Таблица 2.7 – Основные показатели автомобильных бензинов (ДСТУ 4063-2001) Показатель А-80 А-92 А-95 Октановое число, определенное по методу: моторному 76 82,5 85 исследовательскому 80 92 95 Содержание свинца, г/дм3 0,013 0,013 0,013 Температура начала перегонки, .С (не ниже) 30 30 30 10 % +бензина перегоняется при температу- ре, .С (не выше) 75 75 75 50 % бензина перегоняется при температуре, .С (не выше) 120 120 120 90 % бензина перегоняется при температуре, .С (не выше) 190 190 190 Температура конца перегонки, .С (не ниже) 215 215 215 Остаток, % (не более) 1,5 1,5 1,5 Остаток и потери, % (не более) 4 4 4 Плотность при 20 .С, кг/м3 (не более) 760 780 780 Таблица 2.8 – Основные показатели топлив для быстроходных дизелей Показатель ДСТУ 3868-99 Л З Цетановое число (не менее) 45 45 Фракционный состав: 50 % перегоняется при температуре, .С (не выше) 280 280 96 % перегоняется при температуре, .С (не выше) 370 370 Кинематическая вязкость при 20.С, мм2/с 3–6 1,8–6 Температура застывания для климатической зоны, .С (не выше) –10 –25 Массовая доля серы в топливе, % (не более): вида I 0,05 0,05 вида II 0,10 0,10 вида III 0,20 0,20 вида IV 0,50 0,50 Зольность, % (не более) 0,01 0,01 Плотность при 20.С, кг/м3 (не более) 860 840 98 Таблица 2.9 – Основные показатели топлив среднеоборотных и малооборотных дизелей Показатель ГОСТ 1667-68 ДТ ДМ Плотность при 20.С, г/см3 (не более) 0,93 0,97 Фракционный состав: до 250.С перегоняется, % (не более) 15 10 Вязкость кинематическая при 50.С, мм2/с (не более) 36 150 Содержание серы в топливе, % (не более): малосернистом 0,5 – сернистом 1,5 3 Температура застывания, .С (не более) –5 +10 Зольность, % (не более) 0,04 0,15 В малооборотных дизелях все шире начинает использовать- ся мазут, что существенно (до 40 %) снижает эксплуатационные расходы на топливо. Применение мазута в качестве топлива для дизелей требует установки в системе питания ряда дополнитель- ных устройств для сепарирования, фильтрации и подогрева. Контрольные вопросы и задания 1. Какие современные оценки мировых ресурсов органичес- кого топлива? 2. Какие современные оценки сырьевых ресурсов моторных топлив? 3. Какой состав нефти и нефтепродуктов? 4. Как получают моторные топлива? 5. Какой элементарный состав жидких моторных топлив? 6. Какой элементарный состав газообразных моторных топ- лив? 7. Представьте реакции окисления компонентов органичес- ких топлив. 8. Как определяется теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива? 9. Объясните следующие понятия: 99 . коэффициент сжимаемости топлива; . теплота сгорания топлива; . дизельный индекс топлива; . динамическая и кинематическая вязкость топлива. 10. Как оценивается самовоспламеняемость моторных топ- лив? 11. Как оценивается детонационная стойкость топлив? 12. Решите следующие задачи: Задача 1. Определить теоретически необходимое количест- во воздуха в кг и нм3, необходимое для сгорания 1 кг мазута при барометрическом давлении р0 = 750 мм рт. ст., температуре ок- ружающего воздуха t0 = 27.С и относительной влажности . = = 80 %. Состав мазута принять по таблице 2.3. Задача 2. Определить теоретически необходимое количест- во воздуха в м3 и кг для сгорания 1 нм3 газа Шебелинского мес- торождения при барометрическом давлении 750 мм рт. ст., тем- пературе окружающего воздуха t0 = 27 .С и относительной влаж- ности . = 90 %. Состав газа принять по таблице 2.4. Список литературы к главе 2. 1. Кириллин В.А. Энергетика – проблемы и перспективы // Коммунист. – 1975. – №1. – С. 43–51. 2. Раввич М.Б. Эффективность использования топлива. – М.: Наука, 1971. – 344 с. 3. Энергетика мира: Пер. докл. Х Мировой энергетической конференции/ Под общ. ред. К.Л. Лавриненко. – М.: Энергия, 1979. – 208 с. 4. Мировая энергетика: Прогноз развития до 2020 г. / Пер. с англ. докл. комиссии МИРЭК: Под ред. Ю.Н. Старшинова. – М.: Энергия, 1980. – 256 с. 5. Вассоевич Н.Б., Фердман Л.И. Сколько нефти осталось в недрах? // Химия и жизнь. – 1977. – №12. – С. 59–61. 6. Губкин И.М. Учение о нефти. – М.: Недра, 1937. – 459 с. 7. Томашпольский Л.М. Нефть и газ в мировом энергетичес- ком балансе (1900 – 2000 г.г.). – М.: Недра, 1968. – 260 с. 100 8. Наметкин С.С. Химия нефти. – М.: Изд-во АН СССР, 1955.– 799 с. 9. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам и их продуктам сгорания. – М.: Госэнергоиздат, 1962. – 285 с. 10. Бэр Г.Д. Техническая термодинамика. – М.: Мир, 1977. – 518 с. 11. Колупаев В.Я. Взаимосвязь основных физических свойств автотракторных топлив и зависимость их от давления и температуры // Труды ЦНИТА. – Л.: ЦНИТА. – 1965. – Вып.25. – С. 5–19. 12. Ленин И.М. и др. Системы топливоподачи автомобиль- ных и тракторных двигателей. – М.: Машиностроение, 1976. – 287 с. 13. Нефтепродукты. Свойства, качество, применение: Спра- вочник / Под ред. Б.В. Лосикова. – М.: Химия, 1966. – 776 с. 14. Брилинг Н.Р., Вихерт М.М., Гутерман И.И. Быстроход- ные дизели. – М.: Машгиз, 1951. – 520 с. 15. Забрянский Е.И., Зарубин А.П. Детонационная стойкость и воспламеняемость моторных топлив. – М.: Гостоптехиздат, 1956. – 207 с. 101 Глава 3 РАБОЧЕЕ ТЕЛО В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЕГО СВОЙСТВА §1. Основные определения В двигателях внутреннего сгорания химическая энергия топ- лива превращается в тепловую, а затем в механическую в резуль- тате осуществления ряда последовательных процессов рабочего цикла. Рабочим телом при этом является смесь газов, состав, ко- личество и свойства которой в течение цикла претерпевают зна- чительные изменения и зависят от типа двигателя, особенностей осуществления рабочих процессов, вида топлива, режима работы и других факторов. В двигателях внутреннего сгорания с качественным регули- рованием мощности на такте впуска в цилиндре находится смесь воздуха и продуктов сгорания, оставшихся от предыдущего цик- ла (остаточные газы). Количество воздуха в цилиндре в процессе такта впуска возрастает, масса остаточных газов сохраняется практически неизменной. Отношение массы остаточных газов в цилиндре М. к массе воздуха (свежего заряда) Мсв.зар, поступив- шего в цилиндр к концу такта впуска, называется коэффициен- том остаточных газов: Мсв.зар М. . . . (3.1) На такте сжатия масса и состав смеси газов в цилиндре дви- гателя практически постоянны (в технически исправном двигате- ле утечки газа через поршневые кольца незначительны). При из- менении цикловой подачи (нагрузки), скоростного режима (час- тоты вращения коленчатого вала) состав смеси и масса смеси га- зов в цилиндре несколько изменяются вследствие изменения ус- ловий массообмена на тактах выпуска и впуска. На участке процесса сгорания состав и количество молей рабочего тела вследствие реакций окисления углеводородов за- метно изменяются. Состав рабочего тела после окончания реак- 102 ций окисления (продуктов сгорания) зависит от соотношения ко- личества воздуха, поступившего в цилиндр, количества топлива, поданного в цилиндр, и полноты реакций окисления. Соотноше- ние между количеством воздуха, поступившего в цилиндр, и ко- личеством поданного топлива обычно характеризуется массой воздуха, приходящейся на 1 кг топлива или коэффициентом из- бытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха – отношение действительной массы воздуха, поступившего в цилиндр, к массе воздуха, которая теоретически необходима для полного сгорания топлива, поданного в цилиндр: 0 ц св.зар М В М . . , (3.2) где Вц – цикловая подача топлива, кг/цикл. Коэффициент избытка воздуха в двигателях с качественным регулированием мощности в зависимости от нагрузки изменя- ется в пределах 1,2–6, соответственно изменяются состав и объем продуктов сгорания. Отличие объема продуктов сгорания от объема свежего заряда обусловлено химическими реакциями окисление горючих компонентов топлива (С, Н). Это отличие характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения св.зар пр.сг 0 VV . . , (3.3) где Vпр.сг, Vсв.зар – объем, соответственно, продуктов сгорания и свежего заряда, нм3 (кмоль). Так как в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, кроме свежего заряда, находятся остаточные газы, действительный ко- эффициент молекулярного изменения, характеризующий измене- ние объема рабочего тела, . .. . . . . . . . . . 10 св.зар пр.сг V VV V , (3.4) где V. – объем продуктов сгорания, нм3 (кмоль). На такте выпуска состав рабочего тела практически не из- меняется, количество уменьшается. Чем совершеннее организа- 103 ция процесса выпуска, тем меньше остаточных газов в цилиндре к концу такта выпуска. В двигателях внутреннего сгорания с внешним смесеобразо- ванием на такте впуска в цилиндр поступают воздух, пары жид- кого топлива и неиспарившиеся капли жидкого топлива, испаре- ние которых завершается в цилиндре. К концу такта впуска рабо- чее тело представляет собой смесь воздуха, паров жидкого топ- лива и остаточных газов. Количество топливовоздушной смеси к концу такта впуска зависит от значения внешней нагрузки. Чем больше внешняя нагрузка, тем большее количество топливовоз- душной смеси должно быть подано в цилиндр. Соотношение ко- личества топлива и воздуха в топливовоздушной смеси в цилинд- ре характеризуется массой воздуха, приходящейся на 1 кг топли- ва, или коэффициентом избытка воздуха, пределы изменения ко- торого определяются пределами воспламенения топливовоздуш- ной смеси от свечи зажигания (0,4–1,3). Обычно в двигателях внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием коэффици- ент избытка воздуха в зависимости от режима работы изменяется в пределах 0,7–1,3. На такте сжатия, при неизменной внешней нагрузке масса смеси газов в цилиндре от цикла к циклу практически не изменя- ется, если не учитывать возможную поцикловую нестабильность процесса впуска, обусловленную газодинамическими явлениями во впускной системе. К концу такта сжатия вследствие повыше- ния температуры смеси газов в цилиндре начинаются процессы распада углеводородов, образование свободных радикалов, на- чальные стадии реакций окисления. На участке процесса сгора- ния происходит изменение состава и объема рабочего тела, обу- словленное реакциями окисления. Это изменение характеризует- ся химическим коэффициентом молекулярного изменения. В от- личие от двигателей с внутренним смесеобразованием и воспла- менением от сжатия, в двигателях с внешним смесеобразованием коэффициент избытка воздуха на многих рабочих режимах меньше единицы, поэтому в продуктах сгорания содержатся и неполные продукты окисления, углеводороды (осколки молекул углеводородов топлива). На участке такта выпуска состав рабочего тела практически не изменяется. 104 §2. Состав и основные характеристики свежего заряда В двигателях с внешним смесеобразованием с изменением скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя состав рабочего тела изменяется незначительно. Вследствие испарения топлива температура смеси понижается, что увеличивает величи- ну свежего заряда цилиндра. Количество топливовоздушной сме- си, поступающей в цилиндр, зависит от внешней нагрузки двига- теля. Поэтому количество смеси к концу такта впуска и на такте сжатия будет также зависеть от режима работы двигателя. Важными характеристиками топливовоздушных смесей яв- ляются пределы воспламеняемости и теплота сгорания. Пределы воспламеняемости топливовоздушных смесей характеризуются объемной долей в процентах паров топлива или горючего газа в смеси, или значениями коэффициента избытка воздуха, при кото- рых возможно обеспечить воспламенение топливовоздушной смеси. Пределы воспламеняемости зависят от свойств топлива, температуры и состава топливовоздушной смеси (табл. 3.1). Соотношение между значениями коэффициента избытка воздуха и объемным содержанием горючего газа или паров топ- лива в смеси: т т 0в т т 0 в (1 ) r Мr М М М . . . . . . , (3.5) где Мв, Мт, .в, .т – соответственно, масса воздуха и топлива в смеси, молярная масса воздуха и топлива; rт – объемная доля па- ров топлива или газа в смеси. Пределы воспламенения смеси водорода и воздуха наиболее широкие, что позволяет использовать качественное регулирова- ние мощности двигателя и при внешнем смесеобразовании. Пре- делы воспламеняемости других газовоздушных смесей значи- тельно уже. При концентрации газов в смеси с воздухом, близкой к нижнему пределу воспламенения, образуются смеси, процесс сгорания которых происходит с большими скоростями распрост- ранения фронта пламени и носит характер взрыва. Это также ог- раничивает возможные пределы изменения состава смеси при ис- пользовании в качестве моторного топлива различных газов. 105 Таблица 3.1 – Пределы воспламеняемости горючих смесей Топливо Объемная доля горючего газа (пара) в % по объему Значение коэффициента избытка воздуха Верхний предел Нижний предел Верхний предел Нижний предел Водород 65–75* 4,0–9,5* 3,5–10* 0,14–0,22* Метан 11,9– 15,4 4,9–5,3 1,5–2,0 0,6–0,8 Этан 12,5 3,1 1,9 0,4 Пропан 9,6 2,4 1,7 0,4 Бутан 8,4 1,9 1,65 0,35 Бензин при tсм, .С: 0 4,5 1,5 1,15 0,38 100 4,75 1,44 1,21 0,35 200 5,05 1,34 1,28 0,33 300 5,35 1,22 1,43 0,31 Этиловый спирт 13,7 4,0 1,4 0,4 *Концентрационные пределы воспламенения газовоздушных или паровоздуш- ных смесей при 20.С и давлении 0,1 МПа На пределы воспламеняемости смеси паров бензина и воз- духа в двигателе оказывают заметное влияние также остаточные газы. С увеличением количества остаточных газов (при уменьше- нии нагрузки и прикрытии дроссельной заслонки) пределы вос- пламенения (по .) сужаются от 0,4–1,4 до 0,6–1,1. Теплота сгорания топливовоздушной смеси зависит от сос- тава смеси, а при стехиометрическом составе (. = 1) – от вида топлива (табл. 3.2). Для жидкого топлива при нормальных усло- виях . 0 т . н см 22,4 . . .1 . . МQ Q , (3.6) для газообразных топлив 0 1 н см . . . VQ Q . (3.7) 106 Таблица 3.2 – Теплота сгорания горючих смесей стехиометрического состава Топливо Qсм, кДж/нм3 Топливо Qсм, кДж/нм3 Бензин 3790 Метиловый спирт 3760 Керосин 3750 Водород 3190 Дизельное топливо 3755 Метан 3410 Этиловый спирт 3590 Теплота сгорания газовых горючих смесей ниже, чем горю- чих смесей жидких топлив. Поэтому при переводе двигателя на газ его мощность будет уменьшаться. §3. Состав продуктов сгорания при полном сгорании топлива Полное окисление горючих элементов топлива возможно при значениях коэффициента избытка воздуха . . 1. При значе- ниях коэффициента избытка воздуха, близких к 1, осуществить полное сгорание топлива, особенно в двигателях с внутренним смесеобразованием, сложно. Поэтому стремятся для большинства эксплуатационных режимов в двигателях с внешним смесеобра- зованием обеспечить значение коэффициента избытка воздуха . . 1. Состав продуктов сгорания жидкого топлива может быть определен по конечным реакциям окисления горючих состав- ляющих топлива, если известны элементарный состав топлива и коэффициент избытка воздуха: 44 кг (1 кмоль) 2 2 12 кг С . О . СО ; 36 кг (2 кмоля) 2 2 4 кг2Н2.О . 2Н О . Из приведенных реакций окисления углерода и водорода объем двуокиси углерода, приходящийся на 1 кг углерода, со- ставляет 1/12 кмоля; объем паров воды, приходящийся на 1 кг водорода, составляет 1/2 кмоля. В продуктах сгорания на 1 кг 107 топлива двуокиси углерода и паров воды с учетом паров воды, поступивших в двигатель с воздухом, приходится: С 12 1 СО2 . . М ... ... кг топлива кмоль СО2 ; (3.8) Н2О 0 Н2О Н 2М. . 1 . .М. r ... ... кг топлива кмоль Н2О . (3.9) В продуктах сгорания будут содержаться также остаток кислорода (. . 1) и азот: . . МО2 1 М0 rО2 . . . . . ... ...кг топлива кмоль О2 ; (3.10) МN2 М0 rN2 . . . . ... ...кг топлива кмоль N2 . (3.11) Сложив правые части уравнений (3.8)–(3.11), найдем коли- чество продуктов сгорания 1 кг жидкого топлива при полном сгорании горючих составляющих в киломолях: пр.сг Н 0 0 О2 2С 1 12 М. . 1 . . . М. .М. r ... ... кг топлива кмоль пр.сг (3.12) или в кубических метрах при нормальных условиях: пр.сг пр.сг 4 , 22 М V . . .. . .. .кг топлива нм3 пр.сг . (3.13) Тогда химический коэффициент молекулярного изменения для жидкого топлива при полном сгорании горючих компонентов топлива (. . 1) св.зар пр.сг 0 ММ.. . . (3.14) или с учетом зависимости (2.8) 0 т т 0 1 1 Н 4 О 32 1 . . . . . . . . . . М . (3.15) Для двигателей с внутренним смесеобразованием, если оп- ределять химический коэффициент молекулярного изменения по 108 отношению к объему воздушного заряда до момента начала по- дачи в цилиндр топлива, 0 0 1 Н 4 О 32 . М. . . . . . (3.16) Состав продуктов сгорания газообразного топлива также определяется по конечным реакциям окисления горючих состав- ляющих топлива, коэффициенту избытка воздуха и элементарно- му составу топлива: 2нм (кмоль) 2 2 2нм (кмоль) 2 3 3 2Н .О . 2Н О ; 2нм (кмоль) 2 2 2 3( ) 32СО .О . 2СО нм кмоль ; 2нм (кмоль) 2 1нм (кмоль) 2 2 1нм (кмоль) 4 3 3 3 СН . 2О . СО . 2Н О ; . . . 2. нм (кмоль) 2 нм (кмоль) 2 2 1нм3(кмоль) 3 3 О CO 2 H O 4 С Н n m n m n m n m . . ... ... . . . Содержащиеся в газообразном топливе негорючие состав- ляющие (СО2, Н2О, N2), избыток кислорода, пары воды и азот воздуха переходят в продукты сгорания без изменения. Объем двуокиси углерода в продуктах сгорания, приходя- щийся на 1нм3 газа: 2 42 CO CO CH4 C CO 2 . . . . . . . nn m nH n V .. . .. . нм газа нм СО 3 2 3 . (3.17) Объем паров воды в продуктах сгорания, приходящийся на 1 нм3 газа, с учетом паров воды, поступивших в двигатель с воз- духом: 2 0 H O 42 Н2O 2 4 2 С H Н О 2 V Н 2CH m V r nn m n . . . . . . . . . .. . .. . нм газа нм H O 3 2 3 . (3.18) Объем избытка кислорода (если . . 1) и объем азота в про- дуктах сгорания, приходящиеся на 1 нм3 газа: 109 . . 2 2 O 0 O 1 r V V . . . .. . .. . нм газа нм O 3 2 3 ; (3.19) 2 2 N 0 N r V V . . .. . .. . нм газа нм N 3 2 3 . (3.20) Суммарный объем продуктов сгорания, приходящийся на 1 нм3 газа при полном сгорании горючих составляющих: 2 2 2 2 O N O H CO пр.сг V V V V V . . . . .. . .. . нм газа нм пр.сг 3 3 . (3.21) Изменение объема продуктов сгорания по сравнению с на- чальным объемом смеси газа, сухого воздуха и паров воды в воз- духе: . . 0 пр.сг. 1 V V V . . . . . .. . .. . нм газа нм 3 3 (3.22) или с учетом зависимостей (2.17), (2.18), (3.17) – (3.21): .H CO. 21 C H 1 4 2 42 . . ... ... . . . . . . m nn n V m .. . .. . нм газа нм 3 3 . (3.23) Действительно, из реакций окисления водорода, оксида уг- лерода следует, что объем конечных продуктов их окисления уменьшается по сравнению с начальным объемом смеси на 0,5 кмоля. При окислении сложных углеводородов объем конеч- ных продуктов сгорания по сравнению с начальным объемом смеси возрастает на (m/4 – 1)CnHm. При окислении метана объем конечных продуктов окисления равен начальному объему смеси. Химический коэффициент молекулярного изменения . . 0 2 св.зар св.зар св.зар пр.сг 0 1 H CO 21 C H 1 1 4 V m V V V VV n m. . . . ... ... . . . . . . . . . (3.24) В зависимости от элементарного состава газа химический коэффициент молекулярного изменения может быть больше и меньше единицы, тогда как в случае жидкого топлива химичес- 110 кий коэффициент молекулярного изменения всегда больше еди- ницы. В двигателях с внеш- ним смесеобразованием при полном сгорании горючих компонентов топлива (. = = 1,0–1,2; топливо – бензин) химический коэффициент молекулярного изменения находится в пределах 1,040– 1,055. В двигателях с внут- ренним смесеобразованием и качественным регулирова- нием мощности (дизели) в зависимости от нагрузочно- го режима работы (. = 1,2– 6,0) химический коэффици- ент молекулярного измене- ния колеблется в пределах 1,012–1,055 (рис. 3.1). Объемные доли компо- нентов продуктов сгорания находят как частные от де- ления объема соответст- вующего компонента на суммарный объем продуктов сгорания. Объемные доли обозначают строчной буквой r с соответствующим индек- сом: например, объемная доля оксида и двооксида углерода в продуктах сгорания – rСО и rСО2, азота – rN2. В двигателях с внешним смесеобразованием при полном сгорании топлива объемные доли компонентов продуктов сгора- ния изменяются незначительно вследствие ограничения по верх- нему пределу воспламеняемости топливовоздушной смеси (. . . 1,3). В двигателях с внутренним смесеобразованием и качест- венным регулированием мощности коэффициент избытка возду- Рисунок 3.1 – Изменение состава продуктов сгорания жидкого топлива в зависимости от коэффициента избытка воздуха (элементарный состав топлива, %: С = 87; Н = 13; относительная влажность воздуха – 80 %; температура воздуха – 20.С; барометрическое давление – 750 мм рт.ст.) .0 .0 rCO2, % rCO2 rН2O, % rН2O rN2 rN2, % rO2, % rO2 0 1 2 3 4 5 . 8 16 5 9 6 2 71 75 1,02 1,04 111 ха с уменьшением нагрузки возрастает до 6. При этом состав продуктов сгорания также изменяется в широких пределах (рис. 3.1). §4. Состав продуктов сгорания при неполном сгорании топлива Неполное сгорание горючих компонентов топлива может иметь место и при избытке воздуха (. . 1), вследствие несовер- шенства процессов смесеобразования и сгорания. Неполнота сго- рания особенно резко возрастает при значениях коэффициента избытка воздуха меньших единицы, характерных для двигателей с внешним смесеобразованием. В этом случае в продуктах сгора- ния содержится свободный водород, оксид углерода, углеводоро- ды. Содержание водорода и углеводородов в продуктах сгорания незначительно и их влиянием на объем и состав продуктов сгора- ния можно пренебречь. Свободный углерод образуется в продук- тах сгорания дизелей при несовершенстве процессов смесеобра- зования и сгорания. Состав продуктов сгорания жидкого топлива в двигателях с внешним смесеобразованием определяется по реакциям окисле- ния горючих компонентов топлива, если известны элементарный состав топлива, коэффициент избытка воздуха, доля углерода то- плива, ушедшая на образование оксида углерода: 1 кмоль 2 2 12 кг С .О . СО ; 2 кмоля 2 2 4 кг2Н2. О . 2Н О; 2 кмоля 2 24 кг 2C. О . 2CО . Объем составляющих продуктов сгорания: .1- .С 12 1 МСО2 . х . ... ... кг топлива кмоль СО2 ; (3.25) С 12 1 СО х М . . ... ...кг топлива кмоль СО ; (3.26) 112 Н2О 0 Н2О Н 2М. . 1 . .М. r ... ... кг топлива кмоль Н2О ; (3.27) МN2 М0 rN2 . . . . ... ...кг топлива кмоль N2 , (3.28) где х – доля углерода, ушедшая на образование оксида углерода. Суммарный объем продуктов сгорания: . . пр.сг 0 N2 Н2О Н 2С 1 12 М. . 1 . . . М. r . r ... ... кг топлива кмоль пр.сг , (3.29) или пр.сг. пр.сг 4 , 22 М V . . .. . .. .кг топлива нм3 пр.сг. . (3.30) Преобразуем зависимость (3.29) следующим образом. На основании (2.8) 32 О 4 Н 12 С 0 О2 . . . М. r , откуда 32 O 4 H 12 С 0 O2 . . . М. r . (3.31) Тогда объем продуктов сгорания с учетом (3.31) и соотно- шения . . . . М0 rN2 rН2О М0 1. rО2 . . . . . . . . пр.сг 0 1 0 О2 32 О 4 М. . . М. . Н . . .. М. r . (3.32) Химический коэффициент молекулярного изменения . . 0 т 0 0 O 0 т пр.сг 0 1 Н 4 О 32 1 1 2 . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . М М М r ММ . (3.33) Доля углерода, ушедшая на образование оксида углерода, может быть определена из уравнения баланса кислорода в топли- вовоздушной смеси и в продуктах сгорания: . . 32 0 O2 О 4 С Н 24 1 С 1 12 1 . х . х . . .. М. r . (3.34) 113 Из уравнения (3.34) С 24С 12 Н 4 О 32 М0 rO2 х . . .. . . или с учетом зависимости (3.31) . . С 24 1 М0 rО2 х .. . . . (3.35) Предельному случаю (х = 1), когда в продуктах сгорания образуется только оксид углерода СО, соответствует значение коэффициента избытка воздуха для бензина среднего элемен- тарного состава (С = 0,855; Н = 0,140; О = 0,005), примерно рав- ное 0,7. В действительности при значениях коэффициента избыт- ка воздуха, меньших единицы, в продуктах сгорания резко воз- растает содержание углеводородов и значение коэффициента из- бытка воздуха, соответствующее условию образования в продук- тах сгорания только СО, будет уменьшаться до 0,5–0,6. §5. Токсичность отработавших газов Токсичность отработавших газов двигателей внутреннего сгорания обусловлена содержащимися в них токсичными и кан- церогенными веществами: оксидом углерода СО, углеводорода- ми СnHm, оксидами азота NOx, соединениями свинца, полицикли- ческими углеводородами, альдегидами, твердыми частицами и др. Твердые частицы содержат сажу, продукты износа деталей, оксиды металлов, сульфаты, углеводороды топлива и масла. Час- тицы сажи абсорбируют на поверхности канцерогенные соедине- ния. На организм человека оказывает значительное воздействие так же запах отработавших газов. Источником загрязнения атмосферы являются не только от- работавшие газы, но и пары топлива, картерные газы. Основная доля выбросов токсичных веществ в атмосферу промышленных центров от суммарных выбросов приходится на отработавшие га- зы двигателей автомобилей. Значительная часть свинца (до 70 %), содержащаяся в анти- детонационных присадках бензина, выбрасывается в атмосферу с 114 отработавшими газами в виде различных соединений и до 40 % этого количества остается в атмосфере во взвешенном состоянии. С пищей и водой эти соединения попадают в организм человека. В отличие от других токсичных веществ соединения свинца пол- ностью не выводятся из организма и, накапливаясь, могут выз- вать его заболевание. Поэтому производство этилированных бен- зинов постепенно сокращается. Ведутся интенсивные разработки антидетонационных присадок, не содержащих свинца. Оксид углерода, содержащийся в отработавших газах, осо- бенно опасен тем, что не имеет запаха, отравление им может произойти совершенно незаметно. Попадая в организм человека, оксид углерода соединяется с гемоглобином красных кровяных шариков, образуя карбоксигемоглобин. Кровь теряет способность переносить кислород, и при высокой концентрации карбоксиге- моглобина в организме наступает кислородное голодание, преж- де всего клеток головного мозга. При легкой степени отравления корбоксигемоглобин постепенно разрушается, оксид углерода выводится из организма, гемоглобин восстанавливает свою спо- собность переносить кислород. Оксиды азота, содержащиеся в продуктах сгорания, вызы- вают раздражение дыхательных путей, а при больших концен- трациях – отравление. Наряду с другими компонентами отрабо- тавших газов они обусловливают также возникновение фотохи- мического смога в крупных промышленных центрах со слабой циркуляцией воздуха. Вместе с токсичными веществами при сгорании образуются полициклические канцерогенные соединения углеводородов, выбрасываемые затем с отработавшими газами в атмосферу. К таким соединениям относятся, прежде всего, бензапирен, обла- дающий высокой канцерогенной активностью. При нанесении на кожу животного раствора канцерогенных углеводородов (пирена, бензопирена, антрацена) 2 раза в неделю в течении нескольких недель через значительный промежуток времени (год и больше) на месте нанесения раствора возникает злокачественная опухоль. Увеличение заболеваний верхних дыхательных путей и он- кологических заболеваний в последние десятилетия обусловлено повышением загрязнения воздушного бассейна. В подавляющем большинстве крупных промышленных центров мира концентра- 115 ция токсичных веществ в воздухе значительно превышает допус- тимые нормы. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе зависят от степени их токсичности (табл. 3.3). Таблица 3.3 – Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов Вещество Предельно допустимые концентрации, мг/м3 Максимальная разовая Среднесуточная Диоксид азота 0,085 0,085 Бензол 1,5 0,8 Бензин нефтяной 5 1,5 Бензин сланцевый 0,05 0,05 Бутан 200 – Метанол 1 0,5 Сернистый ангидрид 0,5 0,05 Окись углерода 3 1 Формальдегид 0,035 0,012 Свинец и его соедине- ния (кроме тетраэтил- свинца) – 0,0007 Бензпирен – 0,00015* * Предельно допустимая концентрация в рабочей зоне В течение последнего десятилетия снижение токсичности отработавших газов превратилось в одну из важнейших проблем в области двигателей внутреннего сгорания [1–3]. Во многих странах мира введены нормы на выбросы токсичных веществ с отработавшими газами, принимаются меры для разработки дви- гателей внутреннего сгорания с пониженным уровнем токсич- ности отработавших газов, различных устройств для снижения их токсичности (термических реакторов, каталитических конверто- ров, керамических фильтров). Нормы на выбросы токсичных ве- ществ с отработавшими газами из года в год все более ужесточа- 116 ются, что в значительной степени предопределяет направление развития двигателестроения (табл. 3.4). Таблица 3.4 – Нормы выбросов токсичных веществ с Отработавшими газами двигателей легковых автомобилей Страна Год введе- ния Испытательный цикл Нормы выбросов, г/км СО СnHm NOx Твер- дые части- цы Запад- ная Европа 1975 Правила №15 ЕЭК ООН 24,7–54,4 1,98–3,16 – – 1993 Правила ЕЭК ООН R83-02В (Евро-1) 2,72 0,97* – 0,14** 1996 Правила ЕЭК ООН R83-03В (Евро-2) 2,2 0,5* – 0,08** 2000 Правила ЕЭК ООН R83 (Евро-3) 2,3 0,2 0,15 – 0,64** – 0,5** 0,05** США 1972 Национальный стандарт (CNS-CH) 24,3 2,1 1,8 – 1976 2,1 0,25 0,62 – 1994 2,1 0,15 0,25 0,05** 2000 1,1 0,05 0,125 0,025** Япония 1973 Национальный стандарт (CNS-CH) 26,0 3,8 3 – 1975 2,1 0,25 0,62 – СССР 1980 Правила №15 ЕЭК ООН ОСТ 37.001.054-86 24,7–54,4 1,98–3,16 – – 1990 13,3 4,94* – – * Суммарные выбросы СnHm и NOx; ** Для дизелей Токсичность отработавших газов двигателей внутреннего сгорания оценивается выбросами токсичных веществ в граммах на единицу пути (км, милю), в граммах на единицу работы 117 (г/(кВт.ч)), в процентах от объема продуктов сгорания или частях по объему на миллион (104 млн–1 = 1 %). Приближенная оценка показателей токсичности отработав- ших газов может быть выполнена с помощью очевидных зависи- мостей: в г/км: 3 gCO . rCO э gт э .э М0. ..СО 10 ; (3.36) 3 gCН . rCН э gт э .э М0. ..СН 10 ; (3.37) 3 gNO . rNO э gт э .э М0. ..NО 10 ; (3.38) или в г/(кВт.ч): т э н е э CO CO 3600 . . . g Q g g ; (3.39) т э н е э CН CН 3600 . . . g Q g g ; (3.40) т э н е э NO NO 3600 . . . g Qg g , (3.41) где rСО э, rСН э, rNО э – объемные доли токсичных веществ в про- дуктах сгорания на режимах, соответствующих среднеэксплуа- тационной нагрузке; gт э – среднеэксплуатационный расход топ- лива, кг/км; .э – среднеэксплуатационное значение коэффици- ента избытка воздуха; .СО, .СН, .NО – молярная масса (кг/кмоль), соответственно, оксида углерода, углеводородов (.СН . 0,5..т); диоксида азота; .еэ – среднеэксплуатационный эффективный КПД двигателя. Среднеэксплуатационные значения параметров и показате- лей работы двигателя можно определить, если известны их зна- чения на эксплуатационных режимах работы и продолжитель- ность работы двигателя на этих режимах: . ... .. . . . . . i n i i i n i э i i 1 1 ; (3.42) . ... .. . . . . . i n i i i n i э i i 1 1 е е , (3.43) 118 где .i, .еi – соответственно коэффициент избытка воздуха и эффективный КПД двигателя на определенном эксплуатацион- ном режиме работы; .i – продолжительность работы двигателя на определенном эксплуатационном режиме. Косвенная оценка содержания твердых частиц в отработав- ших газах может быть выполнена по их дымности (интенсивнос- ти поглощения отработавшими газами света), количественная – улавливанием твердых частиц специальным фильтром, через ко- торый пропускают часть потока отработавших газов. Выбросы токсичных веществ с отработавшими газами зави- сят от способа организации рабочих процессов, режима рабо- ты двигателя (табл. 3.5) [4]. Таблица 3.5 – Содержание токсичных веществ в отработав- ших газах карбюраторного двигателя и дизеля на эксплуатаци- онных режимах работы без дополнительных устройств нейтрали- зации токсичных веществ Токсичные вещества в отработавших газах Тип двигателя Режимы работы двигателя Холос- той ход Разгон Основ- ные режимы эксплуа- тации Замед- ление СО, % Карбюраторный 9,9 2,9 2,7 3,9 дизель Следы 0,1 Следы Следы CnHm, % Карбюраторный 0,53 0,16 0,1 1,0 дизель 0,04 0,02 0,01 0,03 NOх, млн–1 Карбюраторный 30 1020 650 20 дизель 60 850 240 30 Альдегиды, млн–1 Карбюраторный 30 20 10 290 дизель 10 20 10 30 По выбросам оксида углерода и углеводородов с отрабо- тавшими газами дизель существенно превосходит карбюратор- ный двигатель на всех режимах работы. Выше также эксплуата- ционная экономичность дизеля. Однако о полной замене двигате- лей с искровым зажиганием дизелями не приходится говорить в 119 силу ряда факторов. Во-первых, выход дизельного топлива при переработке нефти в несколько раз меньше выхода бензина. Во- вторых, приведенный уровень токсичности отработавших газов дизелей не ниже уровня токсичности отработавших газов двига- телей с внешним смесеобразованием и системой нейтрализации отработавших газов. В-третьих, себестоимость производства ди- зелей намного выше производства карбюраторных двигателей. В-четвёртых, в дизелях выше уровень шума, отработавшие газы обладают неприятным запахом, силовая установка с дизелем тя- желее силовой установки с двигателем с искровым зажиганием. В настоящее время имеются двигатели с искровым зажига- нием, высоким уровнем организации рабочих процессов и эффек- тивными устройствами снижения токсичности отработавших га- зов. К тому же к дизелям предъявляются все более жесткие тре- бования в отношении выбросов с отработавшими газами оксидов азота, твердых частиц, содержащих канцерогенные вещества. Выполнение этих норм – одна из сложных актуальных проблем. При оценке токсичности отработавших газов в граммах на единицу пути используют ездовые испытательные циклы, соот- ветствующие реальным условиям транспортного движения в крупных городах различных стран. Автомобили испытывают по ездовым циклам на специальных стендах с тормозными бараба- нами с регистрацией как суммарных выбросов токсичных ве- ществ с отработавшими газами за цикл, так и выбросов токсич- ных веществ с отработавшими газами на отдельных режимах. За- тем определяют среднюю концентрацию токсичных веществ в отработавших газах на отдельных режимах работы, за цикл и вы- бросы токсичных веществ с отработавшими газами, приходящие- ся на единицу пути. Токсичность отработавших газов двигателей других типов (тракторных, стационарных и т.д.) оценивается обычно в г/(кВт.ч) по суммарным выбросам за испытательный цикл. Испы- тательные циклы соответствуют реальным эксплуатационным режимам работы двигателя. Из существующих норм на выбросы токсичных веществ с отработавшими газами наиболее жесткими являются нормы США (табл. 3.4). Выполнение этих норм в двигателях с внешним 120 смесеобразованием возможно только при высоком уровне довод- ки рабочих процессов, применении электронной системы распре- деленного впрыска и управления рабочими процессами, рецирку- ляции отработавших газов, термических реакторов, каталити- ческих конверторов. Без дополнительных устройств снижения токсичности выполнить эти нормы только за счет организации рабочих процессов возможно при заметном снижении экономич- ности (двигатель с форкамерно-факельным зажиганием). Приме- нение непосредственного впрыска, глубокого расслоения топли- вовоздушной смеси позволяет приблизиться по выбросам ток- сичных веществ с отработавшими газами без сложных систем нейтрализации к перспективным нормам. Дизель без дополни- тельных устройств не укладывается в нормы Евро-2 по выбросам оксидов азота (табл. 3.6). Таблица 3.6 – Выбросы токсичных веществ с отработавшими газами Тип двигателя Выбросы токсичных веществ с отработавшими газами в г на 1 км пути СО СnНm NОх Поршневой форкамерный без средств снижения токсичности [5] 1,22 0,113 0,497 Поршневой с электронной системой впрыска и управления, рециркуляци- ей отработавших газов и каталити- ческим конвертором [5] 0,266 0,175 0,194 Двухтактный с непосредственным впрыском фирмы Орбитал Энджин [6] 0,298 0,192 0,497 Дизель без дополнительных уст- ройств для снижения токсичности отработавших газов [7] 1,67 0,28 1,20
Таблица 2.7 – Основные показатели автомобильных бензинов (ДСТУ 4063-2001) Показатель А-80 А-92 А-95 Октановое число, определенное по методу: моторному 76 82,5 85 исследовательскому 80 92 95 Содержание свинца, г/дм3 0,013 0,013 0,013 Температура начала перегонки, .С (не ниже) 30 30 30 10 % +бензина перегоняется при температу- ре, .С (не выше) 75 75 75 50 % бензина перегоняется при температуре, .С (не выше) 120 120 120 90 % бензина перегоняется при температуре, .С (не выше) 190 190 190 Температура конца перегонки, .С (не ниже) 215 215 215 Остаток, % (не более) 1,5 1,5 1,5 Остаток и потери, % (не более) 4 4 4 Плотность при 20 .С, кг/м3 (не более) 760 780 780 Таблица 2.8 – Основные показатели топлив для быстроходных дизелей Показатель ДСТУ 3868-99 Л З Цетановое число (не менее) 45 45 Фракционный состав: 50 % перегоняется при температуре, .С (не выше) 280 280 96 % перегоняется при температуре, .С (не выше) 370 370 Кинематическая вязкость при 20.С, мм2/с 3–6 1,8–6 Температура застывания для климатической зоны, .С (не выше) –10 –25 Массовая доля серы в топливе, % (не более): вида I 0,05 0,05 вида II 0,10 0,10 вида III 0,20 0,20 вида IV 0,50 0,50 Зольность, % (не более) 0,01 0,01 Плотность при 20.С, кг/м3 (не более) 860 840 98 Таблица 2.9 – Основные показатели топлив среднеоборотных и малооборотных дизелей Показатель ГОСТ 1667-68 ДТ ДМ Плотность при 20.С, г/см3 (не более) 0,93 0,97 Фракционный состав: до 250.С перегоняется, % (не более) 15 10 Вязкость кинематическая при 50.С, мм2/с (не более) 36 150 Содержание серы в топливе, % (не более): малосернистом 0,5 – сернистом 1,5 3 Температура застывания, .С (не более) –5 +10 Зольность, % (не более) 0,04 0,15 В малооборотных дизелях все шире начинает использовать- ся мазут, что существенно (до 40 %) снижает эксплуатационные расходы на топливо. Применение мазута в качестве топлива для дизелей требует установки в системе питания ряда дополнитель- ных устройств для сепарирования, фильтрации и подогрева. Контрольные вопросы и задания 1. Какие современные оценки мировых ресурсов органичес- кого топлива? 2. Какие современные оценки сырьевых ресурсов моторных топлив? 3. Какой состав нефти и нефтепродуктов? 4. Как получают моторные топлива? 5. Какой элементарный состав жидких моторных топлив? 6. Какой элементарный состав газообразных моторных топ- лив? 7. Представьте реакции окисления компонентов органичес- ких топлив. 8. Как определяется теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива? 9. Объясните следующие понятия: 99 . коэффициент сжимаемости топлива; . теплота сгорания топлива; . дизельный индекс топлива; . динамическая и кинематическая вязкость топлива. 10. Как оценивается самовоспламеняемость моторных топ- лив? 11. Как оценивается детонационная стойкость топлив? 12. Решите следующие задачи: Задача 1. Определить теоретически необходимое количест- во воздуха в кг и нм3, необходимое для сгорания 1 кг мазута при барометрическом давлении р0 = 750 мм рт. ст., температуре ок- ружающего воздуха t0 = 27.С и относительной влажности . = = 80 %. Состав мазута принять по таблице 2.3. Задача 2. Определить теоретически необходимое количест- во воздуха в м3 и кг для сгорания 1 нм3 газа Шебелинского мес- торождения при барометрическом давлении 750 мм рт. ст., тем- пературе окружающего воздуха t0 = 27 .С и относительной влаж- ности . = 90 %. Состав газа принять по таблице 2.4. Список литературы к главе 2. 1. Кириллин В.А. Энергетика – проблемы и перспективы // Коммунист. – 1975. – №1. – С. 43–51. 2. Раввич М.Б. Эффективность использования топлива. – М.: Наука, 1971. – 344 с. 3. Энергетика мира: Пер. докл. Х Мировой энергетической конференции/ Под общ. ред. К.Л. Лавриненко. – М.: Энергия, 1979. – 208 с. 4. Мировая энергетика: Прогноз развития до 2020 г. / Пер. с англ. докл. комиссии МИРЭК: Под ред. Ю.Н. Старшинова. – М.: Энергия, 1980. – 256 с. 5. Вассоевич Н.Б., Фердман Л.И. Сколько нефти осталось в недрах? // Химия и жизнь. – 1977. – №12. – С. 59–61. 6. Губкин И.М. Учение о нефти. – М.: Недра, 1937. – 459 с. 7. Томашпольский Л.М. Нефть и газ в мировом энергетичес- ком балансе (1900 – 2000 г.г.). – М.: Недра, 1968. – 260 с. 100 8. Наметкин С.С. Химия нефти. – М.: Изд-во АН СССР, 1955.– 799 с. 9. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам и их продуктам сгорания. – М.: Госэнергоиздат, 1962. – 285 с. 10. Бэр Г.Д. Техническая термодинамика. – М.: Мир, 1977. – 518 с. 11. Колупаев В.Я. Взаимосвязь основных физических свойств автотракторных топлив и зависимость их от давления и температуры // Труды ЦНИТА. – Л.: ЦНИТА. – 1965. – Вып.25. – С. 5–19. 12. Ленин И.М. и др. Системы топливоподачи автомобиль- ных и тракторных двигателей. – М.: Машиностроение, 1976. – 287 с. 13. Нефтепродукты. Свойства, качество, применение: Спра- вочник / Под ред. Б.В. Лосикова. – М.: Химия, 1966. – 776 с. 14. Брилинг Н.Р., Вихерт М.М., Гутерман И.И. Быстроход- ные дизели. – М.: Машгиз, 1951. – 520 с. 15. Забрянский Е.И., Зарубин А.П. Детонационная стойкость и воспламеняемость моторных топлив. – М.: Гостоптехиздат, 1956. – 207 с. 101 Глава 3 РАБОЧЕЕ ТЕЛО В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЕГО СВОЙСТВА §1. Основные определения В двигателях внутреннего сгорания химическая энергия топ- лива превращается в тепловую, а затем в механическую в резуль- тате осуществления ряда последовательных процессов рабочего цикла. Рабочим телом при этом является смесь газов, состав, ко- личество и свойства которой в течение цикла претерпевают зна- чительные изменения и зависят от типа двигателя, особенностей осуществления рабочих процессов, вида топлива, режима работы и других факторов. В двигателях внутреннего сгорания с качественным регули- рованием мощности на такте впуска в цилиндре находится смесь воздуха и продуктов сгорания, оставшихся от предыдущего цик- ла (остаточные газы). Количество воздуха в цилиндре в процессе такта впуска возрастает, масса остаточных газов сохраняется практически неизменной. Отношение массы остаточных газов в цилиндре М. к массе воздуха (свежего заряда) Мсв.зар, поступив- шего в цилиндр к концу такта впуска, называется коэффициен- том остаточных газов: Мсв.зар М. . . . (3.1) На такте сжатия масса и состав смеси газов в цилиндре дви- гателя практически постоянны (в технически исправном двигате- ле утечки газа через поршневые кольца незначительны). При из- менении цикловой подачи (нагрузки), скоростного режима (час- тоты вращения коленчатого вала) состав смеси и масса смеси га- зов в цилиндре несколько изменяются вследствие изменения ус- ловий массообмена на тактах выпуска и впуска. На участке процесса сгорания состав и количество молей рабочего тела вследствие реакций окисления углеводородов за- метно изменяются. Состав рабочего тела после окончания реак- 102 ций окисления (продуктов сгорания) зависит от соотношения ко- личества воздуха, поступившего в цилиндр, количества топлива, поданного в цилиндр, и полноты реакций окисления. Соотноше- ние между количеством воздуха, поступившего в цилиндр, и ко- личеством поданного топлива обычно характеризуется массой воздуха, приходящейся на 1 кг топлива или коэффициентом из- бытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха – отношение действительной массы воздуха, поступившего в цилиндр, к массе воздуха, которая теоретически необходима для полного сгорания топлива, поданного в цилиндр: 0 ц св.зар М В М . . , (3.2) где Вц – цикловая подача топлива, кг/цикл. Коэффициент избытка воздуха в двигателях с качественным регулированием мощности в зависимости от нагрузки изменя- ется в пределах 1,2–6, соответственно изменяются состав и объем продуктов сгорания. Отличие объема продуктов сгорания от объема свежего заряда обусловлено химическими реакциями окисление горючих компонентов топлива (С, Н). Это отличие характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения св.зар пр.сг 0 VV . . , (3.3) где Vпр.сг, Vсв.зар – объем, соответственно, продуктов сгорания и свежего заряда, нм3 (кмоль). Так как в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, кроме свежего заряда, находятся остаточные газы, действительный ко- эффициент молекулярного изменения, характеризующий измене- ние объема рабочего тела, . .. . . . . . . . . . 10 св.зар пр.сг V VV V , (3.4) где V. – объем продуктов сгорания, нм3 (кмоль). На такте выпуска состав рабочего тела практически не из- меняется, количество уменьшается. Чем совершеннее организа- 103 ция процесса выпуска, тем меньше остаточных газов в цилиндре к концу такта выпуска. В двигателях внутреннего сгорания с внешним смесеобразо- ванием на такте впуска в цилиндр поступают воздух, пары жид- кого топлива и неиспарившиеся капли жидкого топлива, испаре- ние которых завершается в цилиндре. К концу такта впуска рабо- чее тело представляет собой смесь воздуха, паров жидкого топ- лива и остаточных газов. Количество топливовоздушной смеси к концу такта впуска зависит от значения внешней нагрузки. Чем больше внешняя нагрузка, тем большее количество топливовоз- душной смеси должно быть подано в цилиндр. Соотношение ко- личества топлива и воздуха в топливовоздушной смеси в цилинд- ре характеризуется массой воздуха, приходящейся на 1 кг топли- ва, или коэффициентом избытка воздуха, пределы изменения ко- торого определяются пределами воспламенения топливовоздуш- ной смеси от свечи зажигания (0,4–1,3). Обычно в двигателях внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием коэффици- ент избытка воздуха в зависимости от режима работы изменяется в пределах 0,7–1,3. На такте сжатия, при неизменной внешней нагрузке масса смеси газов в цилиндре от цикла к циклу практически не изменя- ется, если не учитывать возможную поцикловую нестабильность процесса впуска, обусловленную газодинамическими явлениями во впускной системе. К концу такта сжатия вследствие повыше- ния температуры смеси газов в цилиндре начинаются процессы распада углеводородов, образование свободных радикалов, на- чальные стадии реакций окисления. На участке процесса сгора- ния происходит изменение состава и объема рабочего тела, обу- словленное реакциями окисления. Это изменение характеризует- ся химическим коэффициентом молекулярного изменения. В от- личие от двигателей с внутренним смесеобразованием и воспла- менением от сжатия, в двигателях с внешним смесеобразованием коэффициент избытка воздуха на многих рабочих режимах меньше единицы, поэтому в продуктах сгорания содержатся и неполные продукты окисления, углеводороды (осколки молекул углеводородов топлива). На участке такта выпуска состав рабочего тела практически не изменяется. 104 §2. Состав и основные характеристики свежего заряда В двигателях с внешним смесеобразованием с изменением скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя состав рабочего тела изменяется незначительно. Вследствие испарения топлива температура смеси понижается, что увеличивает величи- ну свежего заряда цилиндра. Количество топливовоздушной сме- си, поступающей в цилиндр, зависит от внешней нагрузки двига- теля. Поэтому количество смеси к концу такта впуска и на такте сжатия будет также зависеть от режима работы двигателя. Важными характеристиками топливовоздушных смесей яв- ляются пределы воспламеняемости и теплота сгорания. Пределы воспламеняемости топливовоздушных смесей характеризуются объемной долей в процентах паров топлива или горючего газа в смеси, или значениями коэффициента избытка воздуха, при кото- рых возможно обеспечить воспламенение топливовоздушной смеси. Пределы воспламеняемости зависят от свойств топлива, температуры и состава топливовоздушной смеси (табл. 3.1). Соотношение между значениями коэффициента избытка воздуха и объемным содержанием горючего газа или паров топ- лива в смеси: т т 0в т т 0 в (1 ) r Мr М М М . . . . . . , (3.5) где Мв, Мт, .в, .т – соответственно, масса воздуха и топлива в смеси, молярная масса воздуха и топлива; rт – объемная доля па- ров топлива или газа в смеси. Пределы воспламенения смеси водорода и воздуха наиболее широкие, что позволяет использовать качественное регулирова- ние мощности двигателя и при внешнем смесеобразовании. Пре- делы воспламеняемости других газовоздушных смесей значи- тельно уже. При концентрации газов в смеси с воздухом, близкой к нижнему пределу воспламенения, образуются смеси, процесс сгорания которых происходит с большими скоростями распрост- ранения фронта пламени и носит характер взрыва. Это также ог- раничивает возможные пределы изменения состава смеси при ис- пользовании в качестве моторного топлива различных газов. 105 Таблица 3.1 – Пределы воспламеняемости горючих смесей Топливо Объемная доля горючего газа (пара) в % по объему Значение коэффициента избытка воздуха Верхний предел Нижний предел Верхний предел Нижний предел Водород 65–75* 4,0–9,5* 3,5–10* 0,14–0,22* Метан 11,9– 15,4 4,9–5,3 1,5–2,0 0,6–0,8 Этан 12,5 3,1 1,9 0,4 Пропан 9,6 2,4 1,7 0,4 Бутан 8,4 1,9 1,65 0,35 Бензин при tсм, .С: 0 4,5 1,5 1,15 0,38 100 4,75 1,44 1,21 0,35 200 5,05 1,34 1,28 0,33 300 5,35 1,22 1,43 0,31 Этиловый спирт 13,7 4,0 1,4 0,4 *Концентрационные пределы воспламенения газовоздушных или паровоздуш- ных смесей при 20.С и давлении 0,1 МПа На пределы воспламеняемости смеси паров бензина и воз- духа в двигателе оказывают заметное влияние также остаточные газы. С увеличением количества остаточных газов (при уменьше- нии нагрузки и прикрытии дроссельной заслонки) пределы вос- пламенения (по .) сужаются от 0,4–1,4 до 0,6–1,1. Теплота сгорания топливовоздушной смеси зависит от сос- тава смеси, а при стехиометрическом составе (. = 1) – от вида топлива (табл. 3.2). Для жидкого топлива при нормальных усло- виях . 0 т . н см 22,4 . . .1 . . МQ Q , (3.6) для газообразных топлив 0 1 н см . . . VQ Q . (3.7) 106 Таблица 3.2 – Теплота сгорания горючих смесей стехиометрического состава Топливо Qсм, кДж/нм3 Топливо Qсм, кДж/нм3 Бензин 3790 Метиловый спирт 3760 Керосин 3750 Водород 3190 Дизельное топливо 3755 Метан 3410 Этиловый спирт 3590 Теплота сгорания газовых горючих смесей ниже, чем горю- чих смесей жидких топлив. Поэтому при переводе двигателя на газ его мощность будет уменьшаться. §3. Состав продуктов сгорания при полном сгорании топлива Полное окисление горючих элементов топлива возможно при значениях коэффициента избытка воздуха . . 1. При значе- ниях коэффициента избытка воздуха, близких к 1, осуществить полное сгорание топлива, особенно в двигателях с внутренним смесеобразованием, сложно. Поэтому стремятся для большинства эксплуатационных режимов в двигателях с внешним смесеобра- зованием обеспечить значение коэффициента избытка воздуха . . 1. Состав продуктов сгорания жидкого топлива может быть определен по конечным реакциям окисления горючих состав- ляющих топлива, если известны элементарный состав топлива и коэффициент избытка воздуха: 44 кг (1 кмоль) 2 2 12 кг С . О . СО ; 36 кг (2 кмоля) 2 2 4 кг2Н2.О . 2Н О . Из приведенных реакций окисления углерода и водорода объем двуокиси углерода, приходящийся на 1 кг углерода, со- ставляет 1/12 кмоля; объем паров воды, приходящийся на 1 кг водорода, составляет 1/2 кмоля. В продуктах сгорания на 1 кг 107 топлива двуокиси углерода и паров воды с учетом паров воды, поступивших в двигатель с воздухом, приходится: С 12 1 СО2 . . М ... ... кг топлива кмоль СО2 ; (3.8) Н2О 0 Н2О Н 2М. . 1 . .М. r ... ... кг топлива кмоль Н2О . (3.9) В продуктах сгорания будут содержаться также остаток кислорода (. . 1) и азот: . . МО2 1 М0 rО2 . . . . . ... ...кг топлива кмоль О2 ; (3.10) МN2 М0 rN2 . . . . ... ...кг топлива кмоль N2 . (3.11) Сложив правые части уравнений (3.8)–(3.11), найдем коли- чество продуктов сгорания 1 кг жидкого топлива при полном сгорании горючих составляющих в киломолях: пр.сг Н 0 0 О2 2С 1 12 М. . 1 . . . М. .М. r ... ... кг топлива кмоль пр.сг (3.12) или в кубических метрах при нормальных условиях: пр.сг пр.сг 4 , 22 М V . . .. . .. .кг топлива нм3 пр.сг . (3.13) Тогда химический коэффициент молекулярного изменения для жидкого топлива при полном сгорании горючих компонентов топлива (. . 1) св.зар пр.сг 0 ММ.. . . (3.14) или с учетом зависимости (2.8) 0 т т 0 1 1 Н 4 О 32 1 . . . . . . . . . . М . (3.15) Для двигателей с внутренним смесеобразованием, если оп- ределять химический коэффициент молекулярного изменения по 108 отношению к объему воздушного заряда до момента начала по- дачи в цилиндр топлива, 0 0 1 Н 4 О 32 . М. . . . . . (3.16) Состав продуктов сгорания газообразного топлива также определяется по конечным реакциям окисления горючих состав- ляющих топлива, коэффициенту избытка воздуха и элементарно- му составу топлива: 2нм (кмоль) 2 2 2нм (кмоль) 2 3 3 2Н .О . 2Н О ; 2нм (кмоль) 2 2 2 3( ) 32СО .О . 2СО нм кмоль ; 2нм (кмоль) 2 1нм (кмоль) 2 2 1нм (кмоль) 4 3 3 3 СН . 2О . СО . 2Н О ; . . . 2. нм (кмоль) 2 нм (кмоль) 2 2 1нм3(кмоль) 3 3 О CO 2 H O 4 С Н n m n m n m n m . . ... ... . . . Содержащиеся в газообразном топливе негорючие состав- ляющие (СО2, Н2О, N2), избыток кислорода, пары воды и азот воздуха переходят в продукты сгорания без изменения. Объем двуокиси углерода в продуктах сгорания, приходя- щийся на 1нм3 газа: 2 42 CO CO CH4 C CO 2 . . . . . . . nn m nH n V .. . .. . нм газа нм СО 3 2 3 . (3.17) Объем паров воды в продуктах сгорания, приходящийся на 1 нм3 газа, с учетом паров воды, поступивших в двигатель с воз- духом: 2 0 H O 42 Н2O 2 4 2 С H Н О 2 V Н 2CH m V r nn m n . . . . . . . . . .. . .. . нм газа нм H O 3 2 3 . (3.18) Объем избытка кислорода (если . . 1) и объем азота в про- дуктах сгорания, приходящиеся на 1 нм3 газа: 109 . . 2 2 O 0 O 1 r V V . . . .. . .. . нм газа нм O 3 2 3 ; (3.19) 2 2 N 0 N r V V . . .. . .. . нм газа нм N 3 2 3 . (3.20) Суммарный объем продуктов сгорания, приходящийся на 1 нм3 газа при полном сгорании горючих составляющих: 2 2 2 2 O N O H CO пр.сг V V V V V . . . . .. . .. . нм газа нм пр.сг 3 3 . (3.21) Изменение объема продуктов сгорания по сравнению с на- чальным объемом смеси газа, сухого воздуха и паров воды в воз- духе: . . 0 пр.сг. 1 V V V . . . . . .. . .. . нм газа нм 3 3 (3.22) или с учетом зависимостей (2.17), (2.18), (3.17) – (3.21): .H CO. 21 C H 1 4 2 42 . . ... ... . . . . . . m nn n V m .. . .. . нм газа нм 3 3 . (3.23) Действительно, из реакций окисления водорода, оксида уг- лерода следует, что объем конечных продуктов их окисления уменьшается по сравнению с начальным объемом смеси на 0,5 кмоля. При окислении сложных углеводородов объем конеч- ных продуктов сгорания по сравнению с начальным объемом смеси возрастает на (m/4 – 1)CnHm. При окислении метана объем конечных продуктов окисления равен начальному объему смеси. Химический коэффициент молекулярного изменения . . 0 2 св.зар св.зар св.зар пр.сг 0 1 H CO 21 C H 1 1 4 V m V V V VV n m. . . . ... ... . . . . . . . . . (3.24) В зависимости от элементарного состава газа химический коэффициент молекулярного изменения может быть больше и меньше единицы, тогда как в случае жидкого топлива химичес- 110 кий коэффициент молекулярного изменения всегда больше еди- ницы. В двигателях с внеш- ним смесеобразованием при полном сгорании горючих компонентов топлива (. = = 1,0–1,2; топливо – бензин) химический коэффициент молекулярного изменения находится в пределах 1,040– 1,055. В двигателях с внут- ренним смесеобразованием и качественным регулирова- нием мощности (дизели) в зависимости от нагрузочно- го режима работы (. = 1,2– 6,0) химический коэффици- ент молекулярного измене- ния колеблется в пределах 1,012–1,055 (рис. 3.1). Объемные доли компо- нентов продуктов сгорания находят как частные от де- ления объема соответст- вующего компонента на суммарный объем продуктов сгорания. Объемные доли обозначают строчной буквой r с соответствующим индек- сом: например, объемная доля оксида и двооксида углерода в продуктах сгорания – rСО и rСО2, азота – rN2. В двигателях с внешним смесеобразованием при полном сгорании топлива объемные доли компонентов продуктов сгора- ния изменяются незначительно вследствие ограничения по верх- нему пределу воспламеняемости топливовоздушной смеси (. . . 1,3). В двигателях с внутренним смесеобразованием и качест- венным регулированием мощности коэффициент избытка возду- Рисунок 3.1 – Изменение состава продуктов сгорания жидкого топлива в зависимости от коэффициента избытка воздуха (элементарный состав топлива, %: С = 87; Н = 13; относительная влажность воздуха – 80 %; температура воздуха – 20.С; барометрическое давление – 750 мм рт.ст.) .0 .0 rCO2, % rCO2 rН2O, % rН2O rN2 rN2, % rO2, % rO2 0 1 2 3 4 5 . 8 16 5 9 6 2 71 75 1,02 1,04 111 ха с уменьшением нагрузки возрастает до 6. При этом состав продуктов сгорания также изменяется в широких пределах (рис. 3.1). §4. Состав продуктов сгорания при неполном сгорании топлива Неполное сгорание горючих компонентов топлива может иметь место и при избытке воздуха (. . 1), вследствие несовер- шенства процессов смесеобразования и сгорания. Неполнота сго- рания особенно резко возрастает при значениях коэффициента избытка воздуха меньших единицы, характерных для двигателей с внешним смесеобразованием. В этом случае в продуктах сгора- ния содержится свободный водород, оксид углерода, углеводоро- ды. Содержание водорода и углеводородов в продуктах сгорания незначительно и их влиянием на объем и состав продуктов сгора- ния можно пренебречь. Свободный углерод образуется в продук- тах сгорания дизелей при несовершенстве процессов смесеобра- зования и сгорания. Состав продуктов сгорания жидкого топлива в двигателях с внешним смесеобразованием определяется по реакциям окисле- ния горючих компонентов топлива, если известны элементарный состав топлива, коэффициент избытка воздуха, доля углерода то- плива, ушедшая на образование оксида углерода: 1 кмоль 2 2 12 кг С .О . СО ; 2 кмоля 2 2 4 кг2Н2. О . 2Н О; 2 кмоля 2 24 кг 2C. О . 2CО . Объем составляющих продуктов сгорания: .1- .С 12 1 МСО2 . х . ... ... кг топлива кмоль СО2 ; (3.25) С 12 1 СО х М . . ... ...кг топлива кмоль СО ; (3.26) 112 Н2О 0 Н2О Н 2М. . 1 . .М. r ... ... кг топлива кмоль Н2О ; (3.27) МN2 М0 rN2 . . . . ... ...кг топлива кмоль N2 , (3.28) где х – доля углерода, ушедшая на образование оксида углерода. Суммарный объем продуктов сгорания: . . пр.сг 0 N2 Н2О Н 2С 1 12 М. . 1 . . . М. r . r ... ... кг топлива кмоль пр.сг , (3.29) или пр.сг. пр.сг 4 , 22 М V . . .. . .. .кг топлива нм3 пр.сг. . (3.30) Преобразуем зависимость (3.29) следующим образом. На основании (2.8) 32 О 4 Н 12 С 0 О2 . . . М. r , откуда 32 O 4 H 12 С 0 O2 . . . М. r . (3.31) Тогда объем продуктов сгорания с учетом (3.31) и соотно- шения . . . . М0 rN2 rН2О М0 1. rО2 . . . . . . . . пр.сг 0 1 0 О2 32 О 4 М. . . М. . Н . . .. М. r . (3.32) Химический коэффициент молекулярного изменения . . 0 т 0 0 O 0 т пр.сг 0 1 Н 4 О 32 1 1 2 . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . М М М r ММ . (3.33) Доля углерода, ушедшая на образование оксида углерода, может быть определена из уравнения баланса кислорода в топли- вовоздушной смеси и в продуктах сгорания: . . 32 0 O2 О 4 С Н 24 1 С 1 12 1 . х . х . . .. М. r . (3.34) 113 Из уравнения (3.34) С 24С 12 Н 4 О 32 М0 rO2 х . . .. . . или с учетом зависимости (3.31) . . С 24 1 М0 rО2 х .. . . . (3.35) Предельному случаю (х = 1), когда в продуктах сгорания образуется только оксид углерода СО, соответствует значение коэффициента избытка воздуха для бензина среднего элемен- тарного состава (С = 0,855; Н = 0,140; О = 0,005), примерно рав- ное 0,7. В действительности при значениях коэффициента избыт- ка воздуха, меньших единицы, в продуктах сгорания резко воз- растает содержание углеводородов и значение коэффициента из- бытка воздуха, соответствующее условию образования в продук- тах сгорания только СО, будет уменьшаться до 0,5–0,6. §5. Токсичность отработавших газов Токсичность отработавших газов двигателей внутреннего сгорания обусловлена содержащимися в них токсичными и кан- церогенными веществами: оксидом углерода СО, углеводорода- ми СnHm, оксидами азота NOx, соединениями свинца, полицикли- ческими углеводородами, альдегидами, твердыми частицами и др. Твердые частицы содержат сажу, продукты износа деталей, оксиды металлов, сульфаты, углеводороды топлива и масла. Час- тицы сажи абсорбируют на поверхности канцерогенные соедине- ния. На организм человека оказывает значительное воздействие так же запах отработавших газов. Источником загрязнения атмосферы являются не только от- работавшие газы, но и пары топлива, картерные газы. Основная доля выбросов токсичных веществ в атмосферу промышленных центров от суммарных выбросов приходится на отработавшие га- зы двигателей автомобилей. Значительная часть свинца (до 70 %), содержащаяся в анти- детонационных присадках бензина, выбрасывается в атмосферу с 114 отработавшими газами в виде различных соединений и до 40 % этого количества остается в атмосфере во взвешенном состоянии. С пищей и водой эти соединения попадают в организм человека. В отличие от других токсичных веществ соединения свинца пол- ностью не выводятся из организма и, накапливаясь, могут выз- вать его заболевание. Поэтому производство этилированных бен- зинов постепенно сокращается. Ведутся интенсивные разработки антидетонационных присадок, не содержащих свинца. Оксид углерода, содержащийся в отработавших газах, осо- бенно опасен тем, что не имеет запаха, отравление им может произойти совершенно незаметно. Попадая в организм человека, оксид углерода соединяется с гемоглобином красных кровяных шариков, образуя карбоксигемоглобин. Кровь теряет способность переносить кислород, и при высокой концентрации карбоксиге- моглобина в организме наступает кислородное голодание, преж- де всего клеток головного мозга. При легкой степени отравления корбоксигемоглобин постепенно разрушается, оксид углерода выводится из организма, гемоглобин восстанавливает свою спо- собность переносить кислород. Оксиды азота, содержащиеся в продуктах сгорания, вызы- вают раздражение дыхательных путей, а при больших концен- трациях – отравление. Наряду с другими компонентами отрабо- тавших газов они обусловливают также возникновение фотохи- мического смога в крупных промышленных центрах со слабой циркуляцией воздуха. Вместе с токсичными веществами при сгорании образуются полициклические канцерогенные соединения углеводородов, выбрасываемые затем с отработавшими газами в атмосферу. К таким соединениям относятся, прежде всего, бензапирен, обла- дающий высокой канцерогенной активностью. При нанесении на кожу животного раствора канцерогенных углеводородов (пирена, бензопирена, антрацена) 2 раза в неделю в течении нескольких недель через значительный промежуток времени (год и больше) на месте нанесения раствора возникает злокачественная опухоль. Увеличение заболеваний верхних дыхательных путей и он- кологических заболеваний в последние десятилетия обусловлено повышением загрязнения воздушного бассейна. В подавляющем большинстве крупных промышленных центров мира концентра- 115 ция токсичных веществ в воздухе значительно превышает допус- тимые нормы. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе зависят от степени их токсичности (табл. 3.3). Таблица 3.3 – Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов Вещество Предельно допустимые концентрации, мг/м3 Максимальная разовая Среднесуточная Диоксид азота 0,085 0,085 Бензол 1,5 0,8 Бензин нефтяной 5 1,5 Бензин сланцевый 0,05 0,05 Бутан 200 – Метанол 1 0,5 Сернистый ангидрид 0,5 0,05 Окись углерода 3 1 Формальдегид 0,035 0,012 Свинец и его соедине- ния (кроме тетраэтил- свинца) – 0,0007 Бензпирен – 0,00015* * Предельно допустимая концентрация в рабочей зоне В течение последнего десятилетия снижение токсичности отработавших газов превратилось в одну из важнейших проблем в области двигателей внутреннего сгорания [1–3]. Во многих странах мира введены нормы на выбросы токсичных веществ с отработавшими газами, принимаются меры для разработки дви- гателей внутреннего сгорания с пониженным уровнем токсич- ности отработавших газов, различных устройств для снижения их токсичности (термических реакторов, каталитических конверто- ров, керамических фильтров). Нормы на выбросы токсичных ве- ществ с отработавшими газами из года в год все более ужесточа- 116 ются, что в значительной степени предопределяет направление развития двигателестроения (табл. 3.4). Таблица 3.4 – Нормы выбросов токсичных веществ с Отработавшими газами двигателей легковых автомобилей Страна Год введе- ния Испытательный цикл Нормы выбросов, г/км СО СnHm NOx Твер- дые части- цы Запад- ная Европа 1975 Правила №15 ЕЭК ООН 24,7–54,4 1,98–3,16 – – 1993 Правила ЕЭК ООН R83-02В (Евро-1) 2,72 0,97* – 0,14** 1996 Правила ЕЭК ООН R83-03В (Евро-2) 2,2 0,5* – 0,08** 2000 Правила ЕЭК ООН R83 (Евро-3) 2,3 0,2 0,15 – 0,64** – 0,5** 0,05** США 1972 Национальный стандарт (CNS-CH) 24,3 2,1 1,8 – 1976 2,1 0,25 0,62 – 1994 2,1 0,15 0,25 0,05** 2000 1,1 0,05 0,125 0,025** Япония 1973 Национальный стандарт (CNS-CH) 26,0 3,8 3 – 1975 2,1 0,25 0,62 – СССР 1980 Правила №15 ЕЭК ООН ОСТ 37.001.054-86 24,7–54,4 1,98–3,16 – – 1990 13,3 4,94* – – * Суммарные выбросы СnHm и NOx; ** Для дизелей Токсичность отработавших газов двигателей внутреннего сгорания оценивается выбросами токсичных веществ в граммах на единицу пути (км, милю), в граммах на единицу работы 117 (г/(кВт.ч)), в процентах от объема продуктов сгорания или частях по объему на миллион (104 млн–1 = 1 %). Приближенная оценка показателей токсичности отработав- ших газов может быть выполнена с помощью очевидных зависи- мостей: в г/км: 3 gCO . rCO э gт э .э М0. ..СО 10 ; (3.36) 3 gCН . rCН э gт э .э М0. ..СН 10 ; (3.37) 3 gNO . rNO э gт э .э М0. ..NО 10 ; (3.38) или в г/(кВт.ч): т э н е э CO CO 3600 . . . g Q g g ; (3.39) т э н е э CН CН 3600 . . . g Q g g ; (3.40) т э н е э NO NO 3600 . . . g Qg g , (3.41) где rСО э, rСН э, rNО э – объемные доли токсичных веществ в про- дуктах сгорания на режимах, соответствующих среднеэксплуа- тационной нагрузке; gт э – среднеэксплуатационный расход топ- лива, кг/км; .э – среднеэксплуатационное значение коэффици- ента избытка воздуха; .СО, .СН, .NО – молярная масса (кг/кмоль), соответственно, оксида углерода, углеводородов (.СН . 0,5..т); диоксида азота; .еэ – среднеэксплуатационный эффективный КПД двигателя. Среднеэксплуатационные значения параметров и показате- лей работы двигателя можно определить, если известны их зна- чения на эксплуатационных режимах работы и продолжитель- ность работы двигателя на этих режимах: . ... .. . . . . . i n i i i n i э i i 1 1 ; (3.42) . ... .. . . . . . i n i i i n i э i i 1 1 е е , (3.43) 118 где .i, .еi – соответственно коэффициент избытка воздуха и эффективный КПД двигателя на определенном эксплуатацион- ном режиме работы; .i – продолжительность работы двигателя на определенном эксплуатационном режиме. Косвенная оценка содержания твердых частиц в отработав- ших газах может быть выполнена по их дымности (интенсивнос- ти поглощения отработавшими газами света), количественная – улавливанием твердых частиц специальным фильтром, через ко- торый пропускают часть потока отработавших газов. Выбросы токсичных веществ с отработавшими газами зави- сят от способа организации рабочих процессов, режима рабо- ты двигателя (табл. 3.5) [4]. Таблица 3.5 – Содержание токсичных веществ в отработав- ших газах карбюраторного двигателя и дизеля на эксплуатаци- онных режимах работы без дополнительных устройств нейтрали- зации токсичных веществ Токсичные вещества в отработавших газах Тип двигателя Режимы работы двигателя Холос- той ход Разгон Основ- ные режимы эксплуа- тации Замед- ление СО, % Карбюраторный 9,9 2,9 2,7 3,9 дизель Следы 0,1 Следы Следы CnHm, % Карбюраторный 0,53 0,16 0,1 1,0 дизель 0,04 0,02 0,01 0,03 NOх, млн–1 Карбюраторный 30 1020 650 20 дизель 60 850 240 30 Альдегиды, млн–1 Карбюраторный 30 20 10 290 дизель 10 20 10 30 По выбросам оксида углерода и углеводородов с отрабо- тавшими газами дизель существенно превосходит карбюратор- ный двигатель на всех режимах работы. Выше также эксплуата- ционная экономичность дизеля. Однако о полной замене двигате- лей с искровым зажиганием дизелями не приходится говорить в 119 силу ряда факторов. Во-первых, выход дизельного топлива при переработке нефти в несколько раз меньше выхода бензина. Во- вторых, приведенный уровень токсичности отработавших газов дизелей не ниже уровня токсичности отработавших газов двига- телей с внешним смесеобразованием и системой нейтрализации отработавших газов. В-третьих, себестоимость производства ди- зелей намного выше производства карбюраторных двигателей. В-четвёртых, в дизелях выше уровень шума, отработавшие газы обладают неприятным запахом, силовая установка с дизелем тя- желее силовой установки с двигателем с искровым зажиганием. В настоящее время имеются двигатели с искровым зажига- нием, высоким уровнем организации рабочих процессов и эффек- тивными устройствами снижения токсичности отработавших га- зов. К тому же к дизелям предъявляются все более жесткие тре- бования в отношении выбросов с отработавшими газами оксидов азота, твердых частиц, содержащих канцерогенные вещества. Выполнение этих норм – одна из сложных актуальных проблем. При оценке токсичности отработавших газов в граммах на единицу пути используют ездовые испытательные циклы, соот- ветствующие реальным условиям транспортного движения в крупных городах различных стран. Автомобили испытывают по ездовым циклам на специальных стендах с тормозными бараба- нами с регистрацией как суммарных выбросов токсичных ве- ществ с отработавшими газами за цикл, так и выбросов токсич- ных веществ с отработавшими газами на отдельных режимах. За- тем определяют среднюю концентрацию токсичных веществ в отработавших газах на отдельных режимах работы, за цикл и вы- бросы токсичных веществ с отработавшими газами, приходящие- ся на единицу пути. Токсичность отработавших газов двигателей других типов (тракторных, стационарных и т.д.) оценивается обычно в г/(кВт.ч) по суммарным выбросам за испытательный цикл. Испы- тательные циклы соответствуют реальным эксплуатационным режимам работы двигателя. Из существующих норм на выбросы токсичных веществ с отработавшими газами наиболее жесткими являются нормы США (табл. 3.4). Выполнение этих норм в двигателях с внешним 120 смесеобразованием возможно только при высоком уровне довод- ки рабочих процессов, применении электронной системы распре- деленного впрыска и управления рабочими процессами, рецирку- ляции отработавших газов, термических реакторов, каталити- ческих конверторов. Без дополнительных устройств снижения токсичности выполнить эти нормы только за счет организации рабочих процессов возможно при заметном снижении экономич- ности (двигатель с форкамерно-факельным зажиганием). Приме- нение непосредственного впрыска, глубокого расслоения топли- вовоздушной смеси позволяет приблизиться по выбросам ток- сичных веществ с отработавшими газами без сложных систем нейтрализации к перспективным нормам. Дизель без дополни- тельных устройств не укладывается в нормы Евро-2 по выбросам оксидов азота (табл. 3.6). Таблица 3.6 – Выбросы токсичных веществ с отработавшими газами Тип двигателя Выбросы токсичных веществ с отработавшими газами в г на 1 км пути СО СnНm NОх Поршневой форкамерный без средств снижения токсичности [5] 1,22 0,113 0,497 Поршневой с электронной системой впрыска и управления, рециркуляци- ей отработавших газов и каталити- ческим конвертором [5] 0,266 0,175 0,194 Двухтактный с непосредственным впрыском фирмы Орбитал Энджин [6] 0,298 0,192 0,497 Дизель без дополнительных уст- ройств для снижения токсичности отработавших газов [7] 1,67 0,28 1,20