admin / 20.08.2020

Кислородный двигатель

В повседневной жизни мы часто встречаемся с проблемами нехватки воды или продовольствия. Они причиняют нам определенные неудобства. Есть, однако, вещи, дефицит которых накапливается незаметно, но в ближайшем будущем рискует стать серьезной проблемой для обеспечения жизнедеятельности человечества. Содержание кислорода в доисторическую эпоху было 36%, полтора века назад — 26%, сегодня — чуть больше 20%. При 17% кислорода в атмосфере жизнь человека на Земле станет невозможной.

Наиболее эффективно обеспечение кислородом и использование его в окислительно-восстановительных процессах происходит в тех случаях, когда содержание кислорода в воздухе, который поглощают живые организмы, составляет 20,8%. К сожалению, в наше время в природных условиях оно реализуется лишь в городских парках (20,8%), загородных лесах (21,6%) и на берегах морей и океанов (21,9%). На городских улицах, в квартирах и офисах содержание кислорода значительно меньше (20%), что приводит к возникновению у людей кислородной недостаточности (гипоксии).

Если спросить любого автолюбителя, на чем ездит его машина, он не задумываясь ответит — на бензине. Некоторые вспомнят про выделяемый углекислый газ, совсем немногие — про сгораемый в этом процессе кислород. А зря. Сделаем небольшой расчет: сколько кислорода потребляет обычный автомобиль, причем не по объему, а по массе. В двигателе внутреннего сгорания бензин реагирует с кислородом, при этом выделяются углекислый газ и тепловая энергия. На сгорание двух молекул бензина требуется 25 молекул кислорода! Бак легкового автомобиля вмещает около 40 л бензина, или 28 кг по массе. Для его использования требуется 98 кг кислорода. По массе это в 3,5 раза тяжелее израсходованного бензина.

Всего в Свердловской области сегодня насчитывается 1,3 млн автомобилей. В нашей стране из расчета на тысячу жителей приходится 90 автомобилей. Резервы для роста этого показателя огромны: для сравнения, в США — 750 автомобилей на тысячу жителей. Попутно отметим, что всего в мире ежегодно выпускается 50 млн автомобилей, а в целом, с учетом выбытия, их насчитывается свыше 700 миллионов. А еще самолеты, тепловозы, промышленные установки…

Загрязнение атмосферы и ухудшение здоровья горожан происходят не столько из-за выброса вредных веществ, сколько из-за громадного потребления кислорода двигателями внутреннего сгорания и резкого снижения его доли в зоне дыхания людей. Так, за час работы мотор средней легковушки поглощает столько кислорода, сколько нужно человеку для дыхания в течение месяца. При наличии на улицах большого количества автомашин, тем более пробок, этот процесс приобретает лавинообразный характер. Учитывая, что выхлоп и забор воздуха идут примерно на одной горизонтали, происходит искусственное обогащение смеси. Это приводит к ухудшению условий сгорания топлива и увеличению в выхлопных газах окиси углерода и углеводородов. При подобных обстоятельствах двигатель должен заглохнуть: этого не случается только из-за ветра и естественного перемешивания воздушной массы. При полном же штиле описанная ситуация вполне реальна, ведь при снижении доли кислорода в атмосфере до 15% гаснет свеча и не загорается спичка.

А что происходит с человеком, если он оказывается вблизи транспортного потока? Многочисленные медицинские эксперименты показали, что при длительном вдыхании воздуха с содержанием кислорода менее 15% наступает смерть, а первые признаки кислородной недостаточности проявляются уже при 18,3%.

Многие зарубежные ученые считают, что кислород и природные циклы его репродукции находятся под угрозой. Так, по данным 1973 года, сжигалось 23% этого газа, производимого всей наземной флорой, а в 1993 году — уже 90%. Это происходит не только за счет роста автомобильного парка, интенсификации человеческой деятельности, но и из-за сокращения площади зеленых насаждений. При таком положении дел кислородная проблема возникнет даже раньше, чем топливная.

Сделаем укрупненный расчет баланса кислорода, выделяемого лесами Свердловской области и потребляемого автомобилями. Автомобиль сжигает за месяц то, что 1 га леса выделил в атмосферу за год. Соответственно, в год на один автомобиль нужно 12 га леса. В нашей области лесом покрыто около 13 млн га. А если перемножить 12 га, необходимых для покрытия потребностей в кислороде одного автомобиля, на число машин, зарегистрированных в Свердловской области (1,3 миллиона), получим 15,6 млн га. Таким образом, площадь наших лесов не компенсирует того количества кислорода, который потребляется автомобилями. При этом динамика удручает: количество автомобилей растет бешеными темпами, а площадь лесов в Уральском регионе за последние сто с небольшим лет сократилась почти вдвое. Было бы неплохо предложить нашим автолюбителям сначала посадить 12 га леса, а потом уже покупать машину. Не исключаю такого варианта в будущем.

В мегаполисах дефицит кислорода еще более усугубляется. В Свердловской области идет отток населения из провинциальных районов в Екатеринбург. С оттенком гордости мы говорим о строительном буме и видим, как в центральной части города дома возводятся почти вплотную друг к другу. Я как-то пытался посчитать, сколько зеленых насаждений, деревьев, газонов приходится на одного человека в центре Екатеринбурга. При норме 24 метра у меня получились дециметры… С учетом высокой концентрации автомобилей из-за дефицита зеленых насаждений, нарушений при уплотненной застройке мы программируем жителям города целый букет заболеваний, от астмы до онкологии. Врачи установили, что недостаток кислорода вызывает общую слабость, мышечные и головные боли, нарушение сна и обмена веществ, частые инфекционные болезни, снижение иммунитета и сексуальной активности, депрессию. Список можно продолжать, но уже очевидно, что он очень напоминает типичную картину недугов наших горожан.

Многие смотрели фильмы про стритрейсеров, и помнят, когда в конце дистанции гонщик нажимает заветную кнопку и мощность автомобиля увеличивается многократно. Эта система называется нитро, или закись азота, или просто NOS.

Преимущества закиси азота

  • Дает намного больше сил за 1 рубль, чем другие модификации двигателя.
  • Прост в установке.
  • Используется только когда нужно и машина остается средством ежедневного передвижения.
  • Существуют системы с отдачей от 25 до 500 лошадей.
  • Легко демонтировать и поставить на другую машину.

Как работает

Закись азота — бесцветный газ, не имеющий запаха, в котором вес кислорода составляет 36%, что значительно больше чем в воздухе. Это позволяет смеси гореть с выделением большой температуры. Чтобы отделить молекулы кислорода от молекул азота нужна очень высокая температура.

Дополнительный кислород повышает уровень горения в цилиндре, заставляя смесь гореть быстрее и «жарче». Этот процесс в свою очередь развивает большее давление в цилиндре и как результат — повышение мощности.
Попадая в камеру сгорания, закись азота возвращается в газообразное состояние и при этом охлаждается до -51 °C. Проходя по воздуховоду этот холодный газ охлаждает воздух идущий в цилиндр. Когда смесь охлаждается она становится плотнее, позволяя добавить больше бензина. Таким образом холодная, густая рабочая смесь позволяет вытягивать еще большее число лошадей из мотора, т.к. от уменьшения температуры в камере сгорания на 10°С мы получаем прирост в лошадях на 1%. Это значит, что при понижении температуры на 50°C в 300 сильном двигателе мы получаем 30 л.с.

Все эти радости омрачаются риском. Страшные истории про оплавившиеся поршни и сгоревшие моторы подкреплены фактами. Чтобы использовать нитро систему безопасно, главное не перегибать палку.
Пока устанавливаете относительно не мощную систему закиси азота — опасаться нечего. Но как только превышаете возможности двигателя, начинаются проблемы. Итак: 4-х цилиндровому мотору подходит NOS мощностью 25-50 л.с.; шестицилиндровому — до 75 л.с. ; и если 8 цилиндров, то не больше 100 л.с. Если это слишком мало, то понадобится сильно тюнинговать мотор. Если остаетесь в предложенных рамках, то все, что нужно — это заменить свечи на менее холодные, ведь температура в камере сгорания повысилась.

В баллоне содержится чистый кислород. Например, в воздухе его 22 процента, а остальное CO2, а в баллоне от 33 % кислорода и больше. Чем чище и холоднее кислород и чем больше его, тем больше мощность при правильном соотношении воздух бензин. Также закись азота помогает при низком атмосферном давлении.
Следующая важная доработка — система подачи топлива. С повышением давления в цилиндре требуется больше топлива, а соответственно более производительный топливный насос. Нужен такой, чтобы прокачивал 4 литра бензина на каждые 10 лошадей в час при максимальной нагрузке на двигатель. Также не лишним будет датчик давления в цилиндре, который поможет контролировать работу топливного насоса.
На автомобилей для драг-рейсинга устанавливают систему закиси азота, которая повышает мощность до несколько сотен «лошадей». Это сильно сказывается на ресурсе мотора, но может принести победу в соревнованиях. Кстати, в дрэг-рейсинге разрешено любое жидкое топливо — бензин, газ, спирт. Закись азота тоже легальна, но вот нитрометан запрещен.
Следует учитывать, что нажимать на кнопку NOS можно не бесконечно — продолжительность нажатия зависит от объема баллона с газом и выдаваемой дополнительной мощности. Так сколько раз можно «ткнуть» кнопку с одним баллоном? При условии прибавки мощности на 100 л.с. — 4 раза без подогрева баллона и 6 раз с ним.

Система подачи закиси азота.

Как закись азота стала одним из любимых средств поклонников мощности? Принцип прост: воздух + топливо + воспламенение = мощность. Из этого следует, что больше воздуха + больше топлива = больше мощности. Именно это уравнение производители систем впрыска закиси азота используют для того, чтобы получать значительные прибавки мощности – до 400 «пони» в некоторых случаях. При этом не играет роли то, какая у вас машина – околоспортивный компакт или профессионально подготовленный к гонкам болид.

Однако многие автоэнтузиасты до сих пор не понимают до конца, как именно системы закиси азота позволяют получить дополнительную мощность. Что более важно, они не понимают, как настраивать закись для получения оптимального результата. В помощь им и другим интересующимся данным вопросом мы опишем основы ее работы.

Основы.

Для производства лошадиных сил двигатель использует три ингредиента. Это топливо, кислород (который содержится в воздухе) и свечи (воспламенение смеси). Кислород в топливно-воздушной смеси выступает в качестве катализатора. Когда свеча поджигает смесь, смесь расширяется и двигает поршни вниз по цилиндрам. Закись азота усиливает процесс горения – и увеличивает мощность двигателя – изменяя топливно-воздушную смесь тремя разными путями:

1. Закись азота увеличивает количество кислорода в смеси. Впрыскивая ее в двигатель, вы, по сути, добавляете в смесь концентрированный кислород. Ведь закись азота (N2O – вспомним уроки химии) состоит из двух атомов азота и одного атома кислорода. Попав в двигатель, молекулы закиси под действием высоких температур горения смеси распадаются на азот и кислород, и этот самый высвободившийся кислород позволяет бензину сгорать эффективнее. Система закиси азота, грубо говоря, позволяет мотору сжигать большие объемы топлива, поставляя ему большие объемы кислорода, поддерживающего это горение.

2. Закись азота улучшает распыление топлива, то есть процесс, при котором поступающее в двигатель топливо разделяется на множество мельчайших капелек. Это позволяет свечам зажигания быстрее и эффективнее поджигать его. Распыление необходимо, потому что для сжигания топлива оно должно превратиться практически в пар (по плотности, разумеется). Как и любая другая жидкость, чтобы перейти в газообразное состояние, бензин должен испариться. Тепло двигателя и распыление топлива – ключевые моменты в ускорении процесса испарения. За тепло отвечает процесс сгорания, а распыление берет на себя система закиси. Все это создает благоприятные условия для более быстрого испарения бензина и более быстрого сгорания смеси вкупе с увеличенным уровнем содержания кислорода.

3. Системы закиси азота увеличивают плотность топливно-воздушной смеси. При впрыске закиси азота она мгновенно меняет свое состояние с жидкого до состояния очень холодного газа. Пары азота охлаждают всасываемую смесь. А, как известно, более холодная и более плотная смесь лучше горит и производит больше мощности.

Очень важно развеять одно очень распространенное заблуждение о закиси азота: закись – это не топливо и она не увеличивает мощность сама по себе. Закись азота – великолепный способ добавить в двигатель больше кислорода и сжечь таким образом больше бензина, но сама по себе она не горит. Чтобы получить больше мощности, нужно добавить больше топлива. То, как именно вы будете его добавлять, зависит в большей степени от типа системы закиси, которую вы выберете.

Типы систем впрыска закиси азота.

Когда вы решите купить систему закиси, вы обнаружите, что существует большой выбор разных типов систем для карбюраторных двигателей и двигателей с электронно управляемым впрыском топлива. Есть множество разновидностей систем впрыска закиси, но в итоге все они сводятся к трем основным: «мокрая», «сухая» и «директ-порт» (direct-port).

Сухая система – обычно самый легкий путь «прикрутить» закись к двигателю с впрыском топлива. Сухие системы работают с уже существующей топливной системой, «поставляя» ей необходимое количество топлива. Эта «поставка» идет двумя путями. Первый путь – это «обман» заводской системы впрыска топлива, в результате которого в двигатель начинает попадать большее его количество. В этом случае система закиси позволяет модифицировать настройки вашего автомобильного компьютера, изменяя объем впрыскиваемого бензина. Второй путь – это увеличение давления топлива, поступающего в двигатель через инжекторы, посредством давления закиси азота и управляющего соленоида при активации системы

Мокрые системы впрыска закиси азота оборудованы собственными топливными компонентами, предназначенными для введения дополнительного количества топлива во впускной коллектор. Этот тип систем включает отдельный топливный электромагнит и форсунку, которая распыляет топливо туда же, куда и закись азота. В большинстве карбюраторных систем топливо и закись азота вводятся за карбюратором, а в системах с впрыском топлива смесь распыляется до блока дроссельной заслонки.

И, наконец, существует система директ-порт. Она впрыскивает смесь топлива и закиси азота непосредственно в цилиндры двигателя. Обычно в таких системах и закись, и топливо попадают в двигатель через одну общую форсунку. Так как в каждом цилиндре установлены свои, индивидуальные форсунки, система директ-порт оказывается самой точной и дающей наибольшую мощность. Потенциал тюнинга у нее больше, чем у других типов систем закиси, потому что каждая форсунка может быть отрегулирована для более точного контроля за потоком закиси азота и топлива индивидуально к каждому цилиндру.

Недостатком системы директ-порт является сложность ее установки. Сложность заключается в том, что впускной коллектор нужно сверлить и вставлять в него форсунки. Поэтому директ-порт обычно используется на серьезных гоночных автомобилях.

Подведем итоги. Закись азота – один из самых популярных способов получения прибавки в мощности для спортивных и околоспортивных автомобилей. Она обычно доступна по цене, проста в установке и дает ощутимый эффект, когда вам нужно, чтобы машина поехала быстрее, и позволяет эксплуатировать машину в нормальном режиме, когда вам хочется неспешной езды. А теперь, когда мы изучили основы, давайте разберемся с тем, как можно получить оптимальный эффект от использования систем впрыска закиси азота.

Как получить максимальный прирост мощности от вашей системы закиси.

Итак, повторим: системы впрыска закиси азота позволяют получить больше мощности благодаря охлаждению топливно-воздушной смеси, улучшению распыления топлива и реализации возможности сжигать больше топлива за единицу времени. Хотя систему закиси можно «прикрутить» на стоковый двигатель без особых доработок и получить значительный прирост «лошадей», есть возможность получить от купленного вами комплекта с ярлычком «NOS» более существенную пользу. Для этого нужно предпринять несколько довольно простых шагов, которые мы и опишем.

Регулируем давление топлива.

Мощность, которую можно извлечь из закиси азота, прямо пропорциональна количеству топлива, которое вы «заливаете» в двигатель. Поток топлива при использовании системы закиси определяется двумя факторами: диаметр сопла форсунки и давление топлива.

В том, что касается размера форсунок, всегда следуйте рекомендуемым в инструкции к системе закиси параметрам. Если ваша система имеет возможность настройки, начните с умеренных значений. Для начала установите наименьший диаметр форсунок, и затем постепенно увеличивайте его. Если началась детонация или перебои зажигания, уменьшите количество поступающей в двигатель закиси азота – вернитесь к более низким значениям диаметра сопла. В большинстве случаев это снимет проблему и одновременно позволит избежать потерь в мощности.

Для нормальной работы системы закиси требуется определенное минимальное значение давления топлива. Системы NOS, например, требуют от 5.5 до 6 psi. Тем не менее, чем больше топлива попадает в двигатель, тем больше мощности он выдает в итоге. Вы можете захотеть повысить давление топлива до значения, которое даст в итоге прирост мощности без детонации или осечек.

Устанавливая нужное давление топлива, следите за соответствующим датчиком во время активации системы, и настраивайте систему в соответствии с его показаниями. Это позволит достигнуть большей точности настройки. Значения давления топлива могут постепенно увеличиваться в то время, когда система не активируется, что выльется в несоответствующие истине показания датчика, когда система закиси будет работать.

На стоковых или не сильно модифицированных двигателях стандартная топливная система будет работать нормально. На двигателях, в которые внесены значительные изменения, и мощность которых имеет самые высокие значения, потребуется доработка топливной системы. Апгрейд может быть и простым (установка более производительного топливного насоса), и более сложным (полностью разработанная заново топливная система, предназначенная для использования именно с системой впрыска закиси азота).

Знаете ли вы свой двигатель?

При выборе той или иной системы впрыска закиси азота очень важно знать возможности, цели и ограничения вашего двигателя. Если вы не уверены в своих познаниях касательно его внутренних компонентов, исходите из того, что двигатель стандартный и склоняйтесь к умеренным значениям диаметров форсунок и давления топлива. NOS рекомендует придерживаться следующих значений мощности систем закиси для стандартных двигателей: 40-60 л.с. для 4-цилиндровых моторов, 75-100 для 6-цилиндровых, до 140 л.с. для маленьких блоков двигателя и 125-200 л.с. для больших блоков.

Регулируем зажигание

Регулировка момента зажигания на большинстве машин осуществляется так, что максимальное давление в цилиндре приходится на период между 10 и 15 градусами после верхней мертвой точки – оптимальное значение в цикле сгорания. Чтобы максимальное давление в цилиндрах приходилось именно на этот момент, нужно предпринять некоторые шаги, которые обеспечат опережение в любой точке между 30 и 45 градусами перед верхней мертвой точкой.
Как уже упоминалось, закись делает воздушно-топливную смесь более плотной и позволяет сжигать ее быстрее. Поэтому пиковое давление в цилиндрах наступает намного раньше, чем обычно. В результате возвратно-поступательный механизм вынужден противодействовать давлению в цилиндре и поглощать большую часть энергии сгорания. Что выливается в потерю мощности и крутящего момента, а в некоторых случаях – в повреждения двигателя.

Для предотвращения такого рода неприятностей нитроэксперты и производители систем закиси рекомендуют замедление зажигания. Считая приблизительно, зажигание нужно замедлить до значений 1.5-2 градуса для каждых 50 л.с., добавленных при помощи закиси. Это сдвинет пиковое давление в цилиндрах назад к значению от 10 до 15 градусов после верхней мертвой точки. Для установки специфических параметров зажигания посмотрите инструкцию к вашей системе закиси азота.

Какие свечи лучше выбрать?

Так как двигатель с системой закиси потребляет больше топлива, вам нужно подобрать свечи, которые соответствуют возросшим объемам топливно-воздушной смеси. При выборе свечей зажигания нужно учитывать три фактора: зазор между электродами, тепловые характеристики и длина ввернутой части.

Зазор свечи – это расстояние между электродом, соединенным с массой, и центральным электродом. В момент зажигания между ними проскакивает искра, которая, собственно, и поджигает топливно-воздушную смесь.
При использовании систем закиси давление в цилиндре увеличивается и свече становится труднее, образно говоря, преодолеть зазор между электродами. Поэтому нитро-производители советуют использовать свечи с меньшим зазором – в большинстве случаев подойдет зазор от 0,635 до 0,889 мм. В любом случае – смотрите рекомендации в инструкциях. Использование свечей со слишком большим зазором приведет к перебоям в зажигании и общей потере мощности.

Тепловые характеристики подразумевают соотношение температуры керамического материала, окружающего центральный электрод, к тому, как он рассеивает тепло. В выборе верного температурного диапазона свечей для двигателя с системой закиси может присутствовать некая доля риска. Если температуры диапазона слишком высоки, смесь может перегреваться. Если они слишком низки, свечи не смогут нагреваться до того, чтобы с них выгорали отложения, и начнут загрязняться.

Свечи «холодного диапазона» хорошо работают с паре с повышенным давлением в цилиндрах, которое возникает при использовании систем закиси. Большинство производителей систем впрыска закиси азота рекомендуют использовать свечи с диапазоном температур на шаг-два ниже, чем те, что вы обычно используете. Хотя отдельные компании советуют своим клиентам «спускаться» на один шаг для каждых 100 л.с. прироста мощности от закиси.

И последний фактор в выборе свечей – это длина ввернутой части. Она напрямую влияет на расположение электрода в камере сгорания. С закисью азота всегда используйте короткие свечи с не удлиненными электродами. Так как закись способствует большей температуре сгорания и большему давлению в цилиндрах, более длинные электроды на свечах сильнее поглощают тепло, выгорают и вызывают проблемы с зажиганием. В проектах с очень большим количеством лошадиных сил вы можете даже захотеть укоротить электрод, соединенный с массой.

«ПЛАМЕННЫЙ МОТОР» С ЭЛЕКТРО-КОНДЕНСАТОРОМ, или что сбережет земной кислород

Таблица 1. Динамика роста автомобильного парка Земли
Год 1900 1914 1921 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
Кол-во
автомоб,
млн.
0,011 1,826 10,927 46,057 70,388 126,000 230,000 362,000 550,000 700,000
Таблица 2. Число автомобилей на 1000 жителей в различных странах
Страна США Франция Англия Германия Япония Россия Китай Индия Страны Африки
Число атомобилей на 1000 жителей, шт. 750 550 500 490 380 90 8 5 1

Рис 1. Зависимость состава отработавших газов двигателя с искровым зажиганием от содержания кислорода в воздухе

И такой процесс невозможно ни затормозить, ни остановить, поскольку он обеспечивает ряд удобств, ускоряет развитие экономики, облегчает перевозки людей и грузов. Однако это сопровождается и небывалым загрязнением окружающей среды и, особенно, атмосферы городов. Впервые сигналы о вредности выхлопных газов поступили из Калифорнии, где стали наблюдаться явления смога и разное ухудшение здоровья людей из-за них. И лишь в 1959 г там появились первые юридические документы, ограничивающие допустимую концентрацию вредных компонентов в отработавших газах автомобилей, а начиная с 1969 г., и в Европе стали вводить законы, касающиеся токсичности выхлопов. Они заставили производителей автомашин внести существенные изменения в конструкцию двигателей, после чего уровень токсичных компонентов снизился примерно на 70%. Но несмотря на это, выхлопы огромного количества машин продолжают оставаться опасными для обитателей больших городов.

Таблица 3. Состав
атмосферы
Газ Содерж., %
Азот
Кислород
Углекислый
газ
Аргон
Прочие газы
76,080
20,940
0,031
0,930
0,010

Итак, законодатели разрабатывают нормативы, производители тратят немалые средства на их достижение — но уже с меньшим успехом. Несомненно, по мере появления новых законов будет возрастать стоимость разработки и изготовления двигателей, их дополнительного оборудования и обслуживания. К тому же все эти расходы ложатся на плечи потребителей в виде увеличения цен на автомобили или принудительной установки на них какого-то дорогого и бесполезного нейтрализатора. Кстати, похожие планы намечены на 2000 г. у правительства Москвы.

А между тем, многочисленные эксперименты, проведенные в Лаборатории перспективных разработок МГТУ-МАМИ, показали, что загрязнение атмосферы и ухудшение здоровья горожан происходят не столько из-за выброса вредных веществ, сколько из-за громадного потребления кислорода двигателями внутреннего сгорания (ДВС) и резкого снижения его доли в зоне дыхания людей. Так, для сгорания 1 кг бензина требуется около 300 л и кислорода, и за час работы мотор средней легковушки поглощает столько кислорода, сколько нужно человеку для дыхания в течение месяца. Общеизвестно, что кислорода, потребного легким, в незагрязненном воздухе чуть больше 20% (табл. 3). В выхлопных газах его ничтожно мало, зато взамен его выделяются углекислый газ и окись углерода (табл. 4). При дальнейшей работе двигателя в окружающем его пространстве содержание кислорода с каждым оборотом снижается, а токсичных компонентов — возрастает.

При наличии на улицах большого количества автомашин и, тем паче, «пробок», такой процесс носит лавинообразный характер. Учитывая, что выхлоп и забор воздуха идет примерно «на одной горизонтали», да еще если нет ветерка, — происходит искусственное обогащение смеси или снижение коэффициента наполнения из-за изменения стехиометрического состава воздуха в цилиндрах ДВС. Это приводит к ухудшению условий сгорания топлива и увеличению в выхлопных газах окиси углерода и углеводородов (рис. 1). При подобных обстоятельствах двигатель должен заглохнуть — что не случается только из-за ветра и естественного перемешивания воздушной массы. При полном же штиле описанная ситуация вполне реальна, ведь при снижении доли кислорода в атмосфере до 15% гаснет свеча и не загорается спичка.

Таблица 5. Влияние содержания кислорода на состояние здоровья человека
Парциальное давление кислорода в воздухе, мм рт. ст. (Н/м2) Объемный процент кислорода Симптомы
160(21331,5) 20,94 Нормальное состояние
140(18665,1) 18,32 Первые признаки кислородной недостаточности
110(14665,1) 14,39 Первые признаки гипоксии. При длительном вдыхонии наступает смерть
60(7999,3) 7,85 Опасно для жизни. Смерть

А что происходит с человеком, если он оказывается вблизи транспортного потока? Многочисленные медицинские эксперименты показали, что при длительном вдыхании воздуха с содержанием кислорода менее 15% наступает смерть (табл. 5). Если учесть, что одновременно в воздухе нарастает концентрация углекислого газа, окиси углерода и азота, то становятся совершенно излишними рассуждения о более чем 200 токсичных компонентах в выхлопных газах автомашин… Из медицинских исследований известно, что содержание в атмосфере 14-15% нетоксичного углекислого газа приводит к смерти из-за асфиксии дыхательных путей, а присутствие в ней 93% тоже нетоксичного азота вызывает атоксемию и тот же исход.

Именно такое произошло в Лондоне в 1952 г., когда, при полном отсутствии ветра в течение нескольких дней, возникший от выхлопных газов смог унес жизни 4 тыс. человек, а еще у 1 тыс. появились симптомы острой кислородной недостаточности. Когда-то писатель-фантаст Герберт Уэллс мечтал о городах с крытыми улицами. После изобретения автомобиля это превратилось в утопию… Каков бы ни был состав выхлопных газов, основная вредность ДВС происходит от сжигания кислорода атмосферы и снижения его доли в зоне дыхания людей, расположенной на том же уровне, что и система силовых установок автомобилей. В довершение всего напомним, что находящийся там же углекислый газ имеет удельный вес 1,97 кг/м2, что почти в полтора раза больше этого показателя воздуха (1,29 кг/м2), и скапливается вблизи земли.

Таким образом, снижение доли кислорода — там, где мы обитаем, — вызывается работой ДВС, независимо от того, какое топливо они потребляют — бензин, газ, спирт и даже чистый водород! В то же время, как считают многие зарубежные ученые, кислород и природные циклы его репродукции находятся под угрозой. Так, по данным 1973 г., сжигалось 23% этого газа, производимого всей наземной флорой, а в 1993 г. — уже 90%, не только за счет роста автомобильного парка, интенсификации человеческой деятельности, но и из-за сокращения площади зеленых насаждений. Ведь автомобиль сжигает за месяц то, что 1 га леса выделил в атмосферу. При таком положении дел кислородная проблема возникнет даже раньше, чем топливная.

Таблица 6. Время работы двигателей на отдельных режимах в городах
Место исследования Холостой ход, % Разгон, % Установившееся движение, % Замедление, %
Москва 22 37 12 29
Токио 44 24 15 17
Варшава 27 36 14 23
Тегеран 38 22 26 14
Париж 35 22 29 14
Нью-Йорк 15 37 16 32
Таблица 7. Эффективность использования комбинированных силовых установок на различных транспортных средствах
Циклы

Магистральные Городские
Легковые/Грузовые Легковые/Грузовые/Автобусы
Отношение максимальной мощности ДВС к средней
1,9/2,5 6,0/7,5/8,4

Хуже того, некоторые специалисты полагают, что еще раньше появится другая проблема — потепление климата, опять-таки связанная с развитием автомобильного транспорта. Атмосфера содержит 2,3 х 10^12 т углекислого газа, а сжигаемое топливо ежегодно вносит в нее еще 1х10’° т. Если его количество увеличится на пятую часть и достигнет 0,0379%, следует ожидать заметного повышения температуры на планете, которое и сейчас составляет 1° в год. Это приведет к таянию льдов на полюсах уже через 20 — 25 лет, постепенному подъему уровня Мирового океана примерно на 70 м и затоплению многих стран.

Где же выход? В ограничении выпуска автомашин и переходе на электромобили? Остановить шествие по планете первых невозможно, использование вторых экономически невыгодно и просто немыслимо без источников энергии, способных конкурировать с бензином, — сжигание его литра позволяет получить 40 МДж энергии, а тот же объем аккумуляторов — в 100 раз меньше. Выход, на ближайшие 30 — 50 лет, — в энергосбережении. Современный автомобиль с мощным двигателем крайне неэкономично расходует свои «лошадки», а следовательно, и топливо. Между тем, по последним данным, известные запасы нефти в мире составляют около 270 млрд т, а в 1999 г. ее добыли 7,5 млрд т, то есть, по мнению авторов «Римского отчета», при нынешнем уровне потребления ее запасов хватит всего на 35 лет.

В то же время плотная загрузка городских магистралей и частые остановки приводят к тому, что продолжительность движения автомашин с установившейся скоростью не превышает 30%, а протяженность участков разгона и замедления составляет 30- 80% общего пути, пройденного машиной (табл. 6). Что же касается городских автобусов и такси, то здесь дела обстоят еще хуже, они почти всегда то разгоняются, то тормозят (рис. 2). Единственным решением проблемы является переход к комбинированным силовым установкам. Для поездки на автомобиле по городу большая мощность не нужна, а пиковые нагрузки при разгоне можно компенсировать использованием накопителя энергии в виде электрических конденсаторов, аккумулирующих энергию при замедлении, торможении и на холостом ходу на остановках.

Таблица 8. Удельная мощность, отдаваемая различными накопителями
Вид накопителя Мощность, Вт/г
Тепловой 0,1
Резина 0,8
Аккумуляторы химические 0,0-1,5
Сжатый газ 10
Маховики 10
Индуктивность 102
Бензин 103
Взрывчатые вещества 103
Электрические конденсаторы 105
Ядерный распад 1012
Термоядерный распад 1013

Известно, что при рекуперации энергии торможения до 50% ее можно вернуть в конденсаторы. В Лаборатории перспективных разработок МГТУ-МАМИ были проведены эксперименты и расчеты (табл. 7), показавшие эффективность комбинированных установок на автомобилях разного назначения. Анализ результатов показывает, что, например, на автобусе мощность двигателя ничто не мешает уменьшить в 8,4 раза, на грузовом и легковом автомобилях — соответственно в 7,5 и 6 раз без ущерба для их динамических качеств. И даже на магистральных циклах мощность ДВС грузовика при использовании накопителя можно сократить в 2,5 раза. Словом, применение таких установок на автотранспорте сократит общую установленную мощность двигателей, что повлечет пропорциональное снижение расхода топлива, кислорода и оздоровление воздуха в городах. Всеобщий же переход на подобный транспорт позволит не только остановить разрушительное наступление автомобиля на экологию, но и вернуться к относительно благополучной ситуации, существовавшей примерно в 1959 г.

Схема комбинированной установки проста (рис. 3): ДВС небольшой мощности, работающий, кстати, в неизменном режиме, например, минимальной токсичности, вращает генератор, который питает тяговый электромотор. Излишки энергии, вырабатываемой генератором при разных режимах движения, а также энергия рекуперации, поступают в емкостный накопитель и затем, по мере надобности, расходуются при разгонах или за тяжных подъемах. Идея таких силовых установок, конечно, не нова, но предложение дополнить их емкостным накопителем принадлежит научным сотрудникам Лаборатории. Они первыми проанализировали все известные в мире накопители энергии по всем параметрам и установили, что емкостные по простоте использования (нет вращающихся частей), безопасности (нет сосудов под высоким давлением) и, самое главное, по отдаваемой мощности в единицу времени не имеют себе равных (табл. 8).Используя их, специалисты Лаборатории впервые в мире изготовили одноместный автомобиль с комбинированной силовой установкой, информация о котором обошла все научно-технические журналы мира.

Рис. 2. Схема типовых циклов движения городского автобуса. Цифрами обозначены: 1 — разгон, замедление, торможение; 2 — разгон, установившееся движение, замвдление, торможение.

Новая концепция подхода к вопросу о токсичности ДВС позволяет сделать важные выводы-рекомендации относительно дальнейшей автомобилизации. Прежде всего, необходимо признать: классический автомобиль прошел пик своего развития; если не предпринять радикальных мер, он, сжигая атмосферный кислород, погубит планету; дальнейшее совершенствование ДВС для снижения его токсичности до уровня существующих и будущих норм невозможно без увеличения стоимости производства, дополнительного оборудования и эксплуатационных затрат. Настало время разумного компромисса между санитарными нормами и техническими возможностями. Ныне достигнутый компромисс снимет только противоречий между производителями машин и законодателями, а экологическая ситуация продолжит катастрофически ухудшаться.

При огромной численности автомашин в мире и чудовищном уничтожении ими кислорода атмосферы (1 х 10’° т в год) совершенно неважно, на каком топливе работают их двигатели, поскольку расход кислорода приблизительно одинаков. И в такой ситуации становятся бессмысленными всевозможные катализаторы, дожигатели, присадки к топливу и прочие паллиативные меры. Бесперспективными будут и попытки оснащать автомобили двигателями других конструкций — Ванкеля, Стирлинга, газотурбинными и т.п. Абсурдным, с точки зрения экономики, станет переход на электромобили, пока не появится источник энергии, способный конкурировать с бензином по энергоемкости.

Рис. 3. Блок-схема комбинированной энергоустановки автомобиля.

Настало время для правительств всех стран всерьез задуматься: стоит ли ограничивать токсичные выбросы ДВС, не лучше ли ввести налог на расходуемый ими кислород, что напрямую связано с их мощностью? Ведь платим же мы за землю, воду, лес, рыбу, являющиеся природными богатствами… Кислород может оставаться бесплатным лишь для дыхания. Единственным развитием проблемы автомобиля остается применение комбинированных энергоустановок с использованием емкостных накопителей энергии.

Более дальней перспективой может стать использование ДВС или топливных элементов, работающих на кислороде и водороде, но полученных не из воздуха, а из воды, — ее запасы на планете составляют 1,5 млрд куб. км, то есть по количеству содержащегося в ней кислорода она равноценна атмосфере (1,5 х 10^5 т). Причем сама вода не будет расходоваться при их работе, ибо при сгорании водорода она же и останется в выхлопе. И тогда не придется лимитировать мощность двигателей и платить за кислород… К сожалению, пока способы разложения воды весьма энергоемки, и для получения 2 куб. м водорода и 1 куб. м кислорода, что приблизительно равноценно 1 л бензина, нужно израсходовать 14-15 кВтч электроэнергии — в 5 — 6 раз больше, чем можно получить, собственно, от двигателя в виде механической энергии.

Вячеслав ХОРТОВ, руководитель
Лаборатории перспективных разработок
Московского государственного
технического университета (б. Московский
автомеханический институт)

Эта статья об использовании закиси азота в контексте гонок. Для использования в других целях, см Закись азота . Высокопроизводительный автомобиль с системой продувки закисью азота

Закиси азота двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания , в котором кислород для сжигания топлива происходит от разложения закиси азота , N 2 O, а не воздух. Система увеличивает выходную мощность двигателя, позволяя топливу сжигаться с более высокой скоростью, чем обычно, из-за более высокого парциального давления кислорода, впрыскиваемого вместе с топливной смесью. Закись азота не воспламеняется при комнатной температуре или под высоким давлением. Системы впрыска азота могут быть «сухими», когда закись азота впрыскивается отдельно от топлива, или «мокрыми», когда дополнительное топливо подается в двигатель вместе с закисью. Системы закиси азота могут быть запрещены для использования на улицах или шоссе, в зависимости от местного законодательства. Использование закиси азота разрешено в некоторых классах автогонок. Надежная работа двигателя с впрыском азота требует внимательного отношения к прочности компонентов двигателя и точности смесительных систем, в противном случае могут произойти разрушительные взрывы или превышение максимально допустимых значений инженерных компонентов. Системы впрыска закиси азота применялись еще во время Второй мировой войны для некоторых авиационных двигателей.

FILED UNDER : Разное

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*