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