ТЕХНИКА И НАУКА

Двигатель для машин XXI века

Перед инженерами стоит задача: повысить экономичность автомобильного двигателя и одновременно снизить количество вредных выбросов. Мощным инструментом для достижения этой цели становится моделирование процессов, идущих внутри двигателя внутреннего сгорания

На протяжении входящего столе­тия двигатели машин и горючее, кото­рое приводит их в действие, были мощ­ным мотивационным фактором в политике всех ведущих мировых держав. Для того чтобы получить доступ к запасам нефти, захватывались целые страны, велись кровопролитные вой­ны. Если принять во внимание огра­ниченность запасов нефти и усиление парникового эффекта в атмосфере, не будет сюрпризом узнать, сколь боль­шие усилия прилагаются для повыше­ния экономичности двигателя внут­реннего сгорания, особенно автомо­бильного - основного потребителя нефти и источника окиси азота.

Однако повышение экономичнос­ти - достаточно трудная инженерная задача. С ростом ТКПД уменьшается выброс окиси углерода, но одновре­менно увеличивается эмиссия окис­лов азота, очень вредных продуктов, образующих фотохимический смог. Если для снижения выбросов окис­лов азота процесс сгорания топли­ва немного изменить, увеличится выброс твердых частиц и угарного газа.

В бензиновых двигателях, кото­рые используются сегодня в боль­шинстве автомобилей, на пути уве­личения экономичности возникает проблема детонации. Чем сильнее сжимается топливная смесь в ци­линдре, тем эффективнее работает двигатель, тем выше его КПД. Но с увеличением степени сжатия про­цесс сгорания топлива изменяется и возникает детонация, для предотвра­щения, которой в бензин добавляют присадки - тетраэтилсвинец или МТВЕ (метил-тетрабутиловый эфир).

Эта взаимосвязь экономичности, эмиссии выхлопных газов и детонации является предметом почти всех совре­менных исследований по совершен­ствованию бензинового двигателя. Ус­транение детонации с помощью при­садок к бензину - достаточно простое решение. Но сегодня свинец в автомо­бильном бензине - основной источ­ник загрязнения окружающей среды, а МТВЕ - загрязняет подземные вод­ные резервуары. Поэтому снижение вредных выбросов - столь же актуаль­ная задача.

Исследования двигателей внутрен­него сгорания до недавнего времени проводилось методом проб и ошибок, хотя и давало определенные результа­ты в решении проблемы детонации. Однако с середины 70-х годов, когда по­явились достаточно мощные компью­теры, стало реальным проводить де­тальное цифровое моделирование всей системы двигателя. Родился но­вый дешевый и более эффективный метод.

Самая сложная проблема в моде­лировании автомобильного горючего - широкая вариация его химического состава. На нефтеперегонных заводах смешиваются сотни компонентов и контролируются сотни параметров топлива, чтобы оно удовлетворяло тре­буемым спецификациям. Но в этих спецификациях допускается широкий разброс параметров, которые в конеч­ном итоге ориентированы лишь на то, чтобы двигатель с этим горючим ра­ботал и чтобы октановое (определяю­щее степень бездетонационного сжатия) или цетановое (определяющее степень сжатия, при котором происходит воспламене­ние) число топлива соответствовало за­данному значению. Именно этот раз­брос делает численное моделирование столь трудной задачей. Численное мо­делирование даст возможность надеж­но определить влияние каждого из ин­гредиентов топлива на поведение сме­си в целом.

Математическая модель процес­сов, происходящих в двигателе внут­реннего сгорания, была создана в Ливерморской национальной лаборато­рии им. Лоуренса. Она была разрабо­тана на базе модели, предназначенной для расчета явлений, происходящих при взрыве ядерной бомбы. По сло­вам ливерморского физика Ч. Уэстбрука, «задача моделирования процес­сов в двигателе внутреннего сгорания на самом деле не слишком сильно от­личается от моделирования того, что происходит при взрыве ядерной бом­бы. Разница лишь в том, что вместо того, чтобы исследовать реакции про­тонов и нейтронов, мы начали изучать, что происходит с углеводородами и молекулами кислорода в условиях работы двигателя внутреннего сгора­ния».

Вычислительные возможности ливерморских компьютеров позволяют решать задачи практически любой сложности. Суперкомпьютер лабора­тории входит в тройку лучших в мире (см. «Инженер» №1, 1999 г.) Добавьте сюда ученых высочайшей квалифика­ции, специалистов в самых различных областях. Работая совместно, матема­тики, физики, химики, инженеры, про­граммисты добились замечательных результатов. Эти результаты стали ос­новой для работы по созданию прин­ципиально нового типа двигателя внут­реннего сгорания, нового метода сни­жения эмиссии окислов азота у дизе­лей и даже созданию новой формулы дизельного топлива.

Первые результаты

Для решения проблемы еще в се­редине 70-х годов Министерство энер­гетики США совместно с компаниями «Форд Мотор», «Дженерал Моторс» и «Юнокал» образовало три исследо­вательские группы. В работе приняли участие Ливерморская, Лос-Аламосская и Сандийская национальные ла­боратории, а также несколько университетов и частных фирм.

Одной из задач исследова­тельской группы было изуче­ние гашения пламени на стен­ках двигателя. В цилиндре ав­томобильного двигателя пламя, подо­жженное искрой свечи, распространя­ется по воздушно-топливной смеси к стенкам цилиндра и поршня. Раньше считалось, что основным источником эмиссии несгоревших углеводородов было гашение пламени при прибли­жении участка горения к относитель­но холодным стенкам цилиндра. По­лагали, что в результате остается тон­кий слой несгоревшего топлива.

Первые результаты моделирова­ния, казалось, подтверждали традици­онную точку зрения, но оказалось, что в самом конце процесса горения топ­ливо, находящееся у стенок, начинает диффундировать в высокотемпера­турную область и там быстро сгорает. Дальнейшие исследования показали, что на самом деле источник выхлопов углеводородов - непрореагировавшее топливо, собирающееся в щелях) поршневых колец.

Столь же неожиданными стали результаты изучения химической кинетики топливных добавок, используемых для подавления детонации в бензиновых двигателях. Детонация происходит, когда пламя, инициируемое свечой зажигания, недостаточно быстро охватывает газовую смесь в камере сгорания. Непрореагировавшая «ос­таточная смесь» затем спонтанно взрывается, вызывая ударную волну в стенках цилиндра и поршне.

С наибольшим КПД двигатели ра­ботают при больших степенях сжатия, но именно в этом режиме и возникает детонация. Именно детонация устанав­ливает верхний предел коэффициента сжатия, при котором бензиновый дви­гатель может работать. Подавление де­тонации позволяет двигателям работать с большей степенью сжатия и, следова­тельно, более экономичн'6 и с мень­шими выбросами окиси углерода.

Еще в 20-е годы, задолго до того, как загрязнение окружающей среды стало серьезной проблемой, методом проб и ошибок было обнаружено эф­фективное средство подавления дето­нации - тетраэтилсвинец. После того как в 70-х годах в большинстве разви­тых стран применение его было зап­рещено, начали искать другие присад­ки к топливу. Сегодня для подавления детонации на нефтеперерабатываю­щих заводах в бензин добавляют МТВЕ. Но, как оказалось, просачива­ясь из подземных топливных резерву­аров, МТВЕ заражает подземные воды.

Итогом работы, кульминацией многолетних исследований фундамен­тальных физико-химических процес­сов, приводящих к детонации, стала статья, опубликованная ливерморскими учеными Ч. Уэстбруком и У.Питцем. Ранее просчитывались модели для различных семейств элементарных ре­акций в зависимости от температуры, давления и концентрации топлива в смеси. Переходя от моделирования взаимодействия простых молекул к бо­лее сложным, от однокомпонентного топлива к многокомпонентной смеси, ученые просчитали процесс сгорания различных видов горючего в широком диапазоне. Было исследовано влияние различных топливных присадок, как усиливающих, так и ослабляющих де­тонацию, включая МТВЕ. Целью этой работы было обеспечение инженеров-химиков инструментом для предсказа­ния условий возникновения детона­ции в различных смесях углеводоро­дов и присадок.

По следу химических реакций

В Ливерморе была разработана хи­мико-кинетическая модель, получившая название НСТ, которая учитывает гидродинамические, химические процессы и процессы переноса. Раньше из-за ог­раниченности возможностей компью­теров моделирование окисления и го­рения проводилось для топлива, состоя­щего из одного или двух атомов углеро­да. Эта упрощенная модель служила ос­новой изучения механики более круп­ных молекул, состоящих из нескольких более мелких.

Механизмы реакций в углеводород­ном топливе могут быть как относитель­но простыми, так и чрезвычайно слож­ными. Как показано в таблице, если про­цесс горения водорода может идти 7 путями, включающими примерно 20 хи­мических реакций, то химические реак­ции взаимодействия с кислородом цетана могут происходить уже 1200 спо­собами. Для описания реакции на каж­дом из таких путей необходимо отдель­ное дифференциальное уравнение, по­этому сложность задачи становится по­нятной. К счастью, современные успе­хи в расчетах на супер-ЭВМ с распарал­леливанием вычислений позволяют ре­шать большие и сложные задачи кине­тики относительно просто.

Программа НСТ позволяет рассчи­тывать процессы в камере сгорания в широком диапазоне граничных и на­чальных условий. В течение нескольких лет эта программа использовалась для изучения процессов горения различных веществ, включая метан и другие пре­дельные углеводороды; природный газ; метиловый и этиловый спирты; насы­щенные кислородом топлива, включая диметиловый эфир и МТВЕ, аромати­ческие вещества, такие как бензол, то­луол и нафталин; а также стандартные сорта бензина с различным октановым числом.

Модель НСТ универсальна и приме­нима к задачам не только автомобиль­ной промышленности. Так, недавно с ее помощью в Ливерморской лабора­тории исследовалась кинетика нервно-паралитических боевых отравляющих веществ с целью изучения их взаимо­действия с окружающей средой и того, что происходит с ОВ с течением време­ни, для того чтобы создать более на­дежные средства химической защиты.

Когда детонация полезна

Сегодня программа НСТ оказалась незаменимой для работы по созданию нового типа двигателя внутреннего сго­рания, получившего название НССI (Homogeneous Charge Compression Ignition -двигатель с самовос­пламенением однородной топливной смеси). Он унаследовал преимущества бензинового и дизельного двигателей. Эффективность НССI-мотора высокая, как у дизеля, и он практически не заг­рязняет окружающую среду окислами азота и твердыми частицами. Такой дви­гатель сможет работать на различных ти­пах топлива. Неудивительно поэтому, что работы над двигателями типа НССI широко ведутся во всем мире.

В НССI-двигателе топливо однород­но смешивается с воздухом, так же как в моторах с зажиганием искровой свечой, но степень обогащения смеси меньше, чем у последних. Когда поршень дости­гает верхней точки, эта слабообогащен­ная смесь самовоспламеняется в резуль­тате нагревания при сжатии, как и в ди­зеле. Но вспомните, самовоспламенение - причина детонации в двигателях с искровым зажиганием. Детонация вред­на в таких двигателях потому, что она увеличивает теплопередачу внутри ци­линдра и в результате поршень может прогореть или получить повреждение. Но в двигателе типа НССI, использую­щем слабообогащенную смесь, детона­ция не вызывает повреждения, посколь­ку из-за избытка воздуха максимальная температура продуктов сгорания отно­сительно низка. Когда опасность повреж­дения двигателя из-за детонации устра­нена, самовоспламенение становится наилучшим принципом работы.

Ясно, что понимание химической кинетики - ключ к оптимизации процес­сов в НССI-двигателе. Разработка про­граммы, детально описывающей хими­ческую кинетику, в то время когда дру­гие ограничивались лишь эксперимен­тальными методами, быстро вывело Ливерморскую лабораторию в лидеры в этой области.

В 1966 году ливерморская группа модифицировала программу НСТ, включив в нее модели, необходимые для анализа двигателя: модель теплопередачи двигателя, модель турбонаддува и модель рециркуляции выхлопных газов. С ее помощью в дальнейшем были ана­литически получены границы области оптимальной работы НСС1-двигателя при использовании в качестве топлива метана и природного газа.

Недавно ливерморские ученые раз­работали еще более совершенную про­грамму для предсказания процессов в НСС1-двигателе, связывающую модель НСТ с гидродинамикой, что позволяет вычислять влияние температур­ного распределения на горение топлив­ной смеси. Такой метод позволил не только с очень большой точностью оп­ределить распределение давления, но и впервые дал возможность предсказать уровень эмиссии углеводородов и оки­си углерода, включая образующиеся внутри цилиндра.

Сейчас ученые Ливермора совмес­тно с инженерами-механиками Кали­форнийского университета в Беркли ра­ботают над экспериментальной провер­кой результатов компьютерного моде­лирования. Одноцилиндровый НССI;

двигатель с апреля 1999 г. работает на территории университета, а недавно четырехцилиндровый дизель был модифицирован в НССI-мотор. Пока что наблю­дается совпадение экспериментальных результатов с расчетными с высокой точностью.

Автовоспламенение должно проис­ходить строго в момент, когда поршень в цилиндре достигает наивысшей точ­ки. Но в двигателе типа НССI отсутству­ет возможность внешнего управления моментом зажигания. В дизеле это - начало впрыска топлива, а в обычном бензиновом - вспышка искры свечи. К тому же в новом двигателе скорость теп­ловыделения не управляется ни часто­той и временем впрыска топлива, как в дизеле, ни временем турбулентного распространения пламени, как в двигателе с искровой свечой.

Детальное моделирование двигате­лей с использованием однородной сме­си различных углеводородов показало, что если точно знать начальные усло­вия (характер топлива, температуру и плотность), можно точно предсказать момент самовоспламенения. Но от уме­ния теоретически предсказывать про­цессы до их реального воплощения в рабочей машине еще долгий путь.

Именно нерешенность проблемы управления зажиганием - причина того, что НССI-двигатели до сих пор не стучат под капотами автомобилей. В настоя­щее время изучаются различные вари­анты решения этой проблемы. Один из них - инжекция части отработанных выхлопных газов в воздушно-топливную смесь для резкого повышения ее темпе­ратуры. Другой вариант для иниции­рования зажигания впрыскивать неболь­шое количество диметилэфира.

Дизельный двигатель станет чище

С помощью каталитических конвер­торов сегодня удается значительно сни­зить уровень вредных окиси углерода, окислов азота и углеводородов в выбро­сах бензиновых двигателей. Но такие ка­тализаторы бесполезны для дизелей, ко­торые работают на бедных воздушно-топливных смесях. Выхлопные газы дизеля содержат избыток кислорода, кото­рый препятствует процессу химическо­го восстановления окислов азота (NOx) в азот (N), делая каталитические конвер­торы бесполезными.

С другой стороны, двигатели, рабо­тающие на бедных воздушно-топливных смесях, такие как дизель, сегодня в фо­кусе большинства исследований в об­ласти двигателестроения. Их экономич­ность намного превосходит этот пока­затель любого другого коммерчески жизнеспособного двигателя. Но для того, чтобы получить более широкое распространение, дизели должны стать экологически более чистыми.

Дизельный двигатель можно опти­мизировать так, чтобы он испускал мень­ше либо окислов азота, либо твердых частиц: снижение одного обычно при­водит к увеличению другого. Но оказы­вается, с помощью нового процесса, разработанного американскими учены­ми и инженерами; уменьшить можно оба эти показателя. Для этого сначала дизель оптимизируется для снижения выброса твердых частиц и увеличения эмиссии NOх, а затем молекулы NOх восстанавливаются до N2.

Процесс, получивший название «плазменное каталитическое восстанов­ление» (ПКВ), был разработан для дви­гателей, работающих на обедненных воздушно-топливных смесях, группой ливерморских ученых под руководством Б. Пенстранте. Низкотемператур­ная плазма, образуемая короткими вы­соковольтными импульсами, идущими по металлической проволоке внутри металлического цилиндра (см. рис.), способствует окислению закиси азота (N0) в окись азота (N02) и одновремен­но окислению несгоревших углеводоро­дов. Затем эти промежуточные вещества восстанавливаются в катализаторной камере до азота, углекислого газа и воды.

Но образование плазмы еще не яв­ляется гарантией эффективного окисле­ния N0 в N02, и без компьютерного моделирования физических процессов вряд ли бы удалось достичь нынешней эффективности метода ПКВ. Ведь кро­ме кислорода выхлопные газы двигате­ля, работающего на обедненных смесях, содержат большое количество водяных паров, которые приводят к тому, что N0 окисляется не только до NO, но и до азот­ной кислоты. Моделирование позволи­ло усовершенствовать метод ПКВ таким образом, что при окислении закиси азо­та в окись азотная кислота не образует­ся.

Использование плазмы позволило также решить проблему, с которой стол­кнулись многие разработчики систем катализатором дня дизелей. В современ­ных катализаторах, как известно, исполь­зуется платина или другие драгоценные металлы. Но в дизельном топливе доста­точно высокое содержание серы и ката­лизаторы с драгоценными металлами окисляют двуокись серы (SO2) до трехо­киси (SO3), которая загрязняет катализа­тор. Решить эту проблему можно, ко­нечно, подвергнув дизельное топливо дополнительной очистке от серы, но процесс ПКВ позволяет решить пробле­му без этих дополнительных затрат и без использования драгоценных металлов в качестве катализатора. Моделируя по­ведение выхлопных газов в плазме, было обнаружено, что присутствие в такой плазме несгоревших углеводородов делает ее «нечувствительной» к SO2. Не­сгоревшие углеводороды удаляют высо­коактивные свободные радикалы и по­зволяют плазме быть весьма селектив­ной.

Впереди еще много работы

Автомобиль давно уже не роскошь, и останется с нами по крайней мере до тех пор, пока не будет придумано что-нибудь еще более удобное. Для боль­шинства из нас удобство автомобиля и его относительно невысокая стоимость перевешивает угрозу истощения источ­ников органического топлива и загряз­нения среды обитания. Автомобиль ус­траивает нас таким, как он есть, лишь бы не росли цены на бензин. Но те, кто по долгу службы обязаны предвидеть события не на один день, а на десятиле­тия, направляют усилия на совершен­ствование двигателя внутреннего сгора­ния. Высокоэффективные дизельные и НССI-двигатели позволят человечеству растянуть использование нефтяных ре­сурсов на более длительный срок.

Когда будет решена задача эффектив­ного управления самовоспламенением в НССI- моторах и они выйдут из стен исследовательских лабораторий на боль­шую дорогу, самым совершенным дви­гателям с электрическими свечами при­дется уйти в отставку. Новые моторы захватят автострады и будут безраздель­но господствовать там до тех пор, пока топливные элементы не станут их кон­курентами не только с точки зрения тех­ники, но и экономики. Тогда двигателю внутреннего сгорания останется рабо­та лишь в качестве музейного экспона­та. А появление новых видов топлива, которое меньше загрязняет окружаю­щую среду, улучшит общую картину в еще большей степени.

А.КУЗНЕЦОВ