Автомобильные двигатели

2. Використання газодинамічних явищ у газоповітряному тракті двигуна для поліпшення очищення і наповнення в зоні частот обертання, що відповідають максимальному крутному моменту.

3. Узгодження циклової  подачі палива зі зміною наповнення  циліндра при роботі двигуна за швидкісною характеристикою (корекція характеристики паливного насоса).

 

  ТЕМА 15 ПАРАМЕТРИ ШУМУ ДВЗ. ТОКСИЧНІСТЬ АВТОМОБІЛЬНИХ ДВИГУНІВ

15.1 Глушіння шуму

ДВЗ є джерелом дуже сильного акустичного шуму. Весь звуковий діапазон коливань від 16 Гц до 20 кГц поділяють на низькочастотний - до 400 Гц, середньочастотний - 400...1000 Гц і високочастотний - більш 1000 Гц. Найбільш розповсюдженими характеристиками звукових коливань є рівні інтенсивності звуку і звукового тиску. Весь діапазон рівня інтенсивності між порогом чутності і порогом болючого відчуття при частоті 1000 Гц складає близько 130 дБ. Рівень шуму ДВЗ може досягати 120 дБ. Джерелами шуму є вузли й агрегати, що визначають рівень шуму механічного походження, а також газодинамічні процеси.

Шум вузлів виникає внаслідок неврівноваженості обертових частин механізмів, наявності сил інерції і моментів цих сил, зіткнень у зчленуваннях. Найбільш інтенсивні складові в спектрі шуму звичайно кратні частоті обертання колінчастого вала. Конструктивні заходи, що знижують рівень цього шуму:

1. Зменшення зазору  між поршнем і циліндром.

2. Подовження юбки  поршня.

3. Використання дезаксіального  кривошипно-шатунного механізму.

4. Застосування безударних  кулачків у механізмі газорозподілу.

5. Формування камери  згоряння, що забезпечує плавний перехід від процесу стиску до процесу згоряння.

6. Застосування різних  прокладок, перегородок, капотування  двигунів і т.п.

Газодинаміческий шум, крім складових в області низьких  і середніх частот, може мати і високочастотні складові вихрового походження. Шум на впуску і випуску знижують за допомогою глушителів. Рівень шуму на випуску більше, ніж на впуску, тому що швидкість випускних газів більше.

Досить високий рівень шуму створюють агрегати турбонаддуву. У двигунах з наддувом унаслідок підвищеної витрати повітря рівень інтенсивності шуму впускних і випускних отворів звичайно вище відповідних рівнів шуму від інших джерел. Високочастотні складові газодинамічного шуму компресорів мають велику інтенсивність у порівнянні з інтенсивністю відповідних складових механічного шуму. Незважаючи на те, що їхні рівні інтенсивності нижче рівнів інтенсивності низькочастотної частини спектра, вони викликають більш неприємні відчуття в людини.

Для зниження шуму впуску застосовують спеціальні конструкції повітряочищувачів, резонансні розширювальні камери, м'які гофровані шланги.

За принципом дії  глушителі поділяють на активні  і реактивні. В активних звукова  енергія перетворюється в теплоту  при проходженні хвилі через  опори (сітки, перегородки, звуковбираючі матеріали і т.п.). Реактивні глушителі являють собою розширювальну чи камеру ряд резонансних камер. У них відбувається зменшення амплітуди коливань унаслідок розширення потоку газу.

Малюнок 15.1 – Схеми активних глушителів

 

Реактивні глушителі  ефективно заглушають низькочастотний шум, а активні – високочастотний, тому в сучасних двигунах використовують комбінацію обох типів. Конструкцію глушителя і його розміри розраховують для конкретної моделі двигуна, а остаточно параметри системи шумоглушіння визначаються в процесі випробувань і доведення двигунів.

Малюнок 15.2 – Схеми реактивних глушителів

15.2 Основні шкідливі речовини, що  виділяються при роботі ДВЗ

Джерелами викидів шкідливих  речовин є вихлопні, картерні гази і пари палива.

До складу відпрацьованих газів входять близько 200 компонентів. Усі ці речовини, подібні по характеру впливу на організм людини чи близькі за хімічною структурою і властивостям, поділяють на 6 груп. У першу групу входять нетоксичні речовини.

Склад відпрацьованих газів двигуна

1. N₂, O₂, H₂O, і З₂ – нетоксичні речовини.

2. CO – окис вуглецю.  Окис вуглецю утвориться в  циліндрі двигуна в стадії  холоднополум'яного процесу (перед початком видимого горіння). СО є проміжним продуктом розкладання альдегідів. Виділення СО сильно залежить від складу суміші. Дизелі виділяють меншу кількість окису вуглецю в порівнянні з карбюраторними двигунами, однак при збільшенні навантаження концентрація СО усе-таки зростає.

3. Окисли азоту  NО_x, що включають окис NO і двоокис NO₂ азоту. Окисли азоту утворюються в результаті термічної реакції окислювання азоту, що надійшов у циліндр із повітрям, під дією високої температури і тиску.

4. Вуглеводні C_nH_m: алкани, алкєни, циклани й ароматичні вуглеводні, в які входить канцерогенна речовина – бенз(а)пирен. У двигуні бенз(а)пирен починає утворюватися при температурі 400°С. Збідніння пальної суміші приводить до деякого зниження викидів вуглеводнів, однак при цьому підвищується кількість окислів азоту.

5. Альдегіди. Детонаційне  горіння сприяє утворенню альдегідів і канцерогенних ароматичних вуглеводнів.

6. Сажа. Виділення сажі  характерне для дизельних двигунів. Шкідливість сажі полягає в  тому, що вона здатна адсорбувати  канцерогенні речовини, що містяться  в відпрацьованих газах. Крім  того, неприємна дія на людину робить димність і запах відпрацьованих газів, з великою кількістю сажі.

7. Антидетонаційні добавки  в паливі у виді тетраетилсвинця  приводять до викидів з'єднань  свинцю.

8. І дизелі, і бензинові  двигуни викидають в атмосферу  досить велику кількість диоксида сірки SO₂.

Збіднення пальної суміші приводить до деякого зниження викидів  вуглеводнів, однак при цьому  підвищується кількість окислів  азоту. Детонаційне горіння сприяє утворенню альдегідів і канцерогенних  ароматичних вуглеводнів.

Дизелі виділяють меншу кількість окису вуглецю в порівнянні з карбюраторними двигунами, однак при збільшенні навантаження концентрація СО усе-таки зростає. Трохи менше в них і викиди NO_x, і C_nH_m. У той же час у камерах згоряння відбувається піроліз палива з утворенням вуглецю у виді сажі. Зі збільшенням навантаження і збагаченням суміші кількість сажі у вихлопних газах зростає. У процесі самозапалювання утворяться також альдегіди, що також викидаються з відпрацьованими газами.

Головним техногенним  джерелом забруднення атмосфери в усьому світі є транспортні засоби, причому більш 80% основних викидів у великих містах дає автомобільний транспорт. Наприклад, в Україні внесок автотранспорту в загальне забруднення повітря складає для Києва до 78%, для Одеси - до 62%, для Харкова - до 68%. Автомобільні двигуни внутрішнього згоряння забруднюють атмосферу шкідливими речовинами, що викидаються з вихлопними газами, картерними газами і паливними випарами. При цьому 95...99% шкідливих викидів приходиться на вихлопні гази, що представляють собою аерозоль складу, який залежить від режиму роботи двигуна і складу суміші.

Ще в 1970 р. у СРСР затверджений стандарт (ГОСТ 16533-70) на обмеження викидів  СО з відпрацьованими газами, на режимі холостого ходу двигуна (до 4,5% СО у загальному викиді з ВГ). З 1974 року діє галузевий стандарт (ОСТ 37.001.054) на обмеження викиду трьох компонентів: СО, СН і NО_x.

Для розрахунку суспільного  економічного ефекту від переходу транспорту на нешкідливий азот можна скористатися підходом ВНИИЭгазпрома. Економічний ефект для суспільства в цілому від упровадження стопроцентно екологічно чистого азотного автотранспорту приймається рівним відверненому збитку в результаті зниження викидів в атмосферу еквівалентного забруднювача - СО. Основні види забруднювачів інших видів перераховуються в еквівалентну кількість СО відповідно до їхньої відносної токсичності і перераховані в таблиці 15.1. Перелічені кількості потім складаються.

 

Таблиця 15.1 – Склад  вихлопних газів ДВЗ і їхня токсичність

Показники	СО	СnНm	NOz	Сажа	Бенз(a)пірен
Межі концентрації, мг/м3	3.0	1.5	0.04	0.05	10-6
Відносна токсичність	1.0	2.0	75	60	3×106

 

Загальний збиток розраховують формулою:

Y=MyR,

де М - сумарна кількість  еквівалентного забруднювача  атмосферного  повітря, тис. т;

у = $3000/(1000т х 1000 люд х рік) - питомий збиток від викиду еквівалентного забруднювача;

R - чисельність населення,  що піддається впливу забруднювача  в зоні радіусом 1 км від місця  викидів, тис. люд.

Питома еквівалентна кількість СО, що викидається в  міському циклі швидкісної їзди базовим автомобілем типу УАЗ-451М с витратою бензину 16 л /100 км, з урахуванням даних таблиці 15.1, складає близько 570 г/км. Приймаючи, що середньодобовий пробіг автомобіля при міській їзді дорівнює 150 км, а в році 310 робочих днів, одержимо, що річна кількість викидів в атмосферу еквівалентного забруднювача одним базовим автомобілем складе близько 26 тонн. При цьому річний пробіг автомобіля складе майже 47 тис.км.

Чисельність населення, що піддається впливу забруднювача в  зоні радіусом 1 км від місця викидів залежить від щільності міського населення в місцях експлуатації транспортного засобу. Для оцінки приймемо, що середня щільність населення в зоні радіусом 1 км від місця викидів складає 20 тис.люд./км². У цьому випадку виявляється, що впливу забруднювача піддається до 63 тис.люд. Таким чином, річний збиток від експлуатації базового варіанта автомобіля на бензині в міському циклі швидкісної їзди складає Y= 4914$/рік, а питомий збиток на 1 км пробігу базового автомобіля дорівнює відповідно 10.6 цента/км

15.3 Нейтралізація випускних газів

Зниження рівня викидів  токсичних речовин з випускними газами двигунів можна досягти такими способами:

1. Правильною організацією  робочого процесу, у першу чергу  процесів сумішоутворення і згоряння.

2. Оснащення двигуна системами нейтралізації випускних газів.

3. Застосуванням палив,  у продуктах згоряння яких  міститься мінімальна кількість  токсичних речовин.

Застосовувані в даний  час способи впливу на робочий  процес приводять найчастіше до зниження потужності двигунів і збільшенню витрати палива.

У термічних і каталітичних нейтралізаторах відбуваються хімічні  реакції, у результаті чого зменшується  концентрація газових компонентів  токсичних речовин. Механічні і  водяні очисники застосовують для очищення випускних газів від механічних часток (сажі) і крапельок масла (як правило, у стаціонарних двигунах).

Термічний нейтралізатор  являє собою камеру згоряння, що розміщається у випускному тракті для  допалювання продуктів неповного  згоряння палива (C_nH_m і СО). Він може встановлюватися на місці випускного трубопроводу і виконувати його функції. Реакції окислювання СО і C_nH_m протікають при температурах понад 830^оС і при наявності кисню. Термічні нейтралізатори застосовують на двигунах із примусовим запаленням. Висока температура газів у цих двигунів забезпечує догорання частини C_nH_m і СО, концентрація яких вище, ніж у дизелів. Викиди СО і C_nH_m знижуються на 60...80%. Власне кажучи, термічний нейтралізатор являє собою жарову трубу, у якій організований процес інтенсивного вихроутворення з подачею додаткового повітря.

У каталітичних окисних  нейтралізаторах з каталізаторами з платини, родію, палладія висока швидкість  окислювання CO і C_nH_m забезпечується при температурах 300...580^оС. Каталізатор наносять на поверхню керамічних кульок чи ін. тіл і поміщають у корпус, яким може бути навіть глушитель шуму випуску. Вдається окислити до 80% CO, C_nH_m і відновити NO_x. На жаль, застосування этилованих бензинів приводить до виходу каталізаторів з ладу.

Для зменшення викидів  шкідливих речовин з картерними газами застосовують закриті системи вентиляції картера, у яких гази, що прориваються з камери згоряння, направляються у впускний трубопровід двигуна.

Зниження забруднення  навколишнього середовища можливо  і при використанні як паливо етилового  чи метилового спирту. Застосування їх у двигунах із примусовим запаленням знижує викиди NO_x, CO, C_nH_m. При цьому трохи зростає викид альдегідів.

 

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

 

1. Автомобільні двигуни  /І.І.Тимченко, Ю.Ф.Гутаревич, К.Є.Долганов, М.Р.Муждобаєв. -Х.:Основа, 1995. -464с.

2. Двигатели внутреннего  сгорания /Хачиян А.С., Морозов К.А.,   Луканин В.Н. и др. -М.:Высш.шк., 1985. -311с.

3. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пособие для вузов. / А.И.Колчин, В.П.Демидов – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2002. – 496 с.

4. Автомобильные двигатели /Под ред. М.С.Ховаха. –М.: Машиностроение,1977. –591с.

5. Двигатели внутреннего  сгорания: Устройство и работа  поршневых и комбинированных  двигателей /В.П.Алексеев, В.Ф.Воронин,  Л.В.Грехов и др. -М.:Машиностроение, 1990. -288c.

6. Двигатели внутреннего  сгорания. Теория поршневых и   комбинированных двигателей/ Д.Н.Вырубов,  Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. -М.:Машиностроение, 1983. -372с.

7. Двигатели внутреннего  сгорания: Системы поршневых и  комбинированных двигателей /С.И.Ефимов, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. -М.:Машиностроение, 1985. -456c.

8. Двигатели внутреннего  сгорания: Конструирование и расчет  на прочность поршневых и комбинированных  двигателей/ Д.Н.Вырубов, С.И.Ефимов,   В.И.Ивин и др. -М.:Машиностроение, 1984. -384с.

9. Чистяков В.К. Динамика  поршневых и комбинированных  двигателей внутреннего сгорания. -М.:Машиностроение, 1989. -256с.