Другий спосiб полягає у змiнi клапанного механiзму з метою бiльш тонкого розпилювання i кращого перемiшування сумiшi пiд час надходження її до цилiндрiв. У рядi нових конструкцiй передбачається регулювання висоти пiдйому клапанiв впуску залежно вiд навантаження, що покращує процес заповнення цилiндрiв сумiшшю i згоряння.
Третiй спосiб — це вiдмова вiд традицiйного карбюратора i замiна його приладами (форсунками) для безпосереднього впорскування палива в трубопровiд впускання або в цилiндри. Ця система , вперше застосована в 1934 р. на спортивних автомобiлях, забезпечує найкраще розпилювання палива i перемiшування його з повітрям, а також рiвномiрний розподiл сумішi по окремих цилiндрах. При цьому способi не спостерiгається осiдання палива у виглядi крапель на стiнках трубопроводу впускання.
Система безпосереднього впорскування особливо ефективна в поєднаннi з електронним керуванням, яке автоматично дозує паливо залежно вiд режиму роботи двигуна. Встановлено не тiльки зниження токсичностi газiв i економiю палива, але пiдвищення потужностi двигунiв на 10—20% [71].
Деякi пристрої впорскування дозволяють утворювати в зонi запалювальної свiчки легко запалювану вiд iскри збагачену сумiш. Таке пошарове сумiшеутворення забезпечує надійну роботу двигуна при результуючiй збiдненiй сумiшi. Вказане пошарове роздiлення одержують рiзними конструкцiйними рiшеннями, але найчастiше застосовується направлене впорскування палива в камеру згоряння. Система знаходить широке застосування на нових автомобiлях.
Методи знешкодження вiдпрацьованих газiв почали розроблятися ще в 30-х роках, але у практичний вжиток нейтралiзатори надiйшли лише 30 рокiв по тому.
Нейтралiзатор — це невеликий прилад, призначений для зниження токсичностi вiдпрацьованих газiв шляхом допалювання продуктів неповного згоряння i розкладання оксидiв азоту на складовi елементи — азот i кисень.
Спочатку вважалося, що такi прилади мають бути дешевими i простими у виготовленнi та експлуатацiї. У Калiфорнiї (США) в 1959 роцi було навiть прийнято штатний закон, що встановлював термiни комплектацiї всiх дiючих автомобiлiв цими приладами. Подiбнi пропозицiї пiзнiше розроблялись i у рядiiнших штатiв США, а також у деяких країнах Європи, проте їх реалiзацiя виявилася непростою й iстотно пiдвищила вартiсть автомобiлiв та експлуатацiйнi витрати.
Розрiзняють два типи нейтралiзаторiв: термiчнi та каталітичнi.
У термореакторi, встановлюваному за випускним трубопроводом, здiйснюється процес допалювання оксиду вуглецю СО i перетворення його на вуглекислий газ СО2 а також спалювання незгорiлих у цилiндрi вуглеводнiв i альдегiдiв. для iнтенсифiкацiїпроцесу допалювання, в камеру термореактора подається додаткове повiтря. Реакцiя окислення проходить при температурi 500—600°С i знижує наявнiсть вуглеводнiв приблизно в 2 рази, а оксидів вуглецю в 2—З рази.
На нових автомобiлях термореактори стали вмонтовувати у випускну систему двигуна з відповiдними змiнами в цiй частинi конструкцій двигуна. Каталiтичнi нейтралiзатори, крiм окислення С i СН, можуть здiйснювати ще i розкладання оксидiв азоту NОх [71].
Процес окислення С i СН є безполуменевим i протiкає при проходженнi вiдпрацьованих газiв через шар носiя (наприклад, керамiчних гранул) каталiзатора. Найкращим каталiзатором виявилася платина, але цей дорогий i дефiцитний матерiал не може широко застосовуватися. Дослiдженнями встановлено, що платину певним чином можуть замiнити паладiй, радiй, рутенiй, а також оксиди мiдi, хрому, нiкелю, дiоксид марганцю тощо.
Ефективнiсть дiї каталiтичного нейтралiзатора iстотно залежить вiд температури в реакторi. Низькотемпературнi реактори працюють при 100—300°С, а високотемпературнi — при 300—600°С i бiльше. На перших моделях вiд високої температури корпус реактора досить швидко прогоряв i вимагав замiни. Пiзнiше дефект було усунено цiною ускладнення i дорожчання реактора.
Роботи зi створення нових типiв i конструкцiй нейтралiзаторiв продовжуються у багатьох країнах, але вимоги надiйностii довговiчностi привели поки лише до ускладнення подiбних приладiв.
Ще один з варiантiв полягає у зниженнi токсичностi вiдпрацьованих газiв у результатiїх рециркуляцiї, тобто повторного засмоктування в цилiндри (разом з порцiєю нової горючої сумiшi) з метою допалюванняС i СН i зниження кiлькостi оксидiв азоту безпосередньо в цилiндрах двигуна. Однак використання даного процесу веде до деякого погiршення характеристик двигуна, якщо навiть вже не вести мову про ускладнення його конструкцiї.
5.3. Альтернативні види палива
Водень. Першi дослідження стосовно використання водню як палива для теплових двигунiв були проведенi ще в 20-х роках ХХ столiття. Характеристики водню як моторного палива такi: нижча теплота згоряння - 120 Мдж/кг, що перевищує теплоту згоряння рiдкого палива в 2,7—2,9 разу. Енергiя запалювання водню дуже низька i приблизно в 10 разiв нижча за вуглеводневе паливо. Швидкiсть згоряння водневоповтряної сумiшi висока, особливо збагачено воднем. Межi запалювання сумiшi за коефiцiєнтом надмiру повiтря дуже широкi становлять 0,15—10. За таких широких меж запалювання можливо регулювати потужнiсть двигуна лише зміною складу сумiшi.
Пд час згоряння водневоповiтряної сумiші утворюється водяна пара, тобто виключається можливiсть утворення шкiдливих продуктiв неповного згоряння. Таким чином, водень як паливо для теплових двигунів має низку переваг перед вуглеводневим паливом. Проте є причини, як стримують широке використання водню в теплових двигунах, пов’язанi вони з його добуванням, зберiганням i особливостями роботи двигунiв.
Отримують водень, в основному, при переробцi природного газу і нафти, якi безпосередньо можна використовувати для живлення теплових двигунiв або отримувати з них моторне паливо. Тому проводяться iнтенсивнi пошуки iнших ефективних методiв отримування водню. Найперспективнішим є метод газифiкацiї вугiлля під тиском на парокисневому дуттi. Винчається питання використання надлишкової енергiї електростанцiй у перiоди мiнiмальних завантажень або з альтернативних джерел енергiї для отримування водню електролiзом води.
Вiдомi три способи зберiгання водню: в балонах високого тиску, в крiогенних баках i у звязаному станi у складi металогiдридiв.
Зберiгання водню у стиснутому станi здiйснюється в балонах високого тиску. Проте навiть за тиску 10-40 МПа маса водню становить лише 0,7-1,3% маси балонiв. Запас водню в 10 кг, необхiдний легковому автомобiлю середнього класу для пробiгу 400—500 км, потребує використання балонiв масою 1200 кг. Крім того, зберiгання на борту транспортної машини водню за високого тиску неприпустиме з огляду технiки безпеки, тому що може призвести до вибуху пiд час аварiї [12].
Зберiгання водню в кріогенних баках також небезпечне. Температура зріження водню за нормального тиску становить 20К, тому його охолодження потребує значної витрати енергiї. Маса i габарити кріогенних бакiв також не задовольняють вимоги щодо їх установлення на автомобiлях. За такого способу збергання водень випаровується, внаслiдок чого тиск у середині бака підвищується, i якщо водень не використовується, то, щоб запобiгти надмiрному пiдвищенню тиску, його випускають крiзь перепускний клапан, тобто втрачають, використовують непродуктивно. Тому крiогеннi баки повиннi мати надiйну теплоізоляцiю. Як правило, їх виготовляють iз подвiйними стiнками й iзоляцiєю мiж ними. Але i це не виключає втрат водню, що становить у кращих системах 1 % за добу.
Найперспективнiшим вважається зберiгання водню у зв’язаному станi у складi металогiдратiв. Цей спосiб зберiгання грунтується на властивостi гідридiв деяких металiв за низьких температур поглинати водень, а за високих— виділяти його. Для зарядження металогідридного акумулятора крізь гiдрид пропускають водечь i відводять теплоту. Пд час роботи двигуна гiдрид нагрівається гарячою водою або вiдпрацьованими газами i водень вивiльнюється. Вiдомо багато гiдридiв металiв i їх сплавiв, що мають властивiсть поглинати i вивiльнювати водень. Найбiльш легкими, здатними адсорбувати до 8 % водню за масою є магнiєві гiдриди. Проте водень з цих гiдридiв видiляється за температури, близької до 300 ˚С, i тиску 0,15 МПа. Залiзотитановi гiдриди поглинають водню до 2 % за масою, вивiльнення його вiдбувається за температури 7 ˚С, але вони мають велику масу.
Недоліки, якi пов’язанi з особливостями роботи двигуна, що живиться чистим воднем. Потужнiсть такого двигуна зменшується на 20—З0 % внаслiдок малої густини водню в газоподiбному станi, що спричиняє зменшення наповнення двигуна. Велика швидкiсть згоряння водневоповiтряної сумiшi веде до рiзкого пiдвищення тиску, жорсткої роботи з детонацiйноподiбними явищами. Через те, що водневоповiтряна сумiш легко запалюється, вона в процесi впуску може запалитися вiд нагрiтих деталей камери згоряння i вiдпрацьованих газiв, якi залишилися в цилiндрi, а це може призвести до зворотних спалахiв. Щоб позбутися спалахiв, у впускну систему водневого двигуна подають воду. При додаваннi 4—5 кг води на 1 кг водню зворотнi спалахи зникають.
Застосовують й iнші способи запобігання зворотним спалахам: рециркуляцiю вiдпрацьованих газів, подавання водню безпосередньо до впускного клапана. Повнiстю запобiгти зворотним спалахам можна безпосередньою подачею водню в цилiндр.
При згорянні водневоповiтряної сумiшi не відбувається утворення продуктiв неповного згоряння, властивих згорянню вуглеводневих палив, хоча у вiдпрацьованих газах у незначнiй кiлькості мiстяться СО якi утворилися в результатi згоряння оливи, що потрапила в камеру згоряння.