ВРЕДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЫБРАСЫВАЕМЫЕ ПРИ РАБОТЕ ДВС

Принцип работы ДВС основан на превращении химической энергии раз­личного топлива органического происхождения в тепловую энергию и далее в механическую в рабочей полости двигателя. В настоящее время для питания ДВС наиболее широко используют жидкое и газообразное топливо, основными составляющими которых являются углеводороды. При окислении их кислородом воздуха, поступающего в двигатель, образуются нетоксичные (водяной пар, углекислый газ) и токсичные вещества. По­следние являются продуктами неполного сгорания топлива или побочных реакций, протекающих при высоких температурах. Кроме того, некоторые вредные вещества содержатся в топливе и при работе двигателя выбра­сываются в окружающую среду. Так как применяемый в ДВС способ смесеобразования и воспламенения топливовоздушной смеси значительно влияет на количество и состав вредных выбросов, целесообразно раздельно рассмотреть вредные вещества, выбрасываемые различными типами ДВС.

В бензиновых двигателях с искровым зажиганием источниками вредных выбросов являются отработавшие и картерные газы, испарения топлива из системы питания. Бензин состоит из углерода и водорода с массовы­ми долями соответственно 0.855 и 0.145. Теоретически для сгорания 1 кг бензина необходимо 14.95 кг воздуха (стехиометрический состав топ — ливовоздушной смеси, коэффициент избытка воздуха а = 1). Однако регулировка карбюратора на такой состав смеси во всех режимах работы двигателя без сложных систем регулирования практически невозможна, кроме того, стехиометрический состав смеси часто приводит к неустой­чивой работе двигателя в режимах малых нагрузок и холостого хода, в режимах разгона, не обеспечивает наивысших энергетических показателей двигателя при полных нагрузках. Все это обусловливает использование обогащенных топливовоздушных смесей. Недостаток кислорода является основной причиной повышенных выбросов с отработавшими газами бензи­новых двигателей продуктов неполного сгорания, в первую очередь окиси углерода (СО), которая входит в состав отработавших газов в относительно больших количествах (до 1.0… 1.5%) при работе бензинового двигателя на стехиометрической (а = 1) и даже обедненной смеси (а > 1). Это объясняется неравномерным распределением состава смеси по цилиндрам и наличием обогащенной в отдельных цилиндрах при стехиометрической и обеденной смеси в целом для двигателя. Содержание СО в отработавших газах бензинового двигателя, в частности при неправильной регулировке системы питания, может составлять 10%. Масса выбрасываемой в окружа­ющую среду СО в этом случае превышает массу потребляемого двигателем бензина.

Окись углерода и углеводороды являются продуктами несовершенного процесса сгорания бензина в цилиндрах двигателя. Основные направления снижения выбросов этих веществ — обеднение смеси и стабилизация ее воспламенения. В этих условиях в отработавших газах двигателя резко увеличивается содержание окислов азота в виде окиси N0 и частично двуокиси NO2. Рост выбросов этого токсичного вещества объясняется повышением температуры в зоне реакции и наличием избыточного кис­лорода, который вступает в реакцию с азотом, входящим в состав воздуха и являющимся инертным газом в атмосфере. Окисление азота начинается при температуре, превышающей 1600 К, с повышением ее время реакции сокращается и при 2300 К составляет 10"2-10~6 с. Поэтому в режимах частичных нагрузок и холостого хода вследствие снижения температуры в зоне реакций количество окислов азота резко снижается.

Таким образом, в бензиновом двигателе при регулировке системы пита­ния, направленной на снижение выбросов окиси углерода и углеводородов, увеличиваются выбросы окислов азота. Это представляет одну из основных трудностей решения задачи комплексного снижения загрязнения окружа­ющей среды вредными выбросами бензиновых двигателей.

Рассмотренные вредные вещества — продукты реакций углеводородов топлива и составляющих воздуха. Наряду с этими веществами в отрабо­тавших газах содержатся вредные вещества, образовавшиеся из входящих в бензин примесей. К таким веществам принадлежит двуокись серы. Сера, как примесь, входит в состав бензина, ее содержание в нем незначительно и не превышает 0.15%. В цилиндре двигателя сера окисляется и в виде двуокиси выбрасывается в окружающую среду. Концентрация двуокиси серы в отработавших газах при работе двигателя на номинальном режиме составляет 0.008%.

Одно из основных направлений улучшения показателей бензиновых двигателей — повышение степени сжатия. Для обеспечения работы двигате­ля без детонации при повышении степени сжатия необходимо увеличивать октановое число бензина. Наиболее распространенным в настоящее время веществом, обеспечивающим повышение октанового числа бензина, явля­ется этиловая жидкость, состоящая из тетраэтилсвинца-антидетонатора и выносителя (хлорнафталин, дибромэтен и др.), который предотвращает отложение свинца на деталях двигателя. Количество этиловой жидкости, добавляемой в 1 кг бензина, составляет 0.5… 1.0см3. Около 70% соедине­ний свинца при работе двигателя выбрасывается в атмосферу.

Концентрация продуктов неполного сгорания в отработавших газах ди­зельного двигателя значительно ниже, чем в газах бензинового двигателя. Избыток кислорода в цилиндрах дизельного двигателя, а также высокая температура в процессе сгорания способствует образованию в цилиндрах окислов азота, которые являются одним из основных вредных веществ, выбрасываемых с отработавшими газами дизеля. Концентрация окислов азота в отработавших газах по мере увеличения нагрузки возрастает, хотя при приближении к полной нагрузке интенсивность роста снижается.

Широкое использование ДВС в различных сферах деятельности че­ловека предопределяет значительные выбросы вредных веществ выделя­емых при работе этих двигателей в окружающую среду. Следует учесть, что вредные вещества, выбрасываемые ДВС, особенно автомобильными, распределяются неравномерно в окружающей среде. Основная их масса выделяется в населенных пунктах, городах, вдоль автомобильных дорог, что приводит к повышенному загрязнению и вредному воздействию этих веществ на человека и окружающую среду. При современной структу­ре парка ДВС среди вредных веществ, выбрасываемых автомобилями в окружающую среду, наибольшее количество составляет окись углерода (СО) — газ без цвета и запаха. Молекулярная масса его равна 28, то есть незначительно ниже массы воздуха. Поэтому СО легко распространяется в атмосфере, попадает в жилые помещения, находящиеся на значительных расстояниях от мест работы ДВС. Окись углерода в атмосфере сохраняется от 2 до 4 месяцев.

ДВС — один из основных источников выброса в окружающую среду са­жи. Подсчеты показывают, что частицы сажи размером до 0.15 мкм могут находиться в воздухе во взвешенном состоянии около 8 суток. Сажа вредно воздействует на окружающую среду и человека в трех аспектах. Как и любое твердое тело, она при попадании в организм человека, вызывает раздражение дыхательных путей. Наличие взвешенных частиц сажи ухуд­шает видимость на автомобильных дорогах. Основная же опасность сажи заключается в том, что на поверхности ее частиц могут адсорбироваться канцерогенные углеводороды.

Двуокись серы, выбрасываемая с отработавшими газами ДВС, составля­ет незначительное количество общего выброса этого вещества искусствен­ными источниками загрязнения. Тем не менее, в местах, где широко исполь­зуют ДВС, отмечается повышенное загрязнение воздуха двуокисью серы.

В воздухе она переходит в ангидрид SO3, который с парами воды образует серную кислоту, наносящую вред растениям, вызывающую заболевания дыхательных путей у людей и животных, и усиливающую процесс коррозии металлов. Имеются данные, что 40% черных металлов израсходуется на покрытие ущерба, наносимого коррозией вследствие наличия в атмосфере сернистых соединений.

Свинец, входящий в состав тетраэтилсвинца, добавляемого к бензину в качестве антидетонатора, выбрасывается в окружающую среду в виде аэрозолей неорганических солей и окислов, в основном в форме частиц раз­мером 1 мкм. Соединения свинца попадают в овощи и фрукты, растущие вдоль автомобильных дорог, в листья сельскохозяйственных культур.

Альдегиды выбрасываются с отработавшими газами ДВС в основном в виде формальдегида и акролеина.

Формальдегид — бесцветный газ с резким и неприятным запахом. Кон­центрация его в воздухе 0.007% приводит к раздражению дыхательных путей и слизистых оболочек носа и глаз человека.

Акролеин — прозрачная с желтоватым оттенком жидкость, обладающая резким запахом подгоревших жиров и масла. Опыты, проведенные на жи­вотных, показывают, что повышенная концентрация акролеина приводит к снижению массы животных, изменению состава крови. Для человека концентрация 0.0005% трудно переносима, 0.002 — непереносима.

При оценке воздействия вредных выбросов ДВС на окружающую среду и человека необходимо учитывать, что те вредные вещества, которые выбрасываются в атмосферу с осадками, попадают в почву и водоемы и загрязняют их, вследствие чего снижается урожайность и качество сельскохозяйственной продукции, наносится ущерб рыбному хозяйству.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) примесей в атмосфере, а среди этих примесей и основные вредные вещества ДВС устанавливают исходя из уровня вредного воздействия вещества на окружающую среду и человека. Ниже приведены значения ПДК вредных веществ, выбрасывае­мых ДВС, для атмосферного воздуха населенных пунктов.

Вещество

Предельно допустимые концентрации, мг/м3

Максимально разовая

Среднесуточная

Окись углерода

5.0

3.0

Углеводороды (в пересчете на С)

5.0

1.5

Окислы азота (в пересчете на NO2)

0.085

0.04

Формальдегид

0.035

0.035

Акролеин

0.03

0.03

Двуокись серы

0.5

0.05

Свинец

0.003

Сажа

0.15

0.05

Бензопирен

1•10"6

Количество выбрасываемых ДВС основных токсичных компонентов в значительной степени зависит от процесса сгорания топлива в цилиндрах.

Протекание и эффективность процесса сгорания обусловлены главным образом составом и однородностью тошшвно-воздушной смеси, углом опережения зажигания, затуханием пламени в пристеночном слое смеси, конструкцией камеры сгорания, степенью сжатия, равномерностью распре­деления топлива, техническим состоянием и режимом работы двигателя.

Состав рабочей смеси, оцениваемый коэффициентом избытка воздуха, оказывает значительное влияние на уровень токсичных выбросов. Кон­центрация СО в отработавших газах двигателей с принудительным зажи­ганием горючей смеси достигает минимума при составе смеси, близком к стехиометрическому и обедненному, а концентрация СпНт при ос > 1.0… 1.1 сначала падает, а затем резко возрастает (рис. 17.1).

Увеличение количества углеводородов в отработавших газах при работе на обедненных смесях объясняется малой скоростью их сгорания и значи­тельной неравномерностью циклов сгорания. Кроме того, при работе на бедной смеси в результате неравномерного ее распределения происходит выключение отдельных цилиндров и несгоревшие углеводороды выбрасы­ваются в выпускной трубопровод.

Максимальная концентрация окислов азота в отработавших газах бен­зиновых и дизельных двигателей соответствует наиболее экономичным режимам работы, а затем понижается, несмотря на возрастание количества кислорода в смеси. Это свидетельствует о влиянии температуры пламени на процесс образования окислов азота. На режимах работы двигателя, соот­ветствующих наибольшему КПД, процесс сгорания смеси имеет наимень­шую продолжительность, что при прочих равных условиях способствует повышению температуры сгорания до максимальной величины.

NO, CJiM

ВРЕДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЫБРАСЫВАЕМЫЕ ПРИ РАБОТЕ ДВС

1800

1400

1000

600

200

Рис. 17.1. Зависимость состава отработавших газов двигателя от коэффициента избытка воздуха (чмн — частей на миллион)

Практические выводы, основанные на результатах экспериментальных исследований, указывают на необходимость проведения более точной регу­лировки системы питания топливом с учетом режимов работы двигателя. Качество регулировки состава смеси имеет важное значение в отношении защиты окружающей среды и с экономической точки зрения. Даже незна­чительное по сравнению с оптимальным составом обогащение смеси ведет к возрастанию расхода топлива и увеличению выброса окислов азота.

500 400 300 200 C0T % 2 1

4 5 6 7 8 р

Лкс

Г*

Рис. 17.2. Зависимость выброса СО и Cn#M от отношения площади поверхности

Камеры сгорания к ее объему

На количество токсичных компонентов в отработавших газах также влияет нагрузка на двигатель. При работе на частичных нагрузках дрос­сельная заслонка карбюратора двигателя прикрывается, в результате чего ухудшается процесс газообмена. В этом случае в цилиндре двигателя увеличивается доля остаточных газов от предыдущего цикла. Это ока­зывает отрицательное влияние на состав смеси и процесс ее сгорания, а следовательно, и на концентрацию токсичных компонентов в отработавших газах.

Частота вращения коленчатого вала определяет скорость движения поршня в цилиндре двигателя, который в свою очередь оказывает непо­средственное влияние на условия движения заряда в системе впуска и на завихрение его в цилиндре, а тем самым и на условия испарения топлива и смесеобразования. Это относится в равной мере, как к бензиновым, так и к дизельным двигателям. Чем больше частота вращения коленчатого вала, тем больше скорость движения поршня, что приводит к существенному росту скорости движения горючей смеси (воздуха) во впускной системе и в цилиндре двигателя. Смесеобразование в этом случае улучшается, а поэтому уменьшается количество вредных выбросов в продуктах сгорания топлива (отработавших газах).

На количество выбрасываемых двигателем вредных веществ в окружат ющую среду влияют также его конструктивные параметры (форма камеры сгорания; фазы газораспределения; отношение площади поверхности каме­ры сгорания к ее объему; отношение хода поршня к диаметру цилиндра). На рис. 17.2 показана зависимость выбросов СО и СпНт от отношения площади поверхности камеры сгорания к ее объему.

НИМ

От профессионального мастерства водителя автомобиля и других транс­портных средств в значительной степени зависит расход топлива в экс­плуатационных условиях. Так как выбросы вредных веществ зависят от количества расходуемого топлива можно предположить, что приемы, ис­пользуемые водителем при управлении транспортным средством, влияют и на их количество.

В эксплуатационных условиях движение автомобиля включает разгоны, движение с постоянной или близкой к ней скоростью, замедления, которые могут осуществляться с включенной передачей или отъединенным от трансмиссии двигателем, а также с использованием тормозов. Для эко­номного расходования топлива и снижения суммарных вредных выбросов при движении в населенных пунктах при подъезде к светофору водитель должен наиболее широко использовать движение с отъединенным двигате­лем (свободное качение) и избегать интенсивных торможений. Однако воз­можность использовать свободное качение в значительной степени зависит от дорожной обстановки и в условиях интенсивного дорожного движения часто бывает невозможным. Поэтому водитель в первую очередь должен выбирать оптимальные режимы при разгонах и движении с постоянной скоростью, на которых выбрасывается основная масса вредных веществ и расходуется большее количество топлива.

В этих режимах водитель управляет такими параметрами, как величина и скорость перемещения органа управления топливоподачей, используемая при движении передача, время переключения передач и конечная частота вращения двигателя на каждой передаче при разгоне автомобиля. Эти параметры, за исключением передачи, принадлежат: к процессу разгона автомобиля, который является основным с точки зрения выбросов вредных веществ и расхода топлива в условиях дорожного движения.

Основными среди названных параметров являются положение рычага управления топливоподачей и частота вращения в моменты переключения передач.

Таким образом, задача оптимизации управления автомобилем в процес­се разгона является многокритериальной, при этом не существует количе­ственного соотношения между различными параметрами эффективности использования подвижного состава.

Так как зависимости составов топливовоздушной смеси и отработавших газов от положения дроссельных заслонок и частоты вращения для бензи­новых двигателей различных моделей аналогичны, а мощности двигателей, отнесенные к массе автомобилей, близки, то при разгоне других легковых автомобилей целесообразно открывать дроссельную заслонку на 50%, а переключать передачи при частотах, составляющих 0.5… 0.6 номинальной.

Исследования по разгону грузовых автомобилей с бензиновыми двига­телями показывают, что с целью экономии топлива и снижения вредных выбросов с учетом производительности автомобилей дроссельные заслонки карбюратора целесообразно открывать на 60… 80% их полного открытия и переключать передачи при частотах вращения 2300… 2500 мин-1.

Показатели разгона автомобиля с дизельным двигателем в значитель­ной степени зависят от применяемого на топливном насосе высокого давления типа регулятора. В настоящее время на транспортных дизелях используют всережимные и двухрежимные регуляторы. В первом случае, водитель, перемещая рычаг управления топливоподачей, задает скорост­ной режим дизеля, при котором регулятор уменьшает подачу топлива. Разгон автомобиля при любом положении рычага управления происходит при работе дизеля по внешней характеристике, что в значительной степени уменьшает возможности водителя в зависимости от окружающей обета — новки выбирать оптимальную интенсивность разгона с целью экономии топлива и снижения выбросов вредных веществ. На грузовых автомобилях с дизельными двигателями при всережимном регулировании во время разгона целесообразно устанавливать рычаг управления топливоподачей в положение, близкое к 80% полного, и переключать передачи, когда скорость на включенной передаче перестает увеличиваться.

На новых моделях грузовых автомобилей с дизелями будут применять двухрежимные регуляторы, при которых водитель может устанавливать величину подачи топлива в процессе разгона. Как показывают исследо­вания, в этом случае для снижения вредных выбросов и расхода топлива с учетом производительности автомобиля положение рычага управления топливоподачей при разгоне необходимо выдерживать до 90% полного и переключать передачи при частотах вращения 0.7…0.9 номинальной.

Другие параметры, которыми управляет водитель, влияют на количе­ство вредных выбросов и расход топлива значительно меньше по сравнению с положением рычага управления топливоподачей и частотой вращения в моменты переключения передач.

Для грузового автомобиля с бензиновым двигателем в процессе разгона до 60 км/ч увеличение скорости открытия дроссельных заслонок с 70 до 300% приводит к повышению расхода топлива на 1%, увеличению выбросов СО и СпНт на 1… 2% при одинаковом выбросе окислов азота. При этом скорость в процессе разгона увеличивается на 1… 2%.

Увеличение скорости перемещения рычага управления топливоподачей автомобиля с дизелем приводит к незначительному росту средней скорости в процессе разгона и аналогичному увеличению расхода топлива при фактически неизменных выбросах вредных веществ. Поэтому целесообраз­нее перемещать орган управления топливоподачей плавно, особенно это относится к автомобилям с бензиновыми двигателями, где при резком открытии дроссельных заслонок наблюдается значительное обогащение топливовоздушной смеси в начале разгона и повышенные выбросы СО и СпНт.

В процессе разгона автомобиля при переключении передач двигатель работает в режиме принудительного холостого хода, а автомобиль движет­ся накатом. Экономичность и токсичность двигателя в этот период отли­чаются от таковой в нагрузочном режиме, поэтому на общие показатели разгона будет влиять и время переключения передач.

Основным направлением совершенствования бензиновых двигателей в настоящее время является разработка мероприятий по обеспечению их устойчивой работы на обедненных топливовоздушных смесях. Наметились два пути решения этой задачи. Первый — создание в камере сгорания неравномерного состава топливовоздушной смеси с обеспечением обогащен­ной смеси в зоне свечи или, как обычно называют этот путь, — создание рас­слоения топливовоздушной смеси. Такое ее распределение создает устойчи­вый начальный очаг пламени, способный к распространению в обедненной смеси, находящейся в остальном объеме камеры. Расслоить смесь можно в разделенных и неразделенных камерах сгорания. Первая камера состоит из основной и дополнительной, составляющей 3… 12% основной. В основную камеру сгорания поступает обедненная смесь, а в дополнительную, где находится свеча зажигания, —обогащенная. Последняя легко воспламеня­ется, и факел горящих газов выбрасывается через соединительные каналы в основную камеру, обеспечивая надежное воспламенение обедненной смеси.

В неразделенных камерах расслоение смеси происходит при направ­ленном движении воздуха и впрыскивании в него бензина так, чтобы к моменту проскакивания искры в зоне свечи находилась обогащенная смесь. Расслоение смеси в неразделенных камерах можно получить и при карбюраторном смесеобразовании путем направленного движения топли­вовоздушной смеси.

Такой же принцип расслоения смеси происходит и в газовых двигателях, поскольку плотность сжатого природного газа меньше, чем воздуха. По­этому при направленном движении топливовоздушной смеси более богатая газовоздушная смесь образуется в центральной части камеры сгорания, где располагается свеча зажигания.

Расслоение смеси создает устойчивую работу бензинового двигателя в широком диапазоне изменения состава смеси. Такая работа двигателя обеспечивается при а = 1.4, о чем свидетельствует минимальное содер­жание углеводородов. При этом составе смеси наблюдается минимальный удельный индикаторный расход топлива. Обеднение смеси до а = 1.6 практически не ухудшает экономичности, концентрация углеводородов возрастает незначительно, а окислов азота существенно снижается. При таких составах смеси выбросов СО почти не наблюдается. Камеры сго­рания с расслоением смеси имеют и следующие недостатки: трудность обеспечения оптимального состава смеси в различных режимах работы двигателя, некоторое снижение мощности при работе на полных нагруз­ках, усложнение конструкции. Поэтому наряду с расслоением смеси все более широкое распространение получает второй путь — сжигание в камере сгорания однородной сильно турбулизированной обедненной смеси. Для стабильного воспламенения такой смеси в начале сгорания необходимо ин­тенсифицировать процесс поджигания. Это достигается следующим путем. Турбулизация смеси происходит при закручивании потока различными устройствами. Для этого используют винтовые впускные каналы, заслонки, устанавливаемые во впускном трубопроводе, радиальные ширмы на впуск­ных клапанах, впускные клапана, один из которых при малых частотах вращения двигателя отключается, а при помощи второго сильно закручи­вается поток. В ряде камер сгорания турбулизация смеси происходит при помощи специальных вытеснителей.

Воспламенение обедненных топливовоздушных смесей обеспечивается установкой в цилиндре двух свечей зажигания, применением многоэлек­тродных свечей и свечей с повышенной энергией и увеличенной продолжи­тельностью разряда.

Перспективными системами зажигания являются плазменные. Прин­цип работы таких систем заключается в следующем. В свече имеется полость для накопления плазмы. В эту полость выходят два электрода, при проскакивании искры между ними ионизируется газ, находящийся в полости. В электрическую схему системы зажигания включен конденсатор. Ионизация газа между электродами приводит к разряду конденсатора и образованию высокотемпературной плазмы, которая выбрасывается с вы­сокой скоростью в камеру сгорания, обеспечивая стабильное воспламенение обедненных топливовоздушных смесей.

Турбулизацию топливовоздушной смеси и интенсификацию процесса воспламенения применяют и в газовых двигателях, что обеспечивает устой­чивую работу этих двигателей на сильно обедненных смесях.

Использование таких смесей в бензиновых и газовых двигателях спо­собствует снижению выбросов не только окиси углерода и углеводородов, но в ряде режимов работы и окислов азота.

Как отмечалось ранее, на экономичность и токсичность отработавших газов дизелей наиболее влияет тип камеры сгорания. На дизельных дви­гателях устанавливают разделенные и неразделенные камеры сгорания. Первые состоят из двух полостей, образующих основную и дополнительную камеры сгорания, сообщенные между собой каналом. Топливо впрыскива­ется через форсунку в дополнительную камеру, частично самовоспламеня­ется в ней и продукты сгорания вместе с оставшимся топливом с высокой скоростью выбрасываются через соединительный канал в основную камеру. Наибольшее распространение получили разделенные камеры предкамерно — го и вихревого типов.

Неразделенные камеры состоят из одной полости, расположенной меж­ду днищем поршня и головкой цилиндра. Для улучшения завихрения воздуха и повышения качества смесеобразования в днище поршня делают углубления различной формы: полусферическое, эллипсное, тороидальное и т. д. Топливо из форсунки впрыскивается в камеру сгорания и самовос­пламеняется в ней. Хорошее смесеобразование обеспечивается применением многодырчатых распылителей, впрыском топлива под высоким давлением, интенсивным завихрением воздуха.

Условия смесеобразования в разделенных камерах лучше, так как на этот процесс расходуется часть энергии сгоревшего в дополнительной камере топлива. Поэтому у дизельных двигателей с такими камерами ток­сичность и дымность отработавших газов ниже. Исследования показывают, что дизельные двигатели с предкамерой по сравнению с неразделенной камерой выбрасывают меньше окиси углерода в 2.5…3.0 раза, окислов азота —на 20…30%, углеводородов — в 2.0…2.5 раза и имеют меньшую дымность отработавших газов. Кроме того, дизельные двигатели с предка­мерами могут работать на более высоких частотах вращения. Еще одним из преимуществ является более низкая шумность работы дизеля. Но из-за потерь энергии на перетекание газов между камерами, большой поверхно­сти камер экономичность таких дизелей на 10… 15% ниже, чем дизельных двигателей с неразделенными камерами сгорания. По этим причинам в настоящее время более перспективными для мощных транспортных, сель­скохозяйственных, строительных и других машин считаются дизельные двигатели с неразделенными камерами. В дизельных двигателях малой мощности, особенно в тех, что предназначены для установки на легковые и грузовые автомобили малой грузоподъемности, широко используемые в населенных пунктах и городах, целесообразнее применять разделенные камеры.

Для расширения диапазона сортов топлива, которые можно применять для дизелей, совершенствуется пленочное смесеобразование в дизелях. При таком смесеобразовании основная часть топлива подается на нагретые стенки камеры сгорания и постепенно сгорает по мере испарения. В резуль­тате понижаются требования к цетановому числу топлива, дизель работает мягче. Уменьшаются токсичность и дымность. Но на дизелях с такими камерами следует предусматривать дополнительные меры для облегчения пуска холодного двигателя.

Применение сильно обедненных топливовоздушных смесей (а = 1.4… 1.6) обеспечивает снижение концентрации окислов азота в отработав­ших газах по сравнению с умеренно обедненными смесями (а = 1.1… 1.2), однако ее величина остается довольно высокой. Наиболее эффективным методом снижения выбросов NOx с отработавшими газами бензиновых, газовых двигателей и дизелей является рециркуляция отработавших га­зов. Сущность рециркуляции заключается в том, что часть отработавших газов отбирается из выпускной трубы и подается во впускную трубу. Отработавшие газы, поступившие при рециркуляции в цилиндр, снижают температуру смеси, так как увеличивается общая теплоемкость заряда, т. е. это влияние рециркуляции аналогично обеднению смеси. Однако в отличие от обеднения смеси рециркуляция уменьшает концентрацию кисло­рода в цилиндре, что приводит к значительному снижению интенсивности образования окислов азота. Раньше считали, что добавление отработавших газов к свежей смеси ухудшает процесс ее сгорания и экономичность. Исследования показывают, что в бензиновых двигателях с интенсивной турбулизацией заряда добавление определенного количества отработавших газов к свежей смеси не ухудшает экономичности, а в некоторых случаях может даже снизить расход топлива.

В бензиновых двигателях мощность регулируется путем дросселирова­ния поступающей в цилиндры топливовоздушной смеси. Известно, что по мере дросселирования, т. е. в режимах, наиболее часто используемых в эксплуатационных условиях, экономичность бензинового двигателя ухуд­шается.

Анализ исследований по влиянию дросселирования на протекание ра­бочего процесса и экономичность бензиновых двигателей показывает, что основными причинами ухудшения экономических показателей являют­ся: уменьшение индикаторного КПД действительного цикла вследствие вынужденного обогащения смеси и ухудшения процесса сгорания из-за увеличения относительного количества отработавших газов, увеличение относительных потерь теплоотводом в стенки и возрастание относительной доли насосных потерь.

Обогащение топливовоздушной смеси по мере дросселирования способ­ствует увеличению содержания продуктов неполного сгорания в отработав­ших газах бензинового двигателя.

Улучшить экономические и токсические показатели бензиновых дви­гателей в низких нагрузочных режимах и холостом ходу можно заменой метода регулирования мощности. Одним из таких методов является метод отключения части цилиндров двигателя.

Экономические и токсические показатели бензинового двигателя при регулировании мощности в значительной степени зависят от способа от­ключения цилиндров.

Наиболее простым является способ отключения цилиндров путем пре­кращения подачи топлива без изменения системы впуска воздуха. Такой способ, как показывает анализ экономических показателей, не наилучший, однако может быть применен без изменения конструкции двигателя.

В дизельных двигателях регулирование мощности осуществляется пу­тем изменения количества топлива, подаваемого в цилиндры насосом вы­сокого давления. Характер изменения цикловой подачи топлива в неуста­новившемся режиме при одинаковом управлении ей стороны водителя транспортной машины в значительной степени зависит от типа регулятора топливного насоса высокого давления.

В настоящее время на тракторах, комбайнах и других сельскохозяй­ственных и строительных машинах применяют всережимные регулято­ры. Это необходимо для выдерживания постоянной скорости движения машины при выполнении ряда операций независимо от встречающихся сопротивлений.

На автомобильных дизельных двигателях применяют двух — и всережим­ные регуляторы. Двухрежимный регулятор ограничивает максимальную частоту вращения дизеля — и обеспечивает устойчивую работу на мини­мальном холостом ходу. В остальном диапазоне частот вращения пода­чей топлива управляет водитель. Всережимный регулятор автоматически поддерживает заданные частоты вращения на протяжении всего рабочего периода. Для изменения скоростного режима водитель воздействует на пружину регулятора. Что касается автомобилей, то применение на них все- режимных регуляторов нельзя считать достаточно обоснованным, так как автомобильные дизели большую часть времени работают при неустановив­шихся режимах в результате изменения нагрузки и воздействия водителя на регулятор. В этих условиях под действием всережимного регулятора рейка топливного насоса совершает колебательные движения, в результате чего в дизельный двигатель поступает излишнее количество топлива. Это приводит к повышению расхода топлива и дымности отработавших газов, особенно при трогании автомобиля с места.

Как показывают исследования, при движении автомобиля с дизелем в городских условиях применение двухрежимного регулятора вместо все­режимного обусловливает снижение эксплуатационного расхода топлива до 5…6%. Работу двухрежимного регулятора можно улучшить, если на частичных нагрузках придать кривым крутящего момента пологий наклон в сторону повышения частоты вращения. В этом случае регулятор может работать как однорежимный.

Таким образом, совершенствование системы регулирования дизельных двигателей транспортных машин является существенным резервом сниже­ния вредных выбросов дизелями в окружающую среду.

Одним из условий экономного расходования топлива и минимального выброса вредных веществ в окружающую среду двигателями различных типов и назначения — точное выдерживание во всех возможных режимах работы оптимальных параметров систем двигателя, определяющих его ток­сичность и экономичность. Для бензиновых двигателей такими системами в первую очередь являются системы питания и зажигания. Поэтому первые электронные системы, применяемые в двигателях, использовали для управ­ления составом смеси и углом опережения зажигания. Управление составом смеси при использовании электронных систем более легко осуществить при применении систем впрыска бензина. Поэтому эти системы начали широко применять на бензиновых двигателях. Системы впрыска бензина с электронным управлением по сравнению с карбюратором имеют ряд преимуществ, к основным из которых относятся:

• равномерное распределение смеси по цилиндрам двигателя;

• более точное дозирование топлива; возможность автоматизации процес­сов пуска и прогрева;

• отключение подачи топлива в режиме принудительного холостого хода двигателя;

• коррекции подачи топлива в зависимости от параметров окружающей среды.

Эти преимущества дают возможность повысить энергетические пока­затели двигателя, улучшить его топливную экономичность и пусковые качества, снизить токсичность отработавших газов по некоторым вредным веществам. Причинами, препятствующими повсеместному применению си­стем электронного впрыска, являются сложность конструкции, более вы­сокая стоимость и в раде случаев меньшая надежность в эксплуатации. На первом этапе своего развития системы впрыска бензина с электронным управлением обеспечивали точное дозирование топлива в различных режи­мах работы двигателя. Затем разработали более сложные системы. Особый интерес представляют системы питания с обратной связью, т. е. изменения состава смеси с учетом состава отработавших газов. Такие сцстемы широко используют для поддержания состава смеси, близкого к стехиометри — ческому, что необходимо для последующей эффективной нейтрализации вредных веществ в отработавших газах, а также поддержания состава смеси на пределе эффективного обеднения в двигателях, работающих на сильнообедненных топливовоздушных смесях. Электронные системы с обратной связью широко используют и в карбюраторных двигателях в связи с основным преимуществом карбюраторных систем — их дешевизной по сравнению с системами впрыска.

Электронные системы зажигания на первом этапе применения в двига­телях обеспечивали более мощную энергию разряда на свече зажигания. В последующем их стали широко применять для получения оптимальных значений угла опережения зажигания в зависимости от режима работы двигателя, изменения этого режима во времени, состава смеси и других параметров.

В последнее время начинают получать распространение комплексные системы регулирования бензиновых двигателей с использованием мини — ЭВМ, которые управляют составом смеси, углом опережения зажигания, интенсивностью рециркуляции отработавших газов, показателями работы двигателя в режиме холостого хода, в зависимости от различных па­раметров, характеризующих работу и техническое состояние двигателя, состояние окружающей среды. Наряду с обеспечением оптимальных пара­метров управления двигателями в ряде электронных систем предусмотрено диагностирование технического состояния основных систем двигателя и выдача сигналов об отклонении параметров от нормы. Такие системы дают возможность снизить количество выбросов и расхода топлива не только за счет обеспечения оптимальных параметров систем двигателя, но и в результате своевременного выявления и устранения неисправностей и отклонений регулировок от оптимальных.

Применение дизельных двигателей и жесткие нормы выбросов вредных веществ предопределили интенсивные работы по использованию электрон­ных систем управления в этих двигателях. На первом этапе электронные системы использовали для более точного поддержания частоты вращения и обеспечения оптимальных углов опережения впрыскивания. Особенно широко электронные системы начали применять в стационарных дизелях или дизельгенераторных установках для прецизионного контроля частоты вращения и минимального отклонения от заданной величины при измене­нии нагрузки.

В настоящее время на транспортных дизелях применяют электронные системы, контролирующие работу и обеспечивающие управление большим количеством параметров с использованием микрокомпьютеров. Преимуще­ства таких систем по сравнению с механическими следующие:

• получение скоростных характеристик дизельного двигателя любой фор­мы, оптимальных для данных условий движения;

• снижение вредных выбросов и расхода топлива путем оптимизации угла опережения впрыскивания;

• отключение части цилиндров в режиме холостого хода;

• обеспечение необходимого запаса цикловой подачи топлива при пуске.

Часто такие системы наряду с управлением диагностируют техническое состояние основных систем дизельного двигателя.

Режимы работы ДВС, устанавливаемых на транспортных, сельско­хозяйственных, строительных машинах, непрерывно изменяются в экс­плуатационных условиях. Однако есть режимы, улучшению показателей которых уделяется особое внимание в связи с широким использованием их в эксплуатационных условиях и значительным ухудшением токсических и экономических показателей двигателей. Например, процессы разгона ДВС, поскольку при этом нарушается оптимальное соотношение топли­ва и воздуха. В бензиновых карбюраторных двигателях для устранения обеднения смеси в этих режимах используют насосы-ускорители. Подбо­ром производительности насоса-ускорителя можно обеспечить удовлетво­рительные показатели двигателя в процессе разгона. В дизелях, особенно с трубонаддувом, при разгонах наблюдается резкое обогащение смеси, что приводит к интенсивному дымлению дизелей и повышенным выбросам продуктов неполного сгорания с отработавшими вазами. Для устранения этого явления устанавливают автоматический ограничитель дымления (рис. 17.3). Он состоит из корпуса i, эластичной диафрагмы 2 и пружины 3. Диафрагма связана с рычагом 4- воздействующим на рейку топливного насоса 5. Положение рычага 4 зависит от натяжения пружины регулятора 0, частоты вращения дизеля, определяющей центробежную силу грузов регулятора 7, и давления наддува рк, действующим с одной стороны на диафрагму. При снижении давления наддува диафрагма под действием
пружины 3 деформируется, перемещая влево рейку и уменьшая цикловую подачу топлива в процессе разгона.

Испытания ограничителей дымления пока­зывают, что при их использовании дымность отработавших газов снижается на 30… 40% при уменьшении расхода топлива на 3… 6% и незна­чительном увеличении времени разгона дизеля.

Известно, что количество воздуха, поступа­ющего в цилиндры дизеля, в зависимости от частоты вращения представляет слегка выпук­лую кривую, а цикловая подача топлива насо­сами высокого давления с широко применяемы­ми корректорами по мере увеличения частоты вращения — снижающуюся кривую. Это приво­дит к тому, что дизели при работе по внешней характеристике в зоне низких частот вращения имеют повышенную дымность отработавших га­зов, увеличенные выбросы окиси углерода и углеводородов и низкую экономичность. Для устранения этого недостатка в последнее время используют специальные противодымные отрицательные корректоры.

Отрицательные корректоры способствуют снижению дымности отра­ботавших газов в зоне низких частот вращения на 40%, при повышении экономичности транспортной машины на 1… 2%.

В эксплуатационных условиях автомобильные двигатели часто работа­ют в режиме принудительного холостого хода, когда индикаторный крутя­щий момент двигателя меньше момента механических потерь и вращение его осуществляется в результате подвода энергии от трансмиссии автомо­биля. Такой режим работы часто наблюдается при движении автомобилей в населенных пунктах и городах, когда при подъезде к перекрестку, свето­фору или в связи с дорожными условиями водитель полностью отпускает педаль управления топливоподачей, не выключая при этом передачи. В дизельных двигателях при полностью отпущенной педали подача топлива выключается и включается только при снижении частоты вращения до величины, близкой к минимальной частоте вращения холостого хода. Это исключает непроизводительные потери топлива.

В бензиновых двигателях при полностью закрытых дроссельных заслон­ках и высокой частоте вращения топливо истекает через систему холостого хода примерно в том же количестве, что и в режиме минимальной частоты вращения холостого хода. Работа при высокой частоте вращения и за­крытых дроссельных заслонках характеризуется высокими разрежениями во впускном трубопроводе и цилиндрах двигателя, что приводит к срыву топливной пленки со стенок трубопровода, а также к ухудшению или пол­ному прекращению сгорания. В результате наряду с непроизводительной потерей топлива интенсивно загрязняется окружающая среда продуктами неполного сгорания.

ВРЕДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЫБРАСЫВАЕМЫЕ ПРИ РАБОТЕ ДВС

Рис. 17.3. Схема ограни­чителя дымления дизель­ного двигателя с турбо — наддувом

Для улучшения показателей работы бензиновых двигателей в режиме принудительного холостого хода выключают подачу топлива через систему
холостого хода или снижают величину разрежения во впускном трубопро­воде путем подачи в него дополнительного воздуха. Первый путь, устраняя потерю топлива, не исключает срыв топливной пленки и осушение стенок впускного трубопровода, что при переходе к работе двигателя в активном нагрузочном режиме может вызвать обеднение смеси и работу двигателя с перебоями. Особенно часто это происходит в бензиновых двигателях грузо­вых автомобилей с относительно большой длиной впускных трубопроводов. Второй путь уменьшает срыв топливной пленки со стенок трубопровода и истечение топлива. Однако наряду с этим уменьшаются насосные потери, что снижает эффект при торможении, двигателем. Кроме того, трудно обеспечить герметичность дополнительного канала и исключить подсос через этот канал воздуха при работе двигателя в других режимах. Поэтому в практике чаще используют первый путь. Для выключения подачи топ­лива топливный канал системы холостого хода перекрывается игольчатым электромагнитным клапаном, включение которого зависит от положения дроссельных заслонок и частоты вращения двигателя. При закрытых дроссельных заслонках и частоте вращения выше установленной величины электромагнитный клапан перекрывает топливный канал. При снижении частоты вращения ниже заданной величины клапан включает подачу топлива, что исключает остановку двигателя и необходимость повторного пуска. Системы отключения топлива в режиме принудительного холостого хода внедрены на отечественных карбюраторах «Озон», устанавливаемых на двигателях легковых автомобилей.

Токсичные компоненты отработавших газов, такие как окись углерода и углеводороды, могут быть нейтрализованы в выпускной системе двигателя. С целью их окисления до конечных продуктов сгорания в поток горячих отработавших газов непосредственно за выпускной клапан подают воздух. В любой выпускной системе происходит в определенной степени процесс окисления. Этот процесс можно активизировать посредством турбулентно­го смешивания воздуха с отработавшими газами при высоких температу­рах.

Для интенсификации процесса пламенного дожигания продуктов непол­ного сгорания топлива применяют специальные выпускные системы для поддержания более высокой температуры отработавших газов. Наряду с этим увеличивают время прохождения отработавших газов через зону реак­ции и повышают качество перемешивания отработавших газов с воздухом.

Эффективный процесс дожигания углеводородов начинается при темпе­ратуре около 400°С, а окиси углерода при температуре не менее 500°С. Чем выше температура смеси отработавших газов с воздухом, тем эффективнее проходит процесс окисления в выпускной системе двигателя.

Для усиления эффективности окислительной реакции при содержании в отработавших газах 2…3% кислорода и среднем времени прохожде­ния отработавших газов через выпускной трубопровод необходимо, чтобы температура в выпускной системе составляла около 620°С. При обычных условиях движения автомобиля в городе температура отработавших газов в выпускной системе является слишком низкой для активного дожигания углеводородов. Повысить температуру отработавших газов можно за счет снижения потерь тепловой энергии в камере сгорания и в выпускной системе двигателя, путем установки в ней специальных тепловых экранов. На рис. 17.4 показана конструктивная схема выпускного канала с тепловым экраном из жаростойкой стали. Такой экран обеспечивает увеличение температуры отработавших газов примерно на 100°С.

Более эффективными устройствами для дожигания продуктов непол­ного сгорания топлива и разложения окислов азота являются катали­тические нейтрализаторы. Сущность каталитической нейтрализации за­ключается в химических преобразованиях вредных веществ в присутствии катализаторов, ускоряющих протекание химических реакций, вследствие которых эти вещества превращаются в безвредные для человека и окру­жающей среды вещества. Как отмечалось выше, основными вредными веществами ДВС являются окись углерода, углеводороды и окислы азота. Для превращения их в безвредные вещества СО и CnHm следует окислить до продуктов полного окисления С02 и Н20, а N0® восстановить, выделив чистый азот.

Однако даже если такие среды будут созданы, то за короткий про­межуток времени пребывания отработавших газов в выпускной системе, особенно, когда температура их невысокая, указанные реакции не успе­вают протекать. Для ускорения этих реакций используют катализаторы. Наиболее эффективными являются катализаторы на основе благородных металлов — платины и палладия. Платина — универсальный катализатор, обеспечивающий быстрое протекание реакций окисления и восстановления. Палладий, как правило, используют для ускорения окислительных реак­ций. Для интенсификации восстановительных реакций применяют радий, рутений, окислы меди, марганца, ванадия, хрома и др. Активность этих катализаторов объясняется низкой прочностью связи кислород — металл. Однако их эффективность значительно ниже по сравнению с платиной и палладием, поэтому, несмотря на высокую стоимость, для нейтрализа­ции вредных веществ ДВС наиболее широко используют каталитические нейтрализаторы на основе благородных металлов. Катализатор наносят на поверхность носителя или пропитывают его. В качестве носителей исполь­зуют керамические или изготовленные из тугоплавких окислов (например, окислов алюминия А1203) блоки или гранулы с развитой поверхностью.

Эффективность нейтрализатора зависит от температуры катализатора. Различают низко — и высокотемпературные катализаторы. Первые характе­ризуются высокой активностью при низких температурах (100…300°С). Это смесь окислов марганца, меди, ванадия, хрома и др. Высокотемпе­ратурные катализаторы (платина и палладий) эффективны при высоких температурах (более 300°С). Для эффективной работы нейтрализаторов указанные температурные режимы должны выдерживаться. Достигается это соответствующей конструкцией нейтрализатора и выбором места уста­новки в выпускной системе двигателя.

Поскольку обеспечить в выпускной системе ДВС протекание реакций окисления и восстановления сложно, то в ряде случаев применяют катали­тические нейтрализаторы для снижения выбросов только окиси углерода и углеводородов. В бензиновых двигателях в раде режимов работы (холостой ход, разгон, полные нагрузки) смесь обогащается, что приводит к повышен­ным выбросам СО и CnHm, а также исключает протекание реакций окис-
леиия в процессе выпуска отработавших газов даже в присутствии катали­заторов. Поэтому в каталитический нейтрализатор бензинового двигателя необходимо подавать воздух. Для этого можно использовать нагнетатели или эжекторы.

На рис. 17.5 показана конструкция каталитического нейтрализатора, применяемого в современных легковых автомобилях.

Дизельные двигатели во всех режимах работают на обедненных топли — вовоздушных смесях, поэтому в выпускной системе среда является окисли­тельной и дополнительного воздуха не требуется. В нашей стране созданы системы нейтрализации с гранулированными палладиевыми катализатора­ми практически для всех легковых и грузовых автомобилей и автобусов. Выпускают каталитические нейтрализаторы для дизельных двигателей, используемых в местах с ограниченным воздухообменом. Применение та­ких нейтрализаторов резко снижает выбросы СО и CnHm.

ВРЕДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЫБРАСЫВАЕМЫЕ ПРИ РАБОТЕ ДВС

Отверстия для заполнения но-

Направляющие лопасти

Камера восстановления N0

Рис. 17.5. Конструкция двухкамерного ката­литического нейтрализатора

ВРЕДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЫБРАСЫВАЕМЫЕ ПРИ РАБОТЕ ДВС

Рис. 17.4. Схема тепловой изо­ляции выпускного канала

‘Направляющие лопасти >Камера окисления CJia и СО

Эффективной принято считать работу нейтрализатора при превраще­нии не менее 80% СО и N0^. При этом процент окисления CnHm со­ставляет еще больше. Для обеспечения такой эффективности состав смеси должен находиться в пределах ±0.7%, что значительно меньше пределов, наблюдающихся в эксплуатационных условиях. По мере эксплуатации нейтрализаторов допустимый диапазон изменения состава смеси умень­шается. Например, после пробега автомобиля с нейтрализатором 30 000 километров он составляет ±0,2%. Для обеспечения состава смеси, близкого к стехиометрическому, применяют электронные системы регулирования карбюратора или впрыска бензина с обратной связью, когда состав смеси корректируется по составу отработавших газов, который оценивают по концентрации кислорода, измеряемой кислородным датчиком. Наиболее широко используют датчики, работающие по принципу возникновения электродвижущей силы (ЭДС) между платиновыми электродами в твер­дом электролите, как правило, двуокиси циркония, если эти электроды находятся в средах с различным содержанием кислорода. В качестве таких сред используют окружающий воздух и отработавшие газы. При переходе через стехиометрический состав смеси вследствие резкого изменения содер­жания кислорода в отработавших газах ЭДС скачкообразно изменяется. Этот сигнал используется для поддержания состава смеси на уровне, близком к стехиометрическому.

Каталитические нейтрализаторы особенно широко используют на лег­ковых автомобилях с бензиновыми двигателями. Как показывает опыт, эти нейтрализаторы имеют ряд недостатков — ухудшение экономичности и сни­жение мощности ДВС, относительно большая стоимость и недостаточная долговечность (до 80 ООО км пробега), не надежны в эксплуатации, то есть эффективность их работы по мере эксплуатации уменьшается. Одной из причин этого является отравление катализатора двуокисью серы (SO2). Особенно интенсивно протекает этот процесс в нейтрализаторах дизелей, работающих на сернистых топливах. Сущность отравления заключается в образовании сульфата алюминия при реакции между SO2 и материалом носителя А120з. В результате снижаются пористость и газопроницаемость катализаторов.

Указанные недостатки сдерживают повсеместное применение каталити­ческих нейтрализаторов и обусловливают проведение обширных исследо­ваний по их совершенствованию и поиску других путей снижения вредных выбросов ДВС в окружающую среду.

Источниками выброса вредных веществ в двигателях наряду с отрабо­тавшими газами являются картерные газы и испарения топлива.

Количество и состав вредных веществ этих источников для двигателей различных типов неодинаково, что и учитывается при разработке меропри­ятий по уменьшению вредных выбросов.

В бензиновых двигателях в тактах сжатия и частично расширения часть топливовоздушной смеси прорывается в картер. Поэтому в этих двигателях с картерными газами выбрасывается много углеводородов, больше, чем с отработавшими газами. Особенно много углеводородов выбрасывается в двигателях с изношенной цилиндропоршневой группой. В их составе содержатся полициклические углеводороды, обладающие канцерогенными свойствами. Единственная возможность предотвратить загрязнение окру­жающей среды вредными веществами картерных газов — использование закрытой системы вентиляции картера, когда прорывающиеся в него из цилиндров газы возвращаются во впускную систему. При подводе картер­ных газов во впускной канал перед карбюратором топливовоз душная смесь обогащается и увеличиваются выбросы окиси углерода. Подвод картерных газов после карбюратора приводит к обеднению топливовоз душной смеси, вследствие чего двигатель работает неустойчиво, повышается количество выбросов с отработавшими газами углеводородов и окислов азота. Иссле­дованиями установлено, что наиболее эффективной является комбиниро­ванная система вентиляции картера, при которой 40% картерных газов подается до карбюратора и 60% — после карбюратора. При этом закрытая система вентиляции должна обеспечивать очистку картерных газов от ка­пель и паров масла, чтобы предотвратить попадание во впускную систему двигателя полициклических углеводородов.

В настоящее время закрытые системы вентиляции картера исполь­зуются на всех бензиновых двигателях. При техническом обслуживании необходимо очищать клапаны и промывать фильтры этих систем, так как неисправность закрытой системы вентиляции может привести к увеличе­нию выбросов вредных веществ даже по сравнению с открытой.

При эксплуатации бензиновых двигателей в окружающую среду попа­дают углеводороды в виде испарений бензина из системы питания, что при­водит к ухудшению качества и непроизводительной потере 4… 6% бензина. Для устранения этого явления на бензиновых двигателях устанавливают системы улавливания топливных испарений.

В настоящее время разработаны системы для бензиновых двигателей различного назначения. Принцип работы таких систем заключается в улавливании с помощью адсорбента испарений из топливного бака и поплавковой камеры и удалении этих испарений с поступлением их в карбюратор продувкой воздухом адсорбента во время работы двигателя. В качестве адсорбента наиболее часто используют активированный уголь АГ-3. Использование систем улавливания топливных испарений практиче­ски полностью исключает загрязнение окружающей среды углеводородами в виде испарений бензина.

Добиться снижения вредных выбросов двигателями можно путем при­менения новых видов топлива и специальных добавок к традиционному топливу. К новым видам топлива относятся различные горючие газы, получаемые в результате переработки нефти, а также спирт. Самым экологически чистым топливом является водород, в результате сгорания которого образуются только водяные пары, абсолютно безвредные для организма человека и окружающей среды.

[1] Здесь и далее по тексту в квадратных скобках указаны условия, при которых данное выражение справедливо.

[2] См. выражение (8.15).

[3] Рассматривается в дальнейшем.

[4] Работа — это энергия, передающаяся в результате механического взаимодействия тел. Энергия (работа) никогда не бывает отрицательной величиной. Объектом нашего изучения является рабочее тело (газ). Бели в результате расчетов работа, совершаемая изучаемой си­стемой, получается отрицательной величиной, это указывает на то, что работа выполняется не изучаемой системой (рабочим телом) над окружающей средой, а наоборот — окружающей средой над рабочим телом.

[5] Теплота — это тоже энергия, но передающаяся в результате теплового взаимодействия тел. Если в результате расчетов теплота получается с отрицательным знаком, это указывает на то, что она отводится от рабочего тела (изучаемой системы) в окружающую среду.

[6] Процессы расширения и сжатия рабочего тела, подвода к нему и отвода от него энергии происходят относительно медленно, поэтому являются равновесными.

[7] Внутренняя, кинетическая и потенциальная энергии окружающей среды изменяются. Эти изменения происходят в соответствии с первым законом термодинамики.

[8] Более подробно этот вопрос рассмотрен в гл. 6.

[9] См. главу 7.

[10] Более подробно этот вопрос рассмотрен в специальной литературе.

[11] Описанный способ определения расстояний может быть не совсем удобный, но верный.

[12] Деление энергии на виды является лишь научной абстракцией, позволяющей система­тизировать знания.

[13] Обратимый не означает обратный цикл.

[14] См. главу 7.

[15] Правильнее будет сказать, что внутренняя энергия газа будет полностью передана поршню (окружающей среде) в форме работы.

[16] См. рис. 3.46 части 1 пособия.

[17] См. гл. 3 части 1 пособия.

[18] См. рис. 3.46 части 1 пособия.

[19] См. главу 3 части 1 пособия.

[20] ТЪкие баллоны используются в системах воздушного пуска двигателей танков, БМП, БМД и других транспортных средств.

[21] Температура термостата не изменяется при подводе к нему и отводе от него энергии в тепловой форме.

[22] С повышением давления температура кипения вещества увеличивается (см. гл. 6).

[23] Широко используется в терморегуляторах электрических утюгов.

[23] См. часть 1 учебника.

[24] при увеличении степени повышения давления А от 1.0 до 3.0 термиче­ский КПД цикла возрастает при любом р (рис. 9.13). Если р > 2.0, то в области А ^ 3.0 рост термического КПД замедляется, а в некоторых

[25] См. часть 1 пособия.

[26] Действительные циклы рассматриваются в дальнейшем.

[27] Принцип работы компрессора подробно рассмотрен в главе 7.

[28] Назначение диффузора и принцип его работы описан в главе 7.

[29] См. главу 7.

[30] Авторы сочли необходимым разделить понятия «теоретически необходимое количество» и «теоретически необходимая масса» воздуха, полагая их различными физическими величи­нами. В ходе химических реакций масса вещества не изменяется, тогда, как его количество изменяется.

[31] Двигатели с внешним смесеобразованием — бензиновые двигатели, двигатели с внутрен­ним смесеобразованием — дизельные двигатели.

[32] Иногда ее называют теплотворной способностью топлива.

[33] См. уравнение (10.4).

[34] В настоящее время конструкция бензинового двигателя претерпевает некоторые изме­нения, в связи с чем название «карбюраторный двигатель» уже не отражает особенностей его конструкции.

[35] См. главу 9.

[36] Наличием паров бензина в нем пренебрегают.

[37] Это не следует понимать так, что остаточные газы будут находиться отдельно от вновь поступающей горючей смеси. Они сразу же смешиваются.

[38] Вопросы применения наддува в поршневых двигателях рассматриваются в теории ДВС.

[39] Из этой точки начиналось рассмотрение цикла.

[40] Принцип работы центробежного компрессора рассмотрен в гл. 7.

[41] Принцип работы турбинной ступени рассмотрен в гл. 7.

[42] См. гл. 5 части 1 пособия.

[43] В паровозе движение от поршня двигателя с цилиндром двойного действия (рис. 1.13) через шток передается непосредственно на колесную пару.

[44] В паровозе пар после парового двигателя выбрасывается в окружающую среду. Для конденсации воды требуется специальный конденсатор больших размеров, что не совсем приемлемо для движущегося транспортного средства.

[45] Создать такой двигатель в настоящее время оказалось невозможным ввиду большого количества нерешенных проблем.

[46] См. главу 8.

[47] См. часть 1 данного учебного пособия.

[48] См. гл. 6 части 1 данного пособия.

[49] См. Приложения 1-3 части 1 данного пособия.

[50] Напомним, что в обычных паросиловых установках давление пара в конденсаторе равно примерно 3.5… 4 кПа.

[51] Напомним, что процесс конденсации выходящего из турбины пара происходит в конден­саторе при постоянных давлении и температуре. Чем больше давление пара, тем больше его конечная температура.

[52] Как говорят в этом случае, турбина с противодавлением работает по свободному тепловому графику и вынужденному электрическому графику.

[53] См. главу 1 части 1 пособия

[54] См. гл. 4 части 1 пособия.

[55] См. гл. 2 части 1 пособия.

[56] См. выражение (4.40).

[57] См. гл. 4 части 1 пособия.

[58] В химии это положение носит название закона Лавуазье—Лапласа.

[59] См. гл.4 части 1 пособия.

[60] Утверждение, что энтропия идеального кристалла при 0 К равна нулю, составляет одну из формулировок третьего закона термодинамики.

[61] См. часть 1.

[62] Используется в силовой установке танка М-1 «Абраме» с газотурбинным двигателем AGT-1500 для повышения экономичности.

[63] противоток — теплоносители движутся параллельно, но в противопо­ложном направлении (рис. 11.14, б);

• перекрестный ток (рис. 11.14, в).

Возможны и более сложные схемы, сочетающие в себе различные ком­бинации элементов простых схем (рис. 14.12, г; 14.12, <?).

В зависимости от направления движения теплоносителей (противоток или прямоток) и соотношения W\ и W2, получаются четыре характер­ных пары кривых изменений температуры вдоль поверхности нагрева (рис. 14.13).

Как видно на рис. 14.13, при одной и той же начальной температуре холодного теплоносителя его можно нагреть при противотоке до более высокой температуры, чем при прямотоке (при одной и той же начальной

[64]В настоящее время получили применение бензиновые двигатели с впрыском бензина во впускной канал (без карбюратора).

[65] См. главу 10.

[66] См. п. 10.7 главы 10.

[67] См. главу 13.

[68] См. гл. 1 части 1 пособия.

[69] Расширение пара в сопле 4 или в группе параллельно соединенных со­пел. В процессе расширения потенциальная энергия пара уменьшается (уменьшается давление пара от р0 до pi. Чем меньше давление пара, тем больший объем он занимает, т. е. он расширяется. В процессе расшире-

[70] Более подробно реактивная турбина рассмотрена в гл. 7.

[70] Рабочая смесь представляет собой смесь поступившей горючей смеси с остаточными газами от предыдущего цикла.

[70]К потерям механической энергии относят и ее диссипацию (преобразование энергии из механической формы в тепловую форму при трении).

[71] В настоящее время наддув бензиновых двигателей получил очень ограниченное приме­нение.

[72] Реально тормозное устройство представляет собой технически сложную машину, устрой­ство которой рассматривается в специальной литературе. В рассматриваемом примере тормозное устройство представлено в самом упрощенном виде только для пояснения метода, положенного в методику определения параметров двигателя с помощью тормозного стенда.

[73] частота вращения коленчатого вала уменьшается;

• крутящий момент Ме сначала увеличивается от нуля (точка i), дости­гая максимума в точке а затем уменьшается;

• эффективная мощность Ne сначала увеличивается, достигая максимума в точке 2, а затем уменьшается до некоторого значения (точка 0), соот-

[74] Такое название обусловлено тем, что двигатель имеет в своем составе только один вал.

[75] См. выражение (9.181).

[76] См. гл. 7 части 1 пособия.

[77] См. гл. 7 части 1 пособия.

[78] Этот двигатель рассматривается в дальнейшем.

[79] Правильнее, количество энергии в механической форме, которым обмениваются тела в результате взаимодействия.

[80] Правильнее — путем увеличения расхода газа через реактивное сопло.

[81] См. выражение (15.189).

[82] Зависимость (15.220) не совсем точна, так как давление газа в отверстии не равно давле­нию газа в камере. Через отверстие в стенке газ истекает из камеры, т. е. его кинетическая энергия увеличивается, а потенциальная энергия (давление) понижается.

[83] См. гл. 7 части 1 данного пособия.

[84] Более подробно этот вопрос рассмотрен в гл. 7 части 1 данного пособия.

[85] В технической литературе по ракетным двигателям топливо часто называют горючим.

[86] См. гл. 5 части 1 данного пособия.

[87] См. гл. 7 части 1 данного пособия.

[88] См. гл. 7 части 1 пособия.

[89] Это может быть сумма сил аэродинамического сопротивления и тяжести.

[90] Здесь понимается вещество, предназначенное для горения в камере сгорания двигателя, и окислитель.

Ваш отзыв

Рубрика: Основы теории тепловых процессов и машин

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *