Основы создания бесшатунного экологически чистого дизеля

Проблема снижения токсичности отработавших газов дизельного двигателя не является новой. Авторы проводили исследования в одном из институтов МО. Здесь рассматривается один из возможных вариантов дизеля бесшатунной схемы (БШД). В связи с финансовыми затруднениями проект не был внедрен.

Решение проблемы снижения токсичности отработавших газов дизельного двигателя классической конструктивной схемы в значительной мере сдерживается наличием положительной корреляции между образованием окислов азота (NOх) в камере сгорания и такими характеристиками дизеля, как пусковые качества и топливная экономичность (КПД), обусловленные принятой степенью сжатия (e):

Рис. 1. Развитие процесса сгорания в камере сгорания (КС) дизеля: Gт, G’т– подача топлива в КС дизеля; П. к. в. – положение коленчатого вала

КПД цикла, h – 0,3; 0,32; 0,34; 0,36; 0,38; 0,4;

выход NOх – 0,34; 0,37; 0,43; 0,55; 0,79; 1,0.

Причина указанной взаимосвязи заключается прежде всего в том, что с повышением расчетной степени сжатия e и реализации подачи топлива GT при нахождении поршня в зоне ВMT повышается среднемассовая температура рабочего тела в камере сгорания дизеля. Соответственно растет КПД цикла, облегчается пуск двигателя.

Однако при этом при работе дизеля увеличивается неравномерность значений (в том числе максимальных) локальных температур в массе рабочего тела, что определяет количество образования в камере сгорания дизеля токсичных окислов азота.

Основная масса NOх образуется в первой фазе быстрого сгорания горючей смеси за 15–20° поворота коленчатого вала от ВМТ поршня. Объем камеры сгорания рабочего цилиндра дизеля остается еще близким к минимальному, но уже полностью реализована цикловая подача топлива GT (этап А – Б, рис. 1). Создаются условия, когда локальные значения температуры и давления рабочего тела имеют максимальные значения и при этом в камере сгорания сохраняется избыток свободного, еще неизрасходованного кислорода воздуха.

На этой стадии развития рабочего процесса образуется основная масса окислов азота, которые поступают в атмосферу с отработавшими газами при работе дизеля.

Общая продолжительность образования NOх соответствует повороту коленчатого вала дизеля на 35 – 40° от ВМТ поршня.

Совмещение условий (процессов) образования в камере сгорания дизеля NOх и реализации рабочего процесса составляют основную трудность снижения токсичности отработавших газов классической схемы дизеля без ухудшения его топливной экономичности.

В настоящей статье в качестве нетоксичного по выбросу NOх двигателя предложено использование дизеля бесшатунной схемы. Характеристика БШД и в частности закон движения поршней дизеля наиболее благоприятны для целей реализации нетоксичного рабочего процесса.

Одноцилиндровый БШД (как составная часть многоцилиндрового двигателя) включает (рис. 2):

рабочий цилиндр 1 (диаметром d) с разделенной вихревой камерой сгорания и форсункой 5;

два продувочных цилиндра 2 (диаметром D);

два коленчатых вала 3;

шестерни связи коленчатых валов 4;

топливную форсунку камеры сгорания 5;

силовые шпильки (тяги) 6;

поршни с наклонным пазом 7 для размещения шатунной шейки коленчатого вала 8. Наклон паза в поршне b принят равным 20°.

Работа БШД осуществляется следующим образом. При синхронном вращении коленчатых валов шатунные шейки сообщают поршням возвратно-поступательное движение. С помощью ориентированных друг к другу днищ рабочей части поршней цилиндра (диаметром d), вихревой камеры сгорания и форсунки реализуется рабочий процесс дизеля.

Головками поршней большего диаметра (D) осуществляются продувка, заполнение цилиндра и камеры сгорания свежим зарядом воздуха и наддув. Как отмечено, паз в поршне принят наклонным. Наклон паза в поршне увеличивает неравномерность его движения таким образом, что при повороте коленчатого вала на угол 2b (40°) после ВMT и НМТ перемещение поршня БШД незначительно и может быть принято за стояние (т. 2 – 2’, рис. 3, этап работы А’ – Б’).

Стоянием поршней БШД в НМТ улучшаются условия для качественной очистки рабочей полости цилиндра и камеры сгорания от отработавших газов, а также их заполнение зарядом свежего воздуха.

Стоянием поршней БШД в ВМТ (при их максимальном сближении за время поворота коленчатого вала на угол 0 – 40°) обеспечиваются стабильные условия для организации нетоксичного рабочего процесса. При этом сохраняется достигнутый уровень топливной экономичности двигателя, так как степень сжатия за время указанного стояния поршней БШД остается постоянной и соответствует ее расчетному значению.

В качестве возможных и наиболее доступных для реализации в конструкции БШД способов снижения токсичности отработавших газов могут быть приняты и реализованы следующие технические решения:

применение вихревой камеры сгорания (типа Дойц);

организация рециркуляции отработавших газов в камеру сгорания двигателя.

Рис. 3. Развитие рабочего процесса в камере сгорания БШД

При вихревом движении воздуха (рабочего тела) в цилиндре и в камере сгорания БШД максимальные значения локальных температур, уровень которых определяет количество образования NOх, понижается (выравнивается) до среднемассовой температуры. Соответственно снижается образование в камере сгорания БШД токсичных окислов азота. При этом выделяется теплота, которая повышает среднемассовую температуру рабочего тела в камере сгорания дизеля, соответственно повышается КПД цикла.

Рециркуляцией отработавших газов в камеру сгорания БШД замещается та часть воздуха, кислород которой в ходе рабочего процесса при данной цикловой подаче топлива остается неиспользованным (свободным). Это значит, что рециркуляция отработавших газов должна быть управляемой и зависеть от положения рейки ТНВД (величины подачи топлива форсункой). Общая масса газов и свежего воздуха цикла в камере сгорания дизеля должна сохраняться необходимой и достаточной для получения температуры устойчивого самовоспламенения впрыскиваемого в камеру сгорания топлива (топливовоздушной смеси).

Таким образом, снижение токсичности отработавших газов дизеля при сохранении достигнутого уровня его топливной экономичности может быть достигнуто разработкой двигателя по бесшатунной схеме.

Рис. 2. Схема БШД