Продължаваме с поредицата за това какво се случва в химическия реактор, наречен двигател
Продължаваме с поредицата за това какво се случва в химическия реактор, наречен двигател с вътрешно горене и как се генерират вредни вещества в отработилите газове. За целта обаче трябва да хвърлим малко повече светлина върху това какво представляват горивата и процесите в рамките на горенето.
С малки изключения от задължителните добавки до 10 процента биогорива основната част от горивото, което се налива в резервоара на автомобила ви, е с нефтен произход. В огромните рафинерии обаче се извършва както дестилиране на нефта на отделни фракции, така и последваща преработка за промяна на структурата на молекулите в зависимост от това от това какъв е моторът – бензинов или дизелов.
Всички добре знаем, че водата кипи при 100 °С. Колкото и да я нагряваме, тя ще запази тази температура, изпарявайки се интензивно. Чистото химично съединение, наричано вода, обаче е еднокомпонентна течност. За разлика от нея нефтът е изграден от множество въглеводородни химични съединения (съединения на въглерода с водорода) с различен размер на молекулите – от разтворените газове, най-простият от които е метанът, състоящ се от четири водородни и един въглероден атом до сложни тежки съединения с формули като например С85Н60 – молекула, съдържаща 85 въглеродни атома. Всяко едно от веществата с различна структура и тегло на молекулите има своя собствена температура на изпарение, респективно кипене и на този факт се основава първичната преработка на нефта – атмосферната дестилация. В нея, разбира се, не се отделя всяко едно от веществата, а групи от така наречени фракции. Нефтът първоначално се очиства от различни примеси, а в котлите се нагрява до температура между 320 и 410 °С, след което полученият дестилат се изпраща в т. нар. „ректификационна колона”, при което фракциите се отделят значително по-прецизно. (виж снимката)
Освен различния си размер молекулите в тези вещества имат и различно изградена химическа структура или форма. Образно казано, можем да приемем, че молекулите на съставящите нефта вещества сами по себе са изградени като скелета на сграда – носещата конструкция може да бъде реализирана по най-различен начин. Много от веществата в горивата обаче се дължат на допълнителни, изкуствено създавани структури в името на определени нужди (както ще стане ясно по-късно) и се извършва с процеси на разкъсване на големите молекули (като термичен и каталитичен крекинг, при които от големи молекули се получават такива от бензинова, керосинова и дизелова фракция) през каталитичен риформинг и изомеризация (промяна на структурата в търсене на въглеводороди с по-високо октаново число) до компаундиране (смесване на получени от различните процеси субстанции)
Бензиновият двигател: въглеводороди и въглероден окис
Нека се спрем на някои от специфичните принципи на работа на двата вида класически топлинни машини, защото независимо от процеса на сближаване между бензиновия и дизеловия мотор напоследък, в характера, същността и поведението им продължават да съществуват огромни разлики. При бензиновите мотори, които не работят с разслояване на заряда, смесообразуването отнема значително по-продължителен период от време и започва доста преди началото на процеса горене. Независимо дали се използва карбуратор или модерни електронни системи за директно впръскване, целта на смесообразуването е да се постигне равномерно разпределена, хомогенна по характер горивна смес с точно определена стойност на съотношението между въздух и гориво. Тази стойност варира в определен диапазон около т. нар. „стехиометрична смес”, при която кислородните атоми са точно толкова на брой, че да могат (теоретично) да се свържат в устойчива структура с всеки водороден и въглероден атом в състава на горивото, формирайки единствено H20 и CO2. Степента на сгъстяване е достатъчно ниска (не повече от 14:1 при атмосферните (Mazda Skyactive-G) с директно впръскване, до 10,5:1 при турбомашините с умерена степен на налягане и още по-ниска при агрегатите с впръскване във всмукателните колектори). Това се прави с цел да се избегне преждевременното и неконтролирано самозапалване на някои от субстанциите в горивото вследствие на високата температура при сгъстяването – бензиновата фракция е съставена от въглеводороди със значително по-ниска температура на изпаряване, но значително по-висока температура на самовъзпламеняване от тези в дизеловата фракция – функция право пропорционална на октановото число. Същинското възпламеняване на сместа се инициира от запалителна свещ, при което горенето протича във вид на фронт, движещ се с определена пределна скорост, като енергията при движение се предава на всеки следващ слой. За съжаление в горивната камера и най-вече в близост до цилиндровите стени и буталото се формират охладени зони с непълноценно протичане на процесите, водещо до образуване на въглероден окис и устойчиви въглеводороди (по-подробно за това ще ви разкажем в следваща публикация). При движението на фронта на пламъка налягането и температурата по периферията му нарастват, в резултат на което във близките зони на все още негорящата смес се формират вредни азотни окиси (резултат от съединяването на азота и кислорода от въздуха), прекиси и хидропрекиси (съединения между кислорода и горивото). В зависимост от вида и качеството на горивото, ако количеството на последните достигне определени критични стойности това води до неконтролируемо лавинообразно детонационно горене в целия останал обем. От този момент скоростта на разпространение на фронта на пламъка рязко нараства и превишава скоростта на звука. Поради това в съвременните бензини се използват фракции от молекули със сравнително устойчива, трудноподатлива на разкъсване и процес на детонации химическа конструкция с висока температура на самовъзпламеняване (като изопарафини и ароматни въглеводороди). Именно с цел постигането на тази устойчивост в рафинериите се извършват редица допълнителни процеси, крайният резултат от които се изразява в повишаването на октановото число на горивата. Увеличаването на степента на сгъстяване води до повишаване на налягането и температурата на сместа, в резултат от което се увеличава средната температура на процеса, ускорява се окислението и образуването на прекисни съединения. Процесът на предпламенно окисляване се осъществява още в процеса на сгъстяване, като различните въглеводороди започват да се окисляват при различни температури. За да се избегнат детонациите модерните бензинови двигатели разполагат с детонационни датчици установяващи ударните вълни, а при високотехнологичните решения те се заменят с йонизационни датчици които установяват първите признаци на образуване на прекиси и коригират параметрите на двигателя като налягане на турбокомпресора и ъгъл на изпреварване на запалването. Апропо, турбокомпресорите – в тези машини налягането в рамките на работния процес е много по-високо, поради което се налага да се намали геометричната степен на сгъстяване (при реалната се отчита и налягането, създадено от турбината). Те обаче имат предимството пред атмосферните с това, че въздухът може да се охлади предварително от междинните охладители и така да се намали средната температура на горивния процес – една от множеството причини те да са по-ефективни и да навлизат широко напоследък като елемент от философията на даунсайзинга. Друг важен компонент за намаляване на температурата и подобряването на смесообразуването е директното впръскване на гориво с което допълнително се охлажда обемът на горивните камери. Разбира се всичко това се отнася за режимите на по-високо натоварване – при частично то няма толкова изразен ефект, поради което някои производители (Audi, Lexus) използват в този случай втора система за впръскване във всмукателните колектори (по-добро смесване при някои режими, по-ниско налягане и изразходвана енергия).
Бензиновият двигател: въглеводороди и въглероден окис
Поради фиксираното до голяма степен съотношение на сместа, с която могат да работят бензиновите двигатели, важна роля при тях играе дроселовата клапа, с която натоварването на двигателя се контролира чрез регулиране на количеството постъпващ в цилиндрите свеж въздух. За съжаление самата дроселова клапа причинява значителни загуби в режим на частично натоварване, тъй като в подобни ситуации играе ролята на своебразна „тапа” на гърлото на двигателя, снижаваща директно ефективността на неговата работа. Основната идея на създателя на дизеловия двигател на Рудолф Дизел е повишаване на термодиначината ефективност на машината чрез значителното увеличаване на степента на сгъстяване. По този начин площта на горивата камера се намалява, а енергията при горенето не се разпилява през цилиндровите стени и охладителната система, а се „консумира” между самите частици, които в този случай се намират на значително по-близки разстояния помежду си. Ако в горивната камера на този вид двигател постъпи предварително подготвена гориво-въздушна смес както при бензиновия, то при достигане на определена критична температура в такта сгъстяване (зависеща от степента на сгъстяване, пълненето и вида на горивото) много преди горна мъртва точка на буталото (ГМТ) ще се инициира процес на самовъзпламеняване и неконтролириуемо обемно горене. Точно поради тази причина, горивото в дизеловия двигател се впръсква в последния момент, малко преди ГМТ, под много високо налягане, с което обаче се създава съществен дефицит от време за добро изпарение, дифузия, смесообразуване и самозапалване. Поради тази причина е необходимо ограничаване на максималните обороти които рядко преминават границата от 4500 об/мин. Този подход поставя съответните изисквания към качествата на горивото, което в случая е от дизеловата нефтена фракция – в основната си част директни дестилати със значително по-ниска температура на самовъзпламеняване, дължаща се на по-нестабилната структура, в по-голямата си част с дълги неразклонени молекули, които се разкъсват и влизат в реакция с кислорода по-лесно.
Дизеловият двигател: азотни окиси и сажди
Особеност на процесите на горене при дизеловия двигател са от една страна зоните с преобогатена смес около впръскващите отвори, където горивото се разпада (крекира) поради високата температурата без да се окисли, превръщайки се в източник на частици въглерод (сажди), а от друга зоните, в които горивото въобще отсъства и под въздействие на високата температура азотът и кислородът от въздуха влизат в химично взаимодействие, формирайки азотни окиси. Поради това, както и поради възможността да се възпламенят бедни смеси, в режимите на частично натоварване дизеловите двигатели се настройват за работа именно с такива (т. е. със сериозен излишък от въздух), а регулирането на натоварването се извършва единствено чрез дозиране на количеството впръскано гориво без необходимост от дроселова клапа. В този двигател предварително образуване на прекиси е от важно значение защото така се създават гнезда на самозапалване ускоряващи процеса. По тази причина изискванията към горивото са точно обратни на тези при бензиновия двигател. По-тежкото гориво осигурява още едно предимство на тези мотори пред бензиновите – то има по-голяма енергийна плътност. За сметка на това поради обясними причини при един и същ разход с бензинов дизелът генерира повече въглероден двуокис. По-ниските стойности на CO2 при дизелите се дължи на значително по-ниския съпоставим разход. В модерните мотори по подобие на бензиновите им събратя се поставят датчици установяващи в реално време химическите процеси в двигателя.
За да отговори на строгите изисквания на последните нормативи за нивото на вредните вещества обаче, дизелът се нуждае от скъпи системи за рециркулация на отработилите газове (намаляващи температурата за инициране на образуването на азотни окиси и заместващи част от свободния въздух с стабилни инертни газообразни съединения), филтри за улавяне на саждите и азотните окиси, катализатори за неутрализация на вредните емисии в изпускателната система (за тях в следващата публикация).
С цел да се компенсират част от недостатъците на бензиновия двигател, конструкторите създадоха мотори, при които в процеса на смесообразуване се получава т. нар. „разслояване на заряда”. В режим на частично натоварване при тях оптималната стехиометрична смес се създава единствено в зоната около електродите на свещите и като средна стойност тя е „бедна”. При последните поколение на този тип мотори, конструирани от BMW и Mercеdes се използваше т. нар. „spray-guided”-процес, при който в края на такта сгъстяване пиезоинжектори с налягане на впръскване над 200 Бара оформят специфичен конусовиден облак гориво, възпламеняван от поставената в периферията му свещ. Тъй като натоварването в този режим може да се контролира само чрез количеството подадено гориво, дроселовата клапа може да остане широко отворена. Това от своя страна довежда до едновременно намаляване на загубите и увеличаване на термодинамичната ефективност на мотора. Тези агрегати обаче също се нуждаят от устройства за редукция на азотните окиси, които изобилстват в тези мотори поради естеството на работа с бедни смеси и бяха заменени с турбо машини с хомогенно смесване с и същото впръскване с високо налягане, като в някои от най-модерните (Mercedes) в някои режими се преминава към частично нехомогенно смесообразуване.
HCCI: най-доброто от двата свята
Видът на горивото и предсказуемостта на неговото поведение ще са от първостепенно значение за развитието на двигателите с хомогенно смесообразуване и самозапалване. Идеята за създаването на тези агрегати, наречени HCCI, се породи именно от желанието за едновременно комбиниране на предимствата и елиминиране на недостатъците на двата вида класически мотори. Разработките на VW, General Motors и Mercedes (най-сложната от всички – проектът Diesotto) дават надежди за скорошно практическо осъществяване на задвижващи агрегати с близка до тази на дизела ефективност с висока степен на сгъстяване, хомогенно разпределение на равномерно обеднената смес в горивната камера и последващо равномерно обемно самовъзпламеняване с пълноценно изгаряне без факел и при ниски температури. По този начин се намалява значително образуването на азотни окиси и прекиси. Лабораторните изследвания на HCCI-мотори през последните години наистина показват значително намаляване на вредните емисии в отработилите газове при едновременно повишаване на ефективността в сравнение с бензиновите
В тези двигатели по-добре се чувстват бензините, при това колкото по-високооктанови са те – толкова по-добре. Логиката за това е проста – по-високата устойчивост на молекулите и по-високата температура на самовъзпламеняване дават възможност за постигане на по-високи степени на сгъстяване. Ако в този случай се използват дизелово гориво под формата на директен дестилат, това би се случило още в хода на движение на буталото.
(следва)
Текст: Георги Колев