Хорошие результаты в бензиновых двигателях дает инерционный наддув (использование газодинамических явлений во впускном трубопроводе). В этом случае длина, диаметр и форма впускного трубопровода и настройка турбокомпрессора выполняются так, чтобы на важных режимах работы двигателя обеспечивался максимальный коэффициент наполнения. Имеются реализации двух и трехрежимной (ступенчатой) газодинамической настройки длины и формы впускных каналов, например, в двигателях фирмы BMW и Фольксваген, обеспечивающие снижение расхода топлива на 5-7% и формирование благоприятной внешней характеристики.
Основным способом повышения литровой мощности бензиновых двигателей, как и дизелей, является наддув. Для двигателей с литровой мощностью 65-70 кВт/л все чаще применяют одноступенчатый наддув, а для двигателей с литровой мощность применяют двухступенчатый наддув.
Перспективно применение в бензиновых двигателях турбокомпрессоров с встроенным электродвигателем для подкрутки турбокомпрессора на некоторых режимах для получения большего давления наддува и расхода воздуха или системы наддува с приводным нагнетателем и свободным турбокомпрессором.
Кроме повышения экономичности бензиновых двигателей в последние годы достигнуто значительное (на 90 … 95%) снижение токсичных выбросов с отработавшими газами. Это было обеспечено прежде всего массовым внедрением электронных систем впрыска бензина, микропроцессорных систем управления рабочих процессов с обратной связью, поддерживающих в так называемых стехиометрических двигателях состав смеси в узких пределах (α=0,995 … 1,005), либо в двигателях с непосредственным впрыском в цилиндр, обеспечивающих изменение коэффициента избытка воздуха в широких пределах (α=0,9 … 4,0).
Эксплуатационная экономичность транспортных двигателей повышается, если их мощность используется в условиях оптимальной загрузки. С этой целью создаются двигатели с отключением части цилиндров при уменьшении нагрузки. Для уменьшения механических потерь на отдельных режимах отключают водяные насосы, вентиляторы и другие агрегаты.
Эксплуатационный расход топлива ДВС можно существенно уменьшить путем применения интегрированных электронных систем управления двигателем и всей силовой установкой машины, в составе которой работает двигатель. Такие системы оптимизируют не только работу двигателя и систем нейтрализации выпускных газов, но и совместную работу двигателя и автоматической коробки передач, обеспечивают поддержание наиболее рациональной скорости движения автотранспортного средства, а также выполняют непрерывное бортовое диагностирование технического состояния двигателя и его систем.
Основным способом увеличения удельной мощности двигателей всех типов является повышение давления воздуха на входе в цилиндр. Поэтому большое внимание уделяется совершенствованию систем воздухоснабжения, созданию сложных регулируемых систем наддува, совершенствованию агрегатов наддува, повышению их КПД, улучшению и согласованию их характеристик с характеристиками двигателя.
3. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА
Наряду с повышением экономичности и улучшением экологических характеристик ДВС весьма актуальной задачей является расширение сортамента применяемых видов топлив и улучшение их качества. Прежде всего речь идет о более широком использовании двигателями природного и попутного газа. При работе на газовом топливе уменьшается выброс в атмосферу токсичных веществ и примерно вдвое сокращается выброс углекислого газа СО2 .
Следует отметить возможность более широкого использования синтетических топлив, получаемых из угля и горючих сланцев. Эти топлива могут быть получены как промышленным способом, так и на борту транспортных средств в специальных газогенераторах. Продолжаются работы по использованию в дизелях водноугольных и топливноугольных суспензий.
Запасы газа, нефти, каменного угля и сланцев не возобновляются, поэтому наибольший интерес представляют топлива из возобновляемых источников, такие как биогаз, спирты (этанол, метанол), эфиры, растительные масла и топлива, получаемые из них. Исследования работы ДВС на спиртовом и спиртосодержащем топливе позволили установить, что меньшая теплота сгорания спиртосодержащих топлив компенсируется более высоким КПД двигателя, достигаемым повышением степени сжатия.
Характерно, что двигатели с принудительным воспламенением, работающие на спиртовых топливах (например, на метаноле), имеют лучшие экологические характеристики: меньшие выбросы оксида углерода СО и углеводородов СНx, вследствие возможности работы на обедненных смесях, а пониженная температура продуктов сгорания способствует меньшим выбросам с выпускными газами оксидов азота.
Значительный интерес в качестве моторного топлива представляет диметиловый эфир СН3ОСН3. Его можно получать из веществ, содержащих углерод (уголь, природный газ и биомасса). Технологический процесс получения диметилового эфира аналогичен процессу получения метанола. Уникальность этого топлива, близкого по своим физическим свойствам к свойствам сжиженного газа (пропан-бутана), заключается в том, что его можно применять в дизелях с малой модернизацией топливной аппаратуры. При этом работа дизеля характеризуется низким уровнем шума, минимальным уровнем выбросов сажи, низким уровнем выбросов оксидов азота, углеводородов. Немногие альтернативные топлива обладают аналогичными экологическими характеристиками. И только по одному компоненту диметиловый эфир уступает другим топливам – по выбросам СО. Впрочем, этот компонент в выпускных газах на 85…90% устраняется нейтрализатором в выпускной системе.
С точки зрения теплотворной способности и эмиссии токсичных компонентов в выпускных газах водород является самым лучшим из возможных альтернативных топлив. Проблемы, относящиеся к применению водорода в качестве топлива для ДВС, связаны с его получением, распределением и хранением его на борту транспортных средств. Себестоимость способов получения водорода электролизом воды, гидрированием угля, частичным окислением углеводородных топлив в пересчете на энергетическую единицу пока в 2-10 раз выше себестоимости получения природного газа и традиционных жидких топлив.
Кроме поиска альтернативных топлив необходимо отметить и непрерывное повышение требований к существующим моторным топливам. Обеспечение эффективной работы нейтрализаторов требует применения топлив с низким содержанием серы (не более 50 частей серы на миллион других частей), запрещения применения этилированных бензинов, сокращения содержания ароматических углеводородов в топливе и др.
4. Улучшение экологических показателей ДВС.
Экологические показатели ДВС определятся выбросом токсичных веществ с выпускными газами, испарениями топлив и масел (химическое загрязнение окружающей среды), шумом и вибрациями, сопровождающими работу двигателей (виброакустическое загрязнение), а также тепловым загрязнением окружающей среды. По оценкам исследователей в структуре общего загрязнения окружающей среды на долю ДВС, если учесть загрязнение в процессе добычи нефти, газа и другого сырья и переработки их на моторные топлива, приходится более 1/3 суммарного загрязнения.
Основными составляющими химического загрязнения окружающей среды при работе ДВС являются оксиды азота NOx (в основном NO и NO2), оксид углерода CO, сероводород H2S, углеводороды CHx (в том числе полицикличесие ароматические углеводороды, большинство из которых являются канцерогенами), альдегиды RCHO и твердые частицы (ТЧ). К числу твердых частиц относят сажу (основной компонент ТЧ), минеральные частицы из воздуха и топлива (пыль и зола), металлические частицы, образующиеся в процессе износа поверхностей трения ЦПГ, компоненты масла, присадок к топливу и др., т.е. все, что может быть задержано на фильтрующем материале.
В последнее время все острее становится проблема так называемых парниковых газов. Ярким представителем парниковых газов является углекислый газ CO2, на долю которого относят около половины парникового эффекта.
Экологические показатели ДВС имеют большое значение при выборе их в качестве источников энергии для агрегатов, работающих в изолированных объемах (шахты, рудники, животноводческие помещения, парники и др.) и плохо вентилируемых пространствах (длинные плохо вентилируемые тоннели, глубокие открытые карьеры и др.). Поэтому важно уметь правильно оценивать выброс вредных веществ, виброакустическое и тепловое загрязнения от ДВС при работе на различных режимах.
Для оценки токсичноси ДВС при работе на различных режимах используют характеристики токсичности. Количество оксидов азота и углеводородов на таких характеристиках представляют в приведенных к CO количествах (по величинам предельно допустимых концентраций в соответствии с санитарными нормами).
Анализ исследовательских и конструкторских работ по улучшению показателей токсичности ДВС позволил наметить наиболее перспективные направления:
- уменьшения образования токсичных веществ в цилиндре;
- разработка способов и устройств нейтрализации вредных веществ.
Наиболее рациональным путем уменьшения загрязняющего воздействия ДВС на окружающую среду является использование способов , уменьшающих образование токсичных веществ. Если же этими способами не удается достигнуть приемлемого уровня токсичности, то в выпускной системе для поглощения или нейтрализации вредных веществ устанавливают специальные устройства – нейтрализаторы. В этом случае усложняется и удорожается двигатель, а также могут незначительно ухудшиться его эффективные показатели.