Бензиновых двигателей

Основные токсичные вещества, являющиеся продуктами неполного сгорания топлива — окись углерода, сажа, углеводороды и альдегиды. У двигателей с внешним смесеобразованием, в частности бензиновых двигателях, наибольшая доля вредных выбросов приходится на окись углерода, в то время как у двигателей с внутренним смесеобразованием (дизелей) — на сажу. Это объясняется существенным различием организации процессов смесеобразования и сгорания. Если у двигателя с внешним смесеобразованием процесс горения в цилиндре можно рассматривать как горение гомогенной смеси, то в цилиндрах дизеля осуществляется гетерогенное сгорание, качества которого зависит от характеристик впрыска топлива, формы камеры сгорания, интенсивности смесеобразования и т. д. При организации малотоксичного рабочего процесса в дизеле необходимо обеспечить полное сгорание топлива по всему объему камеры аорания, а у двигателей с внешним смесеобразованием — оптимальное соотношение топлива и воздуха в смеси.

В бензиновых двигателях интенсивное сажеобразование возможно только при работе на переобогащенной смеси (а < 0,7), что свидетельствует о неисправности системы питания. Нормальное сго-ра"и; гомогенных топливовозДУшных смесей происходит при а > > 0,82 ч- 0,85, т. е. значительно более высоких, чем предел образования сажи. р

Удельные выбросы (отнесенные к мощности) в бензиновых двигателях максимальны на режимах малых нагрузок, длительность которых в ездовом цикле высока. Двигатель на этих режимах имеет низкий индикаторный и механический КПД вследствие повышенных дроссельных (насосных) потерь и большого количества остаточных газов в цилиндрах, требующих переобогащения смеси. Для устранения этого недостатка автомобильных двигателей применяют методы отключения из работы отдельных цилиндров или циклов. Обычно метод отключения части цилиндров используют в восьми-и шестицилиндровых, но можно его применять и в четырехцилиндровых двигателях.

Рециркуляция применяется как в бензиновых двигателях, так и дизелях. Перепуск ОГ происходит из-за разности давлений в системе выпуска и впуска, регулирования степени рециркуляции — с помощью заслонок и клапанов. На полных нагрузках рециркуляцию применять нецелесообразно, так как значительно возрастают В("бР°сы углеводородов, сажи, расход топлива (до 20%). Более эффективна межцилиндровая рециркуляция отработавших газов, когда ОГ переходят из цилиндра, в котором заканчивается такт выпуска, в цилиндр с тактом впуска. Каналы рециркуляции открываются поршнями в их положении у н.м.т. Высокая скорость перетекания газов способствует также интенсивному завихрению заряда в цилиндрах.

На серийно выпускаемых бензиновых двигателях добавка воды снижает выбросы NOX до 40% при одновременном возрастании концентраций CnHm в 2 раза. Наблюдаются некоторое снижение мощности и повышение расхода топлива на режимах малых нагрузок. Добавка воды на образование окиси углерода прямого влияния не оказывает. Применение воды как присадки к топливу затруднено из-за невозможности эксплуатации при отрицательных температурах, наличия солей, отрицательно влияющих на детали двигателя, нестабильности водотопливных эмульсий (необходимо постоянное механическое перемешивание эмульсии).

Для получения оптимальных показателей по экономичности и мощности необходимо сжигать смесь в цилиндре быстро, когда поршень находится около в.м.т. Топливо сгорает тем быстрее, чем мельче его частицы, что объясняется увеличением поверхности горения топлива. Можно считать, что пределом процесса дробления жидкого топлива является его испарение— пары топлива сгорают наиболее быстро. Для приготовления горючей смеси в бензиновых двигателях применяют специальные приборы — карбюраторы.

Удовлетворяя это требование, конструкторский коллектив А. Д. Швецова разработал к началу 50-х годов серию экспериментальных многоцилиндровых двигателей, в том числе уникальный двигатель АШ-2ТК взлетной мощностью 4300 л. с. Тогда же В. А. Добрыниным и его сотрудниками был сконструирован 24-цилиндровый шестиблочный комбинированный двигатель ВД-4К для тяжелых высотных самолетов сверхдальнего действия. Обладавший мощностью 4300 л. с,, отличавшийся высокой эксплуатационной надежностью и малым расходом топлива (175 г на 1 л. с.-ч. вместо 280—300 г в других авиационных бензиновых двигателях), он обеспечивал возможность беспосадочного полета самолетов Ту-85 продолжительностью до 22 час. В этом двигателе с жидкостным охлаждением и с комбинированным наддувом от турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя впервые в авиационном двигателестроении была использована энергия выхлопных газов: из цилиндров они отводились в импульсные газовые турбины, передававшие дополнительную мощность на приводной вал, а по выходе из турбокомпрессора использовались для получения дополнительной реактивной тяги.

Правда, этими заявками предусматривалось в основном использование воды в качестве присадок с целью предупреждения детонации в бензиновых двигателях с зажиганием от искры.

В бензиновых двигателях горючая смесь (смесь взвешенных капелек топлива и его паров с воздухом) приготовляется в специальных устройствах, называемых карбюраторами. Карбюратор устанавливается на пути всасываемого воздуха до поступления его в цилиндр, в связи с чем карбюраторные (бензиновые) двигатели называются также двигателями с внешним смесеобразованием.

В бензиновых двигателях с непосредственным впрыском топлива состав рабочей смеси должен быть выдержан при всех нагрузках

В тех случаях, когда недопустимы высокие температуры в конце хода сжатия (например, в бензиновых двигателях), используют цикл Отто. Дизели работают на топливе, которое допускает высокие температуры в конце хода сжатия, но ограничены по максимальной температуре (в точке Z), поэтому они могут использовать цикл Дизеля или смешанный цикл. На современных дизельных двигателях в основном применяют смешанный цикл, так как он позволяет снизить максимальную температуру (в точке Z) и одновременно использовать «плюсы» цикла Отто.

Как было установлено (§6.2), теоретический КПД цикла с V — const зависит только от степени сжатия е. Но предельные значения, е ограничены условиями самовоспламенения топливовоздушной смеси при сжатии. У современных бензиновых двигателей g.= 64-ll, у газовых е = 5-нЮ. Расчеты показывают, что для е= 10 термический КПД цикла г( = 0,61.

Сажа, углеводороды, оксид углерода и альдегиды образуются в результате неполного сгорания топлива, связанного либо с недостатком кислорода в рабочей смеси, либо с плохим смесеобразованием. Первое особенно характерно для бензиновых двигателей, когда карбюратор вырабатывает богатую смесь на режимах холостого хода и торможения. Дизели всегда работают со значительным избытком воздуха, поэтому выброс СО у них невелик, зато в отработавших газах много углеводородов, и особенно сажи, обусловливающих дымность газов.

Основными токсичными компонентами ОГ бензиновых двигателей являются СО, C7,Hm, NO* и соединения свинца, дизелей ---NOX, сажа.

Как видно, неустановившиеся режимы работы автомобильного двигателя во многом определяют его токсические показатели. С целью снижения повышенной инерционности топливоподающих систем, являющейся причиной повышенных выбросов вредных веществ на режимах разгона, в конструкции бензиновых двигателей вводят сложные быстродействующие системы приготовления топливовоз-душной смеси заданного состава, стабилизации температурного режима, впрыск бензина во впускной коллектор. Наиболее эффективны системы с использованием электронных схем. В дизелях, на которых с целью их форсирования все более широко используется турбонаддув, применяют малоинерционные турбокомпрессоры с высокой частотой вращения ротора.

Режимы испытательного цикла по токсичности бензиновых двигателей грузовых автомобилей и автобусов приведены в табл. 7.

Для бензиновых двигателей грузовых автомобилей и автобусов при испытаниях по ОСТ 37.001.070-75 установлены предельно допустимые нормы выбросов вредных веществ с ОГ:

Перечисленные топлива имеют потенциально высокие энергетические свойства и возможности малотоксичного сгорания в автомобильных двигателях. Эти свойства могут быть полностью реализованы, если двигатели, работающие на перспективных топливах, будут спроектированы с учетом опыта создания бензиновых двигателей, но без слепого копирования и ориентирования на их оптимальные показатели. Возможно, что двигатели, работающие на метаноле, водороде, будут иметь иные литровую мощность,

4.2. СИСТЕМА НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Для бензиновых двигателей характерна низкая концентрация свободного кислорода в ОГ при работе с коэффициентом избытка воздуха а <Л. Именно режимы с а, < \ дают основную долю массовых выбросов продуктов неполного сгорания топлива в испытательном цикле.

Нейтрализаторы бензиновых двигателей работают в диапазоне температур ОГ от 120 °С на холостом ходу до 600 °С на форсированных режимах. Каждый процент повышения объемных концентраций СО или CnHm в ОГ повышает температуру реакции на катализаторе примерно на 100° С. Верхний диапазон температур в реакторе при мощностном обогащении смеси может достигать 800 ... 900 °С, а при возникновении неисправностей в системе питания и зажигания — 1000 ... 1100 °С. Это аварийный режим, который может привести к спеканию катализатора, прогару реактора и корпуса нейтрализатора.

Анализ автомобильного парка СССР по структуре и назначению показал, что наиболее рациональное использование системы нейтрализации ОГ бензиновых двигателей на городских автобусах типа ЛиАЗ-677, ЛАЗ-695, грузовых автомобилей ЗИЛ-130, осуществляющих внутригородские перевозки, а также легковых автомобилях-такси ГАЗ-24—01 и ГАЗ-3102. Эти автомобили отличаются напряженным режимом эксплуатации, на их долю приходится более 30% выбросов вредных веществ в атмосферу крупных городов.