Проблема экологичности двигателей внутреннего сгорания появилась давно, уменьшение вредных выбросов в атмосферу и безопасность использования транспортных средств, вот две проблемные области, связанные с применением автомобилей и тракторов.
Если считать, что основными двигателями внутреннего сгорания применяемыми в автомобильной и тракторной технике являются бензиновые, дизельные и появившиеся чуть позднее газотопливные двигатели и не так давно газодизель, то и рассмотрим их, а более конкретно, рассмотрим вопрос применения дизельных двигателей и возможное улучшение экологических показателей.
Как известно, процесс смесеобразования в дизельных двигателях отличается от процесса смесеобразования в бензиновых двигателях.
В бензиновых двигателях горючая смесь готовится сначала в карбюраторе, а затем в цилиндре, в такте впуска и сжатия, примерно такая же схема образования топливной смеси у впрысковых (инжекторных) двигателей, только вместо карбюратора используются форсунки, а у дизельных двигателей, процесс смесеобразования происходит в камере сгорания, в конце такта сжатия за 10–20˚ угла поворота коленчатого вала до ВМТ и за 0,002–0,01 секунды, что примерно в 5 раз меньше чем у карбюраторного или инжекторного двигателя, это и определяет более жёсткую работу дизельного двигателя по отношению к бензиновому, а полнота сгорания дизельного топлива обеспечивает экологичность, чем выше давление, температура, тем выше и КПД, при этом конечно необходимо учитывать и цетановое число. Система смесеобразования дизельного двигателя обеспечивает:
- Распыление топлива;
- Развитие топливного факела;
- Прогрев, испарение и перегрев топливных паров;
- Смешивание паров с воздухом.
Развитие смесеобразования и получение оптимальных результатов в дизеле зависит от нескольких факторов, например:
- Способа смесеобразования, формы камеры сгорания, размеров камеры сгорания, температуры поверхности камеры сгорания, от направления движения топливных струй и воздушного потока.
Существует несколько вариантов создания воздушного потока, наиболее благоприятного для смесеобразования в дизельном двигателе.
Рассмотрим применяемые способы образования воздушного потока в цилиндре при такте впуска.
Наиболее простой и давно применяемый способ, это создание тангенциального впускного канала перед клапаном (рисунок 1). Такой впускной канал создаёт поток воздуха в виде завихрения направленного как вдоль цилиндра, так и по радиальному направлению.
Рис. 1.
Такой способ является относительно эффективным, но способ получения такого канала литьём в форму, это сложный и дорогостоящий процесс изготовления самой формы, да и проведение самого литья процесс не простой, а это приводит к увеличению стоимости головки блока цилиндров.
Также применяется винтовой впускной канал (рисунок 2), что очень похоже на предыдущий способ, но форма канала немного сложнее. Здесь трудности те же, что и в первом случае.
Рис. 2.
Оба эти способа, кроме сложности и увеличения стоимости, имеют ещё один главный недостаток, и в первом и втором случае воздушный поток закручивается до клапана, а это означает, что пройдя через узкий зазор между клапаном и седлом клапана воздушный поток, хотим мы этого или нет, будет сильно подрегулирован и форма завихрения изменится, поток будет частично выровнен.
Следующий способ создания воздушного потока, это установка отражателя (рисунок 3). Отражатель находится частично на пути движения воздуха и закручивает поток в заданном направлении.
Отражатель (его ещё называют экраном) может быть установлен как на тарелке клапана с внутренней стороны, так и на седле клапана, но со стороны обращённой в камеру сгорания.
Рис. 3.
Такой способ наверное более оптимальный, нет дорогого литейного оборудования, воздушный поток формируется (завихряется) на входе в цилиндр и препятствий на пути нет.
При проведении исследовательских работ на лабораторном стенде было предложено установить завихритель (рисунок 4 и 5) в свободное пространство между седлом клапана и направляющей втулкой клапана. Изделие состоит из двух колец, наружного и внутреннего, соединённых лопастями. Изделие может быть установлено при сборке ГБЦ или при ремонте ГБЦ под седло клапана. Данное устройство позволит создать вихревой поток воздуха при движении его в такте впуска. В связи с тем, что дизельные двигатели имеют разнообразные по форме камеры сгорания, то количество лопастей и угол наклона необходимо определять для каждой конструкции камеры.
Рис. 4.
Рис. 5.
Подобное изделие действительно создавало бы закручивающийся по образующей цилиндра воздушный поток непосредственно перед клапаном, но недостатками можно будет считать следующее: лопасти будут создавать препятствие на пути движения воздуха, уменьшая проходное сечение в самом узком месте, где скорость движения воздуха самая высокая; изготовление подобного завихрителя вызовет увеличение стоимости узла из за затрат на изготовление изделия литьём или штамповкой и изготовление оборудования для производства, а также его установкой и фиксацией в пространстве между седлом клапана и направляющей втулкой клапана.
Чтобы избежать всех этих недостатков предлагается для создания вращающегося воздушного потока применить впускной клапан со спиральными направляющими расположенными на внутренней стороне клапана рисунок 6
Рис. 6.
Такой клапан будет формировать вращающийся воздушный поток на входе в цилиндр, при этом проходное сечение не уменьшится, в конструкции узла не появятся дополнительные сборочные единицы. Изготовление такого клапана возможно способом горячей штамповки, сделав в форме матрицы спиральные каналы, не меняя при этом технологии производства, оборудования, сборочного процесса.
Таким образом, создавая наиболее благоприятные условия для полноты сгорания дизельного топлива, будут снижены выбросы по NOx.
Учитывая, что тракторная техника применяется иногда и в закрытых помещениях, парниковых и тепличных хозяйств, снижение вредных выбросов положительно скажется на здоровье работников и качестве выпускаемой продукции. Как правило при работе дизельных двигателей выделяются следующие вредные вещества: оксиды азота NOx самый токсичный газ из ОГ, Гидроводороды (СxНy) — этан, метан, бензол, ацетилен (всего около 200 разных гидроводородов). Гидроводороды образуются в камере сгорания из-за гетерогенной смеси, иными словами пламя гаснет в очень богатой смеси, где не хватает воздуха (окислителя) за счет слабой турбулентности, низкой температуры, плохого распыления. В данной статье рассмотрен только один из возможных способов снижения токсичности, это создание более сильной турбулентности для лучшего смесеобразования.
В настоящее время на лабораторной базе Санкт Петербургского государственного бюджетного образовательного учреждения «Автотранспортный и электромеханический колледж» проводится эксперимент с внедрением клапана с завихрителем. При проведении эксперимента используется современное обрудование: Стенд для нагрузочных испытаний двигателей с гидравлическим тормозом, диагностическое оборудование как отечественных, так и иностранных производителей, газоанализатор и дымомер. В проведении эксперимента принимают участие преподаватели колледжа и других высших учебных заведений, а также студенты колледжа.
