Применение каталитических конверторов для снижения токсичности отработавших газов требует значительных матери- альных средств. В США и в ряде других стран автомобили без каталитических конверторов в настоящее время не выпускаются. Оборудование всего автомобильного парка США каталитически- ми системами снижения токсичности отработавших газов потре- бовало многомиллиардных ежегодных расходов. В ближайшем будущем проблема снижения токсичности от- работавших газов столь же актуальна будет и для Украины. Это обусловлено возрастающим загрязнением воздушных бассейнов наших городов, а также значительным расширением импорта по- держанных автомобилей, двигатели которых по выбросам ток- сичных веществ с отработавшими газами не соответствуют нор- мам стран Западной Европы и других стран мира. §6. Теплоемкость рабочего тела Рассмотрим особенности определения теплоемкости рабоче- го тела в двигателях внутреннего сгорания, основываясь на из- вестных из термодинамики соотношениях. Рабочим телом в дви- гателях внутреннего сгорания являются газовые смеси, состав ко- торых зависит от особенностей организации рабочих процессов и изменяется в течение цикла. Истинная молярная теплоемкость га- зовой смеси при постоянном объеме и постоянном давлении, кДж/(кмоль.К): i i n i V i V с r с . . . . . .1 ; (3.44) с с R0 . p . . V . , (3.45) где ri – объемные доли компонентов газовой смеси; V i .с – истин- ные молярные теплоемкости компонентов газовой смеси; R0 – универсальная (молярная) газовая постоянная, R0 = 8,314 кДж/(кмоль.К). Теплоемкость газов зависит от температуры и эта зависимость нелинейная (рис.3.2). Поэтому при определении теп- лоемкостей газов используют справочные таблицы теплоемко- стей [8] или интерполяционные зависимости для определенных интервалов значений температуры, кДж/(кмоль.К): 122 сV i ai bi t . . . ; (3.46) . ... .. . . . i n i i i i n i с ri ai r b t V 1 1 , (3.47) где ai, bi – постоянные коэффициенты для определенных интер- валов значений температуры. Средние значения молярной теплоемкости газовой смеси при постоянном объеме и постоянном давлении, кДж/(кмоль.К): сVm a b t 2 . . . ; (3.48) сpm сVm R0 . . . . . (3.49) Интерполяционные формулы для средних молярных тепло- емкостей отдельных газов при постоянном объеме применитель- но к пределам изменения температуры рабочего тела в двигате- лях внутреннего сгорания: при изменении температуры в пределах 0–1000.С: сVm t 20,89 4,07 10 3 О2 . . . . . ; сVm t 20,50 2,35 10 3 N2 . . . . . ; сVm t 3 возд 20,58 2,70 10. . . . . ; сVm t 20,60 2,70 10 3 СО . . . . . ; сVm t 29,50 12,10 10 3 СО2 . . . . . ; сVm t 24,80 5,30 10 3 Н2O . . . . . ; сVm t 20,60 0,75 10 3 Н2 . . . . . ; сVm t 26,00 25,10 10 3 CН4 . . . . . ; сVm t 33,50 50,30 10 3 C2Н6 . . . . . ; при изменении температуры в пределах 1000–2700.С: 123 сVm t 23,26 1,76 10 3 О2 . . . . . ; сVm t 21,60 1,70 10 3 N2 . . . . . ; сVm t 3 возд 21,93 1,71 10. . . . . ; сVm t 21,80 1,70 10 3 СО . . . . . ; сVm t 36,70 4,60 10 3 СО2 . . . . . ; сVm t 25,90 4,80 10 3 Н2О . . . . . . Погрешность определения средней молярной теплоемкости газов при постоянном объеме по этим интерполяционным форму- лам в основной зоне температур рабочего тела действительных циклов двигателей внутреннего сгорания не превышает 1,5 % (см. рис. 3.2). При выполнении расчетов с погрешностью до 1 % необходимо использовать спра- вочные таблицы значений тепло- емкостей [8]. Состав продуктов сгорания жидких топлив из нефти зависит в основном от коэффициента из- бытка воздуха, так как их эле- ментарный состав изменяется незначительно. Поэтому при вы- полнении расчетов с погреш- ностью 1,5–2 % можно восполь- зоваться приближенными зави- симостями для истинных моляр- ных теплоемкостей продуктов сгорания жидких топлив при по- стоянном объеме [9]: при . . 1 Рисунок 3.2 – Зависимость средней молярной теплоемкости газов при постоянном объеме от температуры: ––––––– – по спектроскопическим данным; – – – – – – по интерполяционным формулам Vm .с , 124 с . . . . t V 21,03 2,14 4,27 1,84 10 3 пр.сг . . . . . . . . . ; (3.50) при 0,7 . . . 1 с t V (18,93 4,19 ) (3,60 2,51 ) 10 3 пр.сг . . . . . . . . . ; (3.51) При использовании синтетических жидких топлив или газо- образного топлива теплоемкости продуктов сгорания определя- ются по их составу. На участке впуска и сжатия в четырехтактном двигателе в рабочей полости находится смесь продуктов сгорания и свежего заряда (воздуха или топливовоздушной смеси). Приближенно средняя молярная теплоемкость рабочего тела на участке впуска и сжатия может быть определена по зависимости: сVm a r a r a r b r b r b r t . см . ( в в . т т . . . ) . 0,5. ( в в . т т . . . ) , (3.52) где aв, aт, a., bв, bт, b. – постоянные коэффициенты для воздуха, паров топлива и продуктов сгорания в интервале температур 0– 1000 .С; rв, rт, r. – объемные доли в смеси, соответственно, воз- духа, паров топлива и продуктов сгорания. Средние молярные теплоемкости паров жидких топлив [8, 10] (1 ) CVm т CVm0 at . . . . , (3.53) где Vm0 .C – теплоемкость паров жидких топлив при 0 .С; а – по- стоянный коэффициент: для парафиновых и олефиновых углево- дородов а = 0,0012; для нафтеновых а = 0,0015; для ароматиче- ских а = 0,0020. Теплоемкость паров бензина среднего состава (.т = 110 кг/кмоль) при 0 .С Vm0 .C . 150 кДж/(кмоль.К). Контрольные вопросы и задания 1. Объясните следующие понятия: . коэффициент остаточных газов; . коэффициент избытка воздуха; . химический коэффициент молекулярного изменения; . коэффициент молекулярного изменения; 125 . теплота сгорания топливовоздушной смеси. 2. Какие пределы воспламеняемости топливовоздушных смесей по коэффициенту избытка воздуха? 3. Как определяется состав продуктов сгорания жидких и газообразных моторных топлив? 4. Объясните влияние коэффициента избытка воздуха на со- став продуктов сгорания. 5. Какие компоненты продуктов сгорания относят к токсич- ным, а какие к канцерогенным? 6. Как осуществляют нормирование выбросов токсичных веществ с отработавшими газами двигателя? 7. Объясните влияние типа двигателя на выбросы токсич- ных и канцерогенных веществ с отработавшими газами. 8. Как определяется теплоемкость рабочего тела? 9. Решите следующие задачи: Задача 1. Определить расход воздуха за час, состав и объем продуктов сгорания, выбрасываемых в окружающую среду авто- мобильным двигателем с искровым зажиганием при мощности 50 кВт. Топливо – бензин; низшая теплота сгорания топлива Qн = = 44000 кДж/кг; эффективный КПД двигателя на этом режиме – 0,20; коэффициент избытка воздуха – 0,85; температура отрабо- тавших газов – 727.С, барометрическое давление – 760 мм рт.ст. Задача 2. При условии задачи 1 определить расход топлива на 100 км, выбросы оксида углерода на 1 км пути, если скорость автомобиля равна 100 км/час. Задача 3. Определить расход воздуха за час, объем и состав продуктов сгорания, выбрасываемых в окружающую среду дизе- лем при мощности 100 кВт. Эффективный КПД дизеля на этом режиме – 0,35; коэффициент избытка воздуха – 2,0; температура отработавших газов tт = 627.С; барометрическое давление – 760 мм рт.ст.; низшая теплота сгорания топлива Qн = 42000 кДж/кг. Список литературы к главе 3 1. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгора- ния. – М.: Машиностроение, 1981. – 160 с. 126 2. Якубовский Ю. Автомобильный транспорт и защита ок- ружающей среды. – М.: Транспорт, 1979. – 200 с. 3. Филиппов А.З. Токсичность отработавших газов тепло- вых двигателей. – К.: Выща школа, 1980. – 160 с. 4. Liegel O. Technische massnahmen die Verunreinigung der Luft durch Kraftfahrzeugabgase // Schrifeur Bundesmin. Verkehr – 1966. – № 30. – S. 112–124. 5. Вахошин Л.И., Маркова И.В., Химина Е.П. Двигатели внутреннего сгорания.– М.: ВИНИТИ, 1975. – Т.1. – 202 с. 6. Илей Л. Малогабаритный двухтактный двигатель. – Ав- томобильная промышленность США. – 1986. – № 4. – С. 6. 7. Канило П.М., Бей И.С., Ровенский А.И. Автомобиль и ок- ружающая среда. – Харьков: Прапор, 2000. – 301 с. 8. Вукалович М.И. и др. Термодинамические свойства газов. – М.: Машгиз. 1953. – 373 с. 9. Глаголев Н.М., Водолажченко В.В., Куриц А.А., Бартош Е.Т. Тепловозные двигатели и газовые турбины. – М.: Транспорт, 1965. – 403 с. 10. Дутовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топли- вам и их продуктам сгорания. – М.: Госэнергоиздат, 1962. – 285 с.
Применение каталитических конверторов для снижения токсичности отработавших газов требует значительных матери- альных средств. В США и в ряде других стран автомобили без каталитических конверторов в настоящее время не выпускаются. Оборудование всего автомобильного парка США каталитически- ми системами снижения токсичности отработавших газов потре- бовало многомиллиардных ежегодных расходов. В ближайшем будущем проблема снижения токсичности от- работавших газов столь же актуальна будет и для Украины. Это обусловлено возрастающим загрязнением воздушных бассейнов наших городов, а также значительным расширением импорта по- держанных автомобилей, двигатели которых по выбросам ток- сичных веществ с отработавшими газами не соответствуют нор- мам стран Западной Европы и других стран мира. §6. Теплоемкость рабочего тела Рассмотрим особенности определения теплоемкости рабоче- го тела в двигателях внутреннего сгорания, основываясь на из- вестных из термодинамики соотношениях. Рабочим телом в дви- гателях внутреннего сгорания являются газовые смеси, состав ко- торых зависит от особенностей организации рабочих процессов и изменяется в течение цикла. Истинная молярная теплоемкость га- зовой смеси при постоянном объеме и постоянном давлении, кДж/(кмоль.К): i i n i V i V с r с . . . . . .1 ; (3.44) с с R0 . p . . V . , (3.45) где ri – объемные доли компонентов газовой смеси; V i .с – истин- ные молярные теплоемкости компонентов газовой смеси; R0 – универсальная (молярная) газовая постоянная, R0 = 8,314 кДж/(кмоль.К). Теплоемкость газов зависит от температуры и эта зависимость нелинейная (рис.3.2). Поэтому при определении теп- лоемкостей газов используют справочные таблицы теплоемко- стей [8] или интерполяционные зависимости для определенных интервалов значений температуры, кДж/(кмоль.К): 122 сV i ai bi t . . . ; (3.46) . ... .. . . . i n i i i i n i с ri ai r b t V 1 1 , (3.47) где ai, bi – постоянные коэффициенты для определенных интер- валов значений температуры. Средние значения молярной теплоемкости газовой смеси при постоянном объеме и постоянном давлении, кДж/(кмоль.К): сVm a b t 2 . . . ; (3.48) сpm сVm R0 . . . . . (3.49) Интерполяционные формулы для средних молярных тепло- емкостей отдельных газов при постоянном объеме применитель- но к пределам изменения температуры рабочего тела в двигате- лях внутреннего сгорания: при изменении температуры в пределах 0–1000.С: сVm t 20,89 4,07 10 3 О2 . . . . . ; сVm t 20,50 2,35 10 3 N2 . . . . . ; сVm t 3 возд 20,58 2,70 10. . . . . ; сVm t 20,60 2,70 10 3 СО . . . . . ; сVm t 29,50 12,10 10 3 СО2 . . . . . ; сVm t 24,80 5,30 10 3 Н2O . . . . . ; сVm t 20,60 0,75 10 3 Н2 . . . . . ; сVm t 26,00 25,10 10 3 CН4 . . . . . ; сVm t 33,50 50,30 10 3 C2Н6 . . . . . ; при изменении температуры в пределах 1000–2700.С: 123 сVm t 23,26 1,76 10 3 О2 . . . . . ; сVm t 21,60 1,70 10 3 N2 . . . . . ; сVm t 3 возд 21,93 1,71 10. . . . . ; сVm t 21,80 1,70 10 3 СО . . . . . ; сVm t 36,70 4,60 10 3 СО2 . . . . . ; сVm t 25,90 4,80 10 3 Н2О . . . . . . Погрешность определения средней молярной теплоемкости газов при постоянном объеме по этим интерполяционным форму- лам в основной зоне температур рабочего тела действительных циклов двигателей внутреннего сгорания не превышает 1,5 % (см. рис. 3.2). При выполнении расчетов с погрешностью до 1 % необходимо использовать спра- вочные таблицы значений тепло- емкостей [8]. Состав продуктов сгорания жидких топлив из нефти зависит в основном от коэффициента из- бытка воздуха, так как их эле- ментарный состав изменяется незначительно. Поэтому при вы- полнении расчетов с погреш- ностью 1,5–2 % можно восполь- зоваться приближенными зави- симостями для истинных моляр- ных теплоемкостей продуктов сгорания жидких топлив при по- стоянном объеме [9]: при . . 1 Рисунок 3.2 – Зависимость средней молярной теплоемкости газов при постоянном объеме от температуры: ––––––– – по спектроскопическим данным; – – – – – – по интерполяционным формулам Vm .с , 124 с . . . . t V 21,03 2,14 4,27 1,84 10 3 пр.сг . . . . . . . . . ; (3.50) при 0,7 . . . 1 с t V (18,93 4,19 ) (3,60 2,51 ) 10 3 пр.сг . . . . . . . . . ; (3.51) При использовании синтетических жидких топлив или газо- образного топлива теплоемкости продуктов сгорания определя- ются по их составу. На участке впуска и сжатия в четырехтактном двигателе в рабочей полости находится смесь продуктов сгорания и свежего заряда (воздуха или топливовоздушной смеси). Приближенно средняя молярная теплоемкость рабочего тела на участке впуска и сжатия может быть определена по зависимости: сVm a r a r a r b r b r b r t . см . ( в в . т т . . . ) . 0,5. ( в в . т т . . . ) , (3.52) где aв, aт, a., bв, bт, b. – постоянные коэффициенты для воздуха, паров топлива и продуктов сгорания в интервале температур 0– 1000 .С; rв, rт, r. – объемные доли в смеси, соответственно, воз- духа, паров топлива и продуктов сгорания. Средние молярные теплоемкости паров жидких топлив [8, 10] (1 ) CVm т CVm0 at . . . . , (3.53) где Vm0 .C – теплоемкость паров жидких топлив при 0 .С; а – по- стоянный коэффициент: для парафиновых и олефиновых углево- дородов а = 0,0012; для нафтеновых а = 0,0015; для ароматиче- ских а = 0,0020. Теплоемкость паров бензина среднего состава (.т = 110 кг/кмоль) при 0 .С Vm0 .C . 150 кДж/(кмоль.К). Контрольные вопросы и задания 1. Объясните следующие понятия: . коэффициент остаточных газов; . коэффициент избытка воздуха; . химический коэффициент молекулярного изменения; . коэффициент молекулярного изменения; 125 . теплота сгорания топливовоздушной смеси. 2. Какие пределы воспламеняемости топливовоздушных смесей по коэффициенту избытка воздуха? 3. Как определяется состав продуктов сгорания жидких и газообразных моторных топлив? 4. Объясните влияние коэффициента избытка воздуха на со- став продуктов сгорания. 5. Какие компоненты продуктов сгорания относят к токсич- ным, а какие к канцерогенным? 6. Как осуществляют нормирование выбросов токсичных веществ с отработавшими газами двигателя? 7. Объясните влияние типа двигателя на выбросы токсич- ных и канцерогенных веществ с отработавшими газами. 8. Как определяется теплоемкость рабочего тела? 9. Решите следующие задачи: Задача 1. Определить расход воздуха за час, состав и объем продуктов сгорания, выбрасываемых в окружающую среду авто- мобильным двигателем с искровым зажиганием при мощности 50 кВт. Топливо – бензин; низшая теплота сгорания топлива Qн = = 44000 кДж/кг; эффективный КПД двигателя на этом режиме – 0,20; коэффициент избытка воздуха – 0,85; температура отрабо- тавших газов – 727.С, барометрическое давление – 760 мм рт.ст. Задача 2. При условии задачи 1 определить расход топлива на 100 км, выбросы оксида углерода на 1 км пути, если скорость автомобиля равна 100 км/час. Задача 3. Определить расход воздуха за час, объем и состав продуктов сгорания, выбрасываемых в окружающую среду дизе- лем при мощности 100 кВт. Эффективный КПД дизеля на этом режиме – 0,35; коэффициент избытка воздуха – 2,0; температура отработавших газов tт = 627.С; барометрическое давление – 760 мм рт.ст.; низшая теплота сгорания топлива Qн = 42000 кДж/кг. Список литературы к главе 3 1. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгора- ния. – М.: Машиностроение, 1981. – 160 с. 126 2. Якубовский Ю. Автомобильный транспорт и защита ок- ружающей среды. – М.: Транспорт, 1979. – 200 с. 3. Филиппов А.З. Токсичность отработавших газов тепло- вых двигателей. – К.: Выща школа, 1980. – 160 с. 4. Liegel O. Technische massnahmen die Verunreinigung der Luft durch Kraftfahrzeugabgase // Schrifeur Bundesmin. Verkehr – 1966. – № 30. – S. 112–124. 5. Вахошин Л.И., Маркова И.В., Химина Е.П. Двигатели внутреннего сгорания.– М.: ВИНИТИ, 1975. – Т.1. – 202 с. 6. Илей Л. Малогабаритный двухтактный двигатель. – Ав- томобильная промышленность США. – 1986. – № 4. – С. 6. 7. Канило П.М., Бей И.С., Ровенский А.И. Автомобиль и ок- ружающая среда. – Харьков: Прапор, 2000. – 301 с. 8. Вукалович М.И. и др. Термодинамические свойства газов. – М.: Машгиз. 1953. – 373 с. 9. Глаголев Н.М., Водолажченко В.В., Куриц А.А., Бартош Е.Т. Тепловозные двигатели и газовые турбины. – М.: Транспорт, 1965. – 403 с. 10. Дутовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топли- вам и их продуктам сгорания. – М.: Госэнергоиздат, 1962. – 285 с.