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):

Рис. 2. Схема БШД

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.