Есть ли будущее у автомобиля?
Такой вопрос часто задавали в позапрошлом веке, когда бензин продавался в аптеках, а ездить по улицам разрешалось не быстрее двадцати километров в час. И самым обоснованным ответом на него в то время был ответ отрицательный. Дело в том, что создание малогабаритных самодвижущихся экипажей стало возможным с изобретением двигателя внутреннего сгорания, который при малых размерах мог развивать достаточную мощность для того, чтобы на значительные расстояния перевозить не только самое себя, но и полезный груз, а главное – необходимый запас горючего. Если для работы паровых машин требовалось большое количество воды, из-за чего минимальный размер сухопутного транспортного средства ограничивался, условно говоря, размером паровоза, то в двигателе внутреннего сгорания рабочим телом, передающим энергию топлива к колесам, является газ, на девяносто процентов состоящий из атмосферного воздуха. Однако, при всех бесспорных достоинствах, среди которых простота, надежность и легкость в управлении, такой двигатель имеет один большой недостаток – низкий КПД. Причем, дело не в конструктивных особенностях двигателя, а в самом принципе его работы, из-за которого только треть энергии топлива может быть преобразована в механическую работу. Остальное теряется в виде тепла через систему охлаждения и с выхлопными газами. Именно этот недостаток играл роль главного аргумента в спорах на тему: "Почему двигатель внутреннего сгорания не может найти широкого применения".
Прошло два века. Вопреки всем пессимистическим прогнозам автомобильная отрасль развивалась и продолжает развиваться как, наверное, никакая другая, двигатель, как и другие узлы и детали автомобиля, совершенствовался с использованием самых передовых достижений науки, но… По-прежнему две трети бензина сжигается впустую!
Мы не задавались целью выявить причины или найти объяснение этому факту, но постарались ответить на вопрос: можно ли, не меняя принципов работы и конструкции двигателя, существенно повысить его КПД? Ведь это означало бы, кроме всего прочего, уменьшение выбросов в атмосферу не только токсичных веществ, но и тепла, водяных паров и углекислого газа, которые хоть и не бьют напрямую по здоровью людей, ощутимо влияют на микроклимат (это особенно касается больших городов), вызывают повышенный износ зданий, способствуют коррозии металлических конструкций, словом, также являются загрязнителями окружающей среды.
Нам удалось найти положительный ответ на этот вопрос. Сейчас трудно сказать, была ли эта находка случайной или закономерной, но получению практических результатов предшествовала высказанная одним из сотрудников нашей фирмы довольно смелая гипотеза, которая идет вразрез с традиционным взглядом на химизм процессов горения топлива в двигателе.
На сегодняшний день считается доказанным, что процесс сгорания топливно-воздушной смеси в бензиновом двигателе протекает по разветвленному радикально-цепному механизму. Это означает, что при инициировании процесса искрой от свечи зажигания, образуется некоторое количество свободных радикалов, чрезвычайно активных частиц, которые при взаимодействии с нейтральными молекулами топлива и кислорода, помимо продуктов горения порождают другие свободные радикалы во все возрастающем количестве. Таким образом, реакция нарастает лавинообразно, и управлять ею практически невозможно. Для стабильной работы двигатель регулируют так, чтобы зажигание происходило чуть раньше момента максимального сжатия газа поршнем. В этом случае, когда поршень доходит до верхней мертвой точки, скорость реакции горения достигает максимального значения, и далее нагретые продукты сгорания расширяются, сообщая поршню механическую работу. Если момент зажигания установлен позже, то максимальная скорость реакции приходится на момент, когда поршень, пройдя верхнюю мертвую точку, уже движется вниз, объем камеры сгорания увеличивается, нарастание давления замедляется и реакция затухает так быстро, что заряд топлива не успевает сгореть полностью. В этом случае резко падает мощность двигателя, а в окружающую среду выбрасывается большое количество вредных веществ. Напротив, более раннее зажигание приводит к тому, что горение практически заканчивается еще до достижения поршнем верхнего положения, возникает явление отдачи, появляется детонация, резко возрастают пиковые нагрузки на механические детали, наблюдается усиленный износ двигателя. Все эти явления подробно описаны в специальной литературе, и вывод следует однозначный: сама сущность химических реакций, протекающих при работе двигателя внутреннего сгорания такова, что максимально достижимая его эффективность в условиях стабильной работы возможна, когда процесс горения ведется при минимальном объеме камеры сгорания, то есть максимум скорости реакции соответствует верхнему положению поршня. И любая попытка сместить максимум горения в более позднюю область, когда поршень движется вниз, чтобы увеличить, таким образом, долю энергии, переводимой в полезную работу, неизбежно приводит к преждевременному замедлению реакций и неполному сгоранию топлива. Все попытки использовать в качестве добавок к бензину различные вещества, меняющие скорость горения, окончились неудачей, поскольку для достижения нужного эффекта требуется точнейшее поддержание неустойчивого равновесия, что, чисто технически, реализовать пока не удается. А если и удастся, для масштабного эффекта потребуется перевести существующий автопарк на новый принцип, что неминуемо растянется на десятилетия.
Идея, послужившая толчком для наших успешных исследований и практических результатов в этой области, пришла в голову сотруднику нашего предприятия, специалисту в области химии горения, в тот момент, когда он наблюдал за регулировкой карбюратора его автомобиля на станции технического обслуживания. Оптимальное соотношение бензина и воздуха в топливной смеси мастер подбирал по цвету пламени в цилиндре, наблюдаемому через окошко в специальной свече зажигания. Идея оказалась простой, хотя и не бесспорной: видимое пламя – это плазма, то есть газ, содержащий положительно и отрицательно заряженные ионы. А что, если в нарастании скорости горения ключевую роль играют именно ионы, а не свободные радикалы? Ведь радикал электрически нейтрален, и для химической реакции ему требуется "лобовое" столкновение с другой частицей, которая должна оказаться на его пути. А заряженный ион легко может отклониться от прямой траектории под действием поля другой заряженной частицы, повышая тем самым вероятность химического взаимодействия. Если дело обстоит так, то можно попытаться добавить в топливо вещество, молекулы которого окажутся способными притягивать частицы плазмы, ответственные за лавинообразное развитие реакции горения, заряжаясь наподобие электрического конденсатора при высоких температуре и давлении газа, и замедляя максимальную скорость горения, а затем, когда поршень будет двигаться вниз от верхней мертвой точки, и энергия газа станет понижаться, начнет высвобождать заряженные частицы, поддерживая скорость горения на постоянном уровне. В этом случае можно будет, не меняя настройки двигателя, весьма существенно повысить его КПД и крутящий момент и снизить пиковые нагрузки, уменьшив износ движущихся частей.
Когда мы приступили к поиску подходящего соединения, никто из нас не верил в благополучный исход дела, слишком уж надуманным казалось теоретическое обоснование, слишком много приходилось делать допущений. Однако попробовать стоило, поскольку перспективы в случае успеха могли открыться весьма серьезные. С самого начала мы настроились на то, что новая присадка, если ее удастся найти, должна быть пригодной для широкого практического применения, что предусматривало весьма жесткие требования к ней: соединение не должно быть токсичным и не должно образовывать токсичных компонентов при сгорании, оно не должно содержать металлов и других элементов, способствующих образованию в двигателе твердых частиц, оно должно хорошо растворяться в топливе, не давать при этом осадка, смолистых веществ и отложений на деталях карбюратора или системы впрыска, не вызывать коррозии топливной аппаратуры, не влиять на работу свечей зажигания. Для выявления ожидаемых эффектов при испытании различных веществ мы доработали стандартный двигатель автомобиля ВАЗ-2121 таким образом, чтобы можно было снимать зависимость скорости нарастания давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала. Кроме того, в процессе работы двигателя измерялась максимальная интенсивность свечения пламени в камере сгорания в диапазоне от 450 до 650 нм, и визуально контролировался его цвет. Электрические сигналы от фотоэлемента и пьезоэлектрического датчика преобразовывались в цифровую форму и обрабатывались на компьютере. В ходе экспериментов выяснилось, что наиболее заметным влиянием на контролируемые параметры обладают соединения с полярными молекулами, имеющими в своей структуре сопряженные p-электронные системы. Одно из веществ класса замещенных амидов показало наиболее интересные результаты, и мы выбрали его для более пристального изучения. Заметный эффект появлялся при концентрации в бензине 0.1 % по массе, и достигал максимума при 0.3 процента. Дальнейшее увеличение концентрации вплоть до 1 % не приводило к усилению эффекта. Действие этого соединения проявлялось в том, что скорость нарастания давления в камере сгорания снижалась в несколько раз, а ее максимум сдвигался на 15-20 градусов позже верхней мертвой точки, причем эта величина мало зависела от скорости вращения вала двигателя. Интенсивность свечения пламени также снижалась в два-три раза. Двигатель работал стабильно как на холостых оборотах, так и на 5000 об/мин. Весьма наглядно изменение работы двигателя можно было наблюдать, когда сигнал, записанный с пьезодатчика, преобразовывали в звуковой файл, а затем воспроизводили с замедлением в 30-40 раз. При работе двигателя на эталонном топливе без присадки был отчетливо слышен характерный звук, сопровождающий движение поршня при сжатии топливного заряда, затем, через некоторое время после щелчка, вызванного помехой при проскакивании искры в свече зажигания, громкий хлопок, сопровождающий сгорание топлива, затем второй хлопок, соответствующий сбросу давления при открытии выпускного клапана, и снова характерные звуки движения поршня при продувке цилиндра и всасывании новой порции топливной смеси. Когда же двигатель работал на бензине с присадкой, добавленной в концентрации 0.1%, громкость хлопка, сопровождающего горение, уменьшалась вдвое, а при концентрации 0.2% этот хлопок исчезал совсем, хотя громкость остальных звуков оставалась неизменной. После математической обработки экспериментальных данных, мы получили зависимости давления на поршень от объема камеры сгорания в цикле сжатие-горение-расширение в виде набора замкнутых кривых, площадь внутри которых соответствовала полезной работе, отдаваемой двигателем за один такт, для различных концентраций присадки в бензине и скоростей вращения коленчатого вала. Оказалось, что при содержании присадки 0.2% и выше полезная работа увеличивалась по сравнению с эталонным топливом на 10-20% в диапазоне скоростей вращения вала от 500 до 1000 об/мин и на 8-10 процентов при 1000-4000 об/мин. Результаты более чем впечатляющие!
Стадия поисков была завершена, соединению присвоили рабочее название "Анилон" и приступили к "полевым" испытаниям. Первый же выезд в город на "Волге" одного из сотрудников вызвал бурю восторгов: машина идет намного мягче, а мощность и приемистость двигателя возросли так заметно, что пришлось менять стиль вождения. Через несколько дней появились первые результаты по реальному расходу топлива. На десяти литрах "чистого" бензина "Волга" по городу в среднем проезжала 80 километров, а на том же количестве бензина с присадкой удалось проехать 110 км! Даже учитывая, что водитель подсознательно старался экономить расход, где только возможно, такие цифры, мягко говоря, вызвали удивление. Поначалу мы даже решили, что неисправен спидометр автомобиля. Последующие многочисленные замеры позволили с уверенностью утверждать: экономия топлива на автомобилях отечественного производства с карбюраторными двигателями составляет в среднем 15 процентов в городском цикле и 8 процентов при движении по трассе. На автомобилях с распределенным впрыском топлива и системой рециркуляции отработавших газов эти показатели несколько меньше: 10 и 7 процентов соответственно.
Следующий сюрприз "Анилон" преподнес нам на станции техобслуживания, где мы решили провести замеры токсичности отработавших газов. Испытания проводили на "Тойоте" 1992 года выпуска. На "чистом" бензине среднее содержание СО по результатам трех измерений составило 0.6% на холостом ходе и 1.1% на 2000 об/мин, концентрация СН – 470 и 650 промилле соответственно. Вполне понятные цифры, если учесть, что каталитический нейтрализатор за десять лет эксплуатации в Российских условиях наверняка пришел в полную негодность. Когда залили бензин с "Анилоном", поездили полчаса, чтобы все параметры двигателя установились, и снова стали снимать показатели токсичности, мастер решил, что у него испортился прибор. Первый замер показал 0.05% СО и полное отсутствие СН. Через двадцать минут измерений получили устойчиво воспроизводящиеся результаты: 0.11% СО и 70 промилле СН в режиме холостого хода, а на 2000 об/мин – 0.15% угарного газа и 50 промилле углеводородов. Следующим шагом требовалось выяснить влияние присадки на концентрацию окислов азота. Задача оказалась очень сложной. Для анализа использовали химические методы, и пока проводили измерения на эталонном топливе, проблем не возникало – и воспроизводимость результатов была вполне приемлемой, и чувствительность позволяла получать величины с пятидесятикратным запасом. Но стоило добавить "Анилон", окислы азота перестали определяться даже качественно. То ли в выхлопных газах появились мешающие анализу вещества, то ли присадка оказалась настолько эффективной. Хотя в пользу последнего говорит само химическое строение "Анилона", молекула которого очень легко взаимодействует и с NO и с NO2 , образуя свободный азот, воду и CO2, а также то, что когда двигатель работает на бензине с присадкой, исчезают всякие запахи из выхлопной трубы, мы все же привыкли доверять цифрам. Поэтому можно с уверенностью сказать, что концентрация окислов азота снижается, причем значительно, а вот насколько именно, должны показать более детальные исследования.
