежели на автомобилях.

Альтернативные энергетические агрегаты и топлива

Одним из весьма перспективных направлений в настоящее время является разработка так называемых топливных аккумуляторов, или топливных элементов. Принцип действия топливного элемента рассмотрим на примере топливного элемента (рис. 145), созданного еще в 50-е гг. советским ученым О. К. Давтяном. В емкость 1, заполненную раствором едкого калия КОН, через пористый электрод 2 под давлением подается топливо (водород), а через электрод 4 - окислитель (кислород). При замыкании электрической цепи (через обмотки электродвигателя 3) отрицательные ионы (ОН^—), соединяясь с водородом (образуя воду), через электрод 2 отдают в цепь электрон. У положительного электрода 4 ион калия (К⁺) реагирует с водой, образуя КОН, а свободные ионы водорода соединяются с кислородом, образуя Н₂О. Созданные в те годы элементы имели высокую удельную массу около 40 кг/кВт, что в 10...20 раз больше, чем у поршневого ДВС. Это связано прежде всего с относительно малой плотностью тока 250...350 А/м². Для получения мощности в 1 кВт требуется активная площадь около 4 м². В таком элементе нужно обеспечить отвод продуктов реакции (воды), поддержание заданной концентрации щелочного раствора, его температуры и пр. Электроды должны изготовляться из материалов, не подвергающихся в данных условиях электрохимической коррозии.



Проблем пока очень много. Но и перспективы у таких элементов фантастические. Теоретически их КПД достигает почти 100%. В качестве топлива может быть использовано любое окисляющееся вещество. Разрабатывались элементы, использовавшие сжиженные низкомолекулярные углеводороды, амальгаму натрия и т.д.; элементы с твердым электролитом - дисками из кремний-органических ионо-обменных смол, позволяющим исключить сложную систему регулирования концентрации жидкого электролита. Наконец, в 60-е гг. были созданы экспериментальные машины, оснащенные энергетическими установками с топливными элементами.

Альтернативными топливами являются каменный уголь, сланцы (имеющиеся запасы каменного угля еще далеки от истощения, хотя тоже не бесконечны), так как они могут быть сырьем для получения синтетических моторных топлив, близких по свойствам топливам, получаемым из нефти.

К числу альтернативных топлив для ДВС можно отнести спирты или легкие масла, которые обладают высокими антидетонационными качествами (или смазывающими свойствами) и многие десятилетия используются для двигателей спортивных автомобилей и мотоциклов. Несмотря на это, массовый переход транспорта с ДВС на указанные виды топлив связан со множеством проблем.

Основная из них - пусковые свойства газовых и спиртовых топлив, особенно в зимнее время. Что касается спиртов, то закономерность возникновения проблемы пуска ясна: спирты (метиловый или этиловый, которые реально рассматриваются в качестве замены бензинам) имеют достаточно высокую температуру кипения 80°C. Для воспламенения топливовоздушной смеси нужно, чтобы определенная часть топйива находилась в испаренном состоянии. Приходится пользоваться в качестве стартового топлива бензином или делать бензоспиртовую смесь.

С газовым топливом ситуация пародоксальная. Если в бензиновых двигателях для облегчения пуска необходимо гомогенизировать смесь и испарить ее, то при использовании газового топлива обеспечивается практически полная гомогенизация. Тем не менее для пуска холодных двигателей, работающих на газовом топливе, опять-таки приходится пользоваться бензином. Основной причиной является значительно большая (в 3...3,5 раза) стойкость межатомных связей в компактных молекулах газообразных углеводородов по сравнению со стойкостью двойных связей непредельных углеводородов, содержащихся в жидком топливе. Для разрушения таких связей необходимо пропорциональное увеличение затрат энергии на активацию молекул газового топлива. Если мы используем в качестве топлива пропан-бутановую смесь, то возникает проблема охлаждения топливовоздушной смеси при испарении сжиженного газа.

Конечно, это проблемы технически разрешимые, равно как и проблема компенсации некоторой потери мощности, связанная с меньшей теплотой сгорания газовых топлив, что опять-таки является следствием больших затрат энергии на активацию молекул.

Для нормальной эксплуатации транспорта с двигателями, работающими на газовом топливе, нужно: во-первых, весь комплекс приборов, входящих в систему питания и обслуживание в процессе эксплуатации; во-вторых, обеспечить достаточный запас газового топлива для дальних рейсов или создать густую сеть газозаправочных станций. Именно данный фактор предопределяет необходимость использования резервного топлива - бензина, и, следовательно, двигатель проектируется с гораздо меньшей степенью сжатия, чем допустимо для рационального использования газового топлива. Сжиженные газы требуют для хранения баллоны с относительно низким давлением 2,0...2,5 МПа, их емкость может быть достаточно большой.

Гораздо сложнее обстоит дело с низкомолекулярными газами, прежде всего метаном. Он сжижается при температуре -162°C. Поэтому для создания достаточного запаса газового топлива требуются баллоны высокого давления, что тяжело и громоздко. Каждый стандартный газовый баллон емкостью 50 л содержит запас, эквивалентный 10 л нефтяного топлива, либо криогенные баллоны (по типу сосуда Дюара) для хранения сжиженного газа - а это тоже достаточно дорогое устройство, и самое главное - сосуд Дюара, конечно же, не является абсолютно нетеплопроводным. Для поддержания заданной низкой температуры небольшую часть сжиженного газа надо испарять, чтобы компенсировать приток теплоты извне. Поддержание низкой температуры обеспечивается за счет испарения безопасного для здоровья человека и не взрывоопасного азота.

Чтобы не создавать более густой сети газозаправочных станций, наиболее разумно синтезировать жидкое топливо. Совокупные затраты материалов, энергии и людских ресурсов будут несравненно меньшими, тем более, что технология такого синтеза давно известна. Газовые двигатели должны работать там, где они действительно выгодны: на газоперекачивающих станциях магистральных газопроводов, рядом с предприятиями, в технологической цепочке которых образуются горючие газы, и подобных случаях.

Несомненным аргументом за то, чтобы использовать в качестве топлива спирты или легкие масла, получаемые из растительного сырья, является то, что данный источник сырья может возобновляться. Но придется изъять из сферы производства продуктов питания огромные площади. С одного гектара сельскохозяйственных угодий (для средней Европы) возможно обеспечить продуктами питания двух-трех человек в год или получить порядка 1,5 т спиртового топлива (при очень хорошей урожайности, например, свеклы), которого хватит примерно на одну десятую годового пробега грузового автомобиля средней мощности. Население земли растет, а сельскохозяйственные угодия по многим причинам не только не увеличиваются, но, наоборот, сокращаются.

Ученые-биологи в настоящее время достаточно хорошо разобрались в процессах развития растений и образования в них исходных веществ для получения топлива. Вероятнее всего, что придется осваивать интенсивную промышленную технологию по образцу живой природы, но не в ущерб сельскохозяйственным угодиям. Однако все это тоже потребует огромных капиталовложений.

Очень часто мы говорим о том, что человечество обладает огромным запасом энергии воды. Вода (Н₂О) - не что иное как водородное топливо и окислитель, нужно только разложить ее на составляющие части.

Например, при использовании электролиза энергетические затраты превысят ожидаемый эффект реакции окисления. С несравненно меньшими энергетическими затратами связано получение водорода каталитическим методом или биохимическим путем. Кроме того, водЬрод является побочным продуктом атомных электростанций. Водород очень легкий газ, обладает большой теплотой сгорания, отнесенной к единице массы, хотя с очень низкой (на уровне угарного газа) объемной теплотой сгорания. Но остаются те же проблемы хранения запаса топлива на транспортной машине. Кроме уже упомянутых - сжатия и криогенного сжижения, можно воспользоваться и методом насыщения водородом кристаллических структур гидридных сплавов, например лантано-никелевого (La Ni₅) или титано-железистого (Ti Fe).

Свойством водорода является внедрение в кристаллическую структуру других материалов, ослабляя кристаллические связи материала-носителя, например стенок цилиндра и, как следствие, - их повышенное изнашивание. Поэтому необходим поиск конструкционных материалов для водородных двигателей.

Наша планета обладает неисчерпаемыми запасами энергии, основным источником которой является солнце: это и энергия прямого излучения, и фотосинтез в растительном мире, дающий сырье для топлива, и движение масс воздуха, и циркуляция паров воды, и движение рек, океанических течений, наконец, энергия атома. В помощь судовому дизелю или ГТД несомненно придут ветер и современный парус. Первые опыты энтузиастов современных парусных судов говорят о возможности экономии до 15...20% и более нефтяного топлива, а для грузов, не требующих ускоренной доставки, такая экономия может быть еще большей. Магистральные железные дороги несомненно целесообразно перевести на электрическую тягу, используя для этого энергию атомных, гидро- и тепловых электростанций, работающих на твердом или газообразном топливе, а нефтяное топливо использовать на безрельсовом и авиационном транспорте.

В зоне действия атомных электростанций лучше использовать местный транспорт с тепловыми аккумуляторами и двигателями с внешним подводом теплоты, что позволит высвободить известную часть транспортных средств с традиционными ДВС. Более того, в таком случае разумно применить и побочный продукт - водород, в стационарных установках с ГТД или поршневыми ДВС.

Послесловие

Пока книга готовилась к изданию, появилось много новых идей и решений в области как традиционных, так и нетрадиционных ДВС. Хочется хотя бы в нескольких словах рассказать о них.

Перечислить все, что за два года появилось нового в этой области вряд ли возможно в отведенном ограниченном объеме, поэтому я остановлюсь только на тех разработках, которые велись и ведутся в Московском автомеханическом институте, с которым автор тесно связан более 35 лет, в которых участвовал сам или был непосредственным их свидетелем. Тем самым хотел бы реализовать и "корыстную" цель - напомнить молодому читателю, что есть в Москве такой институт, где выполняются весьма интересные разработки в области автомобиле- и двигателестроения и технологии автомобильного производства, в которых самое активное участие могут принимать и принимают молодые люди - студенты. Было бы только желание!

И еще одно хочу подчеркнуть - современные исследования и разработки даже в такой традиционной отрасли как двигателестроение невозможно реализовать в одиночку или в узко отраслевом коллективе. Сейчас необходим и неизбежен контакт с широким кругом исследований из других отраслей народного хозяйства. И, поверьте, мне, это очень интересно!

Целый ряд разработок начался и не год, и не два назад, а гораздо раньше и за рубежом, и у нас в стране, но сейчас мы начинаем получать конкретные результаты, в большей степени готовые к практической реализации.

Пожалуй наиболее важные результаты достигнуты в области создания новых конструкционных материалов - принципиально важные потому, что получена возможность "конструировать" материал с заранее заданными свойствами, такой, какой необходим для той или иной детали двигателя. Создано множество так называемых композиционных материалов на основе металлов, пластмассы, или керамики, пригодных для изготовления деталей, подверженных высоким механическим и термическим нагрузкам, обладающих высокими усталостной прочностью, износостойкостью в условиях ограниченного смазывания и многими другими, важными для нас свойствами.

Большая группа композиционных материалов по конструкции напоминает привычный нам железобетон. Основной материал - матрица, в исходном виде как правило легкий и не очень прочный, в композите "насыщается" высокопрочными полимерными, керамическими или металлическими волокнами, которые не только жестко связывают молекулы матрицы, но и воспринимают значительную долю нагрузки. Волокна в материале-композите могут быть расположены хаотично. Это, как правило, весьма короткие волокна длиной 2...3 мм. Материал становится равнопрочным во всех направлениях, но... полностью его возможности не используются. Если расположить длинные волокна в направлении основной нагрузки, например растягивающей, сопротивление материала во много раз возрастет.

Принцип "композита" известен человеку с глубокой древности. Глино-бидная мозаика ведь ни что иное, как "композитная" конструкция. Армированный бетон известен древним римлянам: о нем упоминает Витрувий в своих книгах об архитектуре. Современные железобетонные конструкции, позволившие создать уникальные сооружения, появились почти сто лет назад.

Потребовался поистине революционный скачок в мышлении машиностроителей, чтобы использовать тысячелетиями накопленный опыт строителей.

На рис. 146, а показаны конструкция шатуна с неразъемной и разъемной (рис. 146, б) нижними головками, выполненные по принципу "композита". Основа их - вкладыши 1 из металла с антифрикционным покрытием или соответствующая керамика, обмотанные с предварительно натянутым волокном 2 и залитые полимерным материалом - матрицей 3. Для варианта с разъемной головкой ВНИИМотопрома (г. Серпухов) нашли оригинальный способ крепления крышки с помощью хомутов 4 и стяжных болтов 5, не нарушающий структуры материала деталей.



Как видите, создание детали и композитного материала идет одновременно! Такие шатуны при равных со стальными прочностных показателях, определяющих их работоспособность и долговечность, оказываются в 1,5-2 раза легче.

Одной из ответственнейших деталей двигателя является поршень. Вспомните о механических и тепловых нагрузках, которые он должен воспринимать, о поистине огромном пути, который он должен пройти, скользя относительно стенки цилиндра, без значительного износа за время эксплуатации двигателя. Кроме того, коэффициент линейного теплового расширения поршня не должен отличаться от аналогичного показателя материала цилиндра. Именно поэтому предусматривается достаточно большой начальный тепловой зазор между этими деталями, а затем уплотнять его компрессионными кольцами, затрачивая заметную долю мощности на преодоление трения. Не говоря уже о сложном профилировании поверхности поршня.

Очень заманчивой оказалась идея сделать поршень составным (рис. 146, в) - головку 6 из жаропрочной керамики с малым коэффициентом теплового расширения и легкую юбку 9 из армированных алюминиевого сплава или полимерного материала с высокими антифрикционными свойствами. Обе детали поршня и шатун 8 соединяются поршневым пальцем 7.

Вслед за этой идеей появилась идея, позволяющая решить задачу проще. Специалисты Всесоюзного института легких сплавов разработали алюминиевый сплав с высоким содержанием карбида кремния, который почти в 3 раза легче стали при прочностных показателях, соответствующих ей, а в ряде случаев и превосходящих. Материал, который обладает значительно меньшим, чем у обычных алюминиевых сплавов коэффициентом теплового расширения и великолепной износостойкостью - всего 0,2 мк за 100 ч испытаний!

Интереснейшие возможности создания деталей с переменными свойствами внутри материала открывает метод изотермической штамповки из гранулированного материала (рис. 146, г). Исходная заготовка в виде таблетки может быть спрессована из гранул 10, 11 двух (или несколько) материалов, чтобы в процессе последующего формирования детали материал "Растекался" в те ее зоны 12, в которых требуется упрочнение или иные, отличные от основного материала, свойства.

Однако хочется предостеречь читателя от излишнего оптимизма. Не следует забывать о том, что существует множество проблем, требующих теоретического осмысления и экспериментальных поисков, связанных со значительными затратами времени и ресурсов.

Несколько слов об ином. Существуют материалы, которые обладают пористой структурой, способны избирательно, с разной скоростью, пропускать молекулы тех или иных веществ. Такой метод используется, например для разделения газовых смесей, прежде всего воздуха (на основные его составляющие - кислород и азот).

Двигателисты давно занимаются исследованиями по применению кислорода для форсирования двигателей - лишний окислитель без баласта в виде азота позволяет сжечь дополнительное топливо, повысить температуру и давление газов в конце сгорания и т.п. Один недостаток - кислород надо хранить в баллонах, что громоздко, тяжело, да и запас кислорода ограничен.

Разработанная в НПО "Химволокно" технология получения газоразделительных мембран в виде тончайших полых волокон (наружный диаметр их 60 мк, внутренний 30 мк) позволила изготовить аппараты с огромной газоразделительной поверхностью - более 20000 м² в 1 м³.

Газоразделитель (рис. 147, а) представляет собой емкость 1, заполненную полым волокном 3. Концы волокон проклеены таким образом, что образуют в сосуде герметичные перегородки 2. В полость между ними через перфорированную трубку 4 подается воздух. Более подвижные молекулы О₂ быстрее проникают во внутренние каналы волокон, молекулы азота остаются вне их. Проницаемость О₂ в 2 раза выше, чем у азота, тем не менее и он проникает через поверхность мембран, поэтому в одноступенчатом разделителе в сборных полостях 5 оказывается смесь, содержащая 35...38 % кислорода. Через патрубок с дроссельным краном 6 отводится почти чистый азот - 95...98%.



При испытаниях бензиновых двигателей оказалось, что столь высокая концентрация О₂ не только не нужна, но и крайне опасна. При содержании в воздухе более 25...27% кислорода начинается интенсивная детонация. А вот небольшая добавка О₂, дающая смесь с его содержанием 22...24% позволяет повысить мощность двигателя на 10...20 % и более и эквивалентно улучшить экономичность, вдвое сокращает период задержки воспламенения. При этом скорость сгорания возрастает в 2-3 раза! Самое интересное, что этот эффект зафиксирован при работе как на богатых так и бедных смесях.

С богатыми смесями, кажется, все ясно - при избытке топлива подается дополнительный окислитель, повышается температура и соответственно скорость сгорания. При работе на бедных смесях О₂ содержится в избытке, дополнительная добавка 1...2% кислорода вряд ли, что может изменить состав смеси и кинетику процесса сгорания. Но мощность растет, скорость сгорания увеличивается вдвое, расширяется диапазон устойчивой работы двигателя на бедной смеси (до коэффициента а, равного 1,35... 1,4 на частичных нагрузках).

В конце концов выяснилось, что причиной тому явился не столько кисло род, сколько пары воды, содержащиеся в воздухе. В процессе сжатия и в начальной фазе сгорания, молекулы воды расщепляются на валентно активные радикалы Н⁺ и ОН^—, которые и являются ускорителями реакции.

При подаче в цилиндры дополнительного О₂ углеродосодержащие компоненты в отработавших газах уменьшаются пропорционально увеличению содержания окислителя и, на бедных смесях, благодаря большей стабильности и интенсивности процесса сгорания. Но наибольшую опасность представляют оксиды азота в отработавших газах. К счастью существует и второй фактор - время.

Все очень заманчиво, одна беда... Даже такое незначительное обогащение кислородом связано с необходимостью прокачки значительного объема воздуха. В итоге для получения смеси с 24 %-м содержанием О₂ к разделителю надо подать воздух в объеме, соответствующем расходу двигателя. А это энергетически более не выгодно, компрессор полностью израсходует весь прирост мощности.

На рис. 147, б показан мембранный эмульгатор. Топливо прокачивается через внутренние капиляторы волокон, а снаружи под давлением подается воздух, молекулы которого избирательно проникают через материал мембраны и внедряются в топливо. Схема системы питания такого типа показана на рис. 147, в. Предварительно сжатая в процессе подготовки в эмульгаторе 9 топливовоздушная эмульсия впрыскивается форсункой 7, управляемой электромагнитом 5. Воздух внедряется под давлением в топливо по выходе из распылителя форсунки, расширяется и разрывает капельки топлива. Благодаря этому в камере сгорания возникает зона гомогенной смеси с высоким содержанием окислителя и активных центров - радикалов Н⁺ и ОН^—, т.е. зона с высоким энергетическим потенциалом, позволяющим эффективно и при высоких скоростях сжигать бедные топливовоздушные смеси.

Не забывайте и о втором компоненте, выходящем из газоразделителя. Азот может быть с пользой использован для продува картерной полости -это защищает моторное масло от интенсивного окисления. Азотная подушка над поверхностью топлива в баке обеспечивает высокую степень пожаробезопасности. Не менее привлекательна возможность использовать азотную среду для повышения сохранности транспортируемых на судах или в автомобилях-рефрижераторах продуктов. Как показали испытания, в регулируемой азотной среде гарантируется практически полная сохранность овощей и фруктов в течение шести месяцев.

Наконец, газоразделительные мембраны в сочетании с ДВС позволяют решать и еще одну интересную проблему, на первый взгляд очень далекую от двигателей. Стационарные тепловые установки с ДВС или паровыми агрегатами выбрасывают в окружающую среду огромное количество продуктов сгорания, содержащих СО₂ и СО. Эти компоненты с помощью мембранных газоразделителей можно выделить из продуктов сгорания и подать... в теплицы. Получается прекрасный "питательный" продукт для выращиваемых нм овощей. Время созревания сокращается, урожай увеличивается. Поистине -нет худа без добра!

Все время двигателисты - "бензинщики" с переменным успехом воюют с детонацией. Последние работы китайской исследовательницы Цзинь Цзян позволили обнаружить очень важную закономерность: оказалось, что переход от нормального развития сгорания к детонации зависит только от сорта топлива и энергетического состояния заряда перед началом детонации и практически не зависит от режима работы двигателя и формы камеры сгорания. Все наши ухищрения по подавлению детонации на самом деле сводятся лишь к тому, чтобы миновать критическое состояние либо за счет меньшей температуры, либо за счет меньшей плотности заряда. Поскольку скорости сгорания детонации, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала близки по значению, появляется возможность прогнозировать вероятность критического состояния заряда еще на стадии проектирования двигателя. Однако вероятно, что в ближайшее время мы перестанем бороться с детонацией и возьмем ее в помощники. Недавно появился проект двигателя "внутреннего" сгорания прямой тяги типа "Простор". Термин "внутреннего" взят в кавычки, поскольку сгорание (рис. 148) происходит почти вне двигателя, хотя ему и присущи все процессы, свойственные ДВС.



В корпусе расположена свеча 1 зажигания с высокой энергией разряда, ее окружает воздушная полость 3, куда через каналы 2 подсасывается из окружающей среды воздух или через канал 4 подается пусковой воздух из баллона. Через специально профилированное сопло 5 воздух поступает в полусферическую камеру 6; форсунки 7 распыливают топливо.

Принцип действия двигателя - вибрационное сверхвысокочастотное горение с высокой степенью использования теплоты сгорания топлива. Поскольку частота колебаний ультразвуковая, двигатель бесшумен, а вихревое торможение и "разваливание" струи вблизи среза сопла создает ту "вторую стенку" из атмосферного воздуха, от которой двигатель "отталкивается". Как показали исследования, двигатель пригоден не только для летательных аппаратов, но и в менее мощных вариантах для наземных транспортных средств.

В заключение же мне хочется сказать одно - каждый из множества типов двигателей, в том числе и ДВС, имеет право на "жизнь" в будущем, "жизнь", исчисляемую не одним десятилетием, "жизнь", насыщенную постоянным совершенствованием и тесно переплетающуюся со множеством других направлений науки и техники.