Нейтрализация токсичных компонентов

Нейтрализация токсичных  компонентов в отработавших газах  ДВС 
 
Туда обязательно должна войти информация как по двигателям с качественным регулированием, так и с количественным. (Кстати, четко разберитесь в чем разница). Необходимо рассмотреть также методы снижения токсичности через влияние на рабочий процесс двигателя (рециркуляция, сжигание обедненных смесей, и особенно добавку воды). Все исполнительные устройства должны быть хорошо описаны, их принцип работы изучен.

Справка:

Двигатель с качественным регулированием-регулирование двигателя внутреннего сгорания, при котором изменение мощности и крутящего момента двигателя происходит вследствие изменения количества подаваемого топлива при неизменном количестве воздуха, поступающего в двигатель за один цикл, т. е. вследствие изменения коэффициента избытка воздуха.

Двигатель с количественным регулированием-регулирование двигателя внутреннего сгорания при котором изменение мощности и крутящего момента двигателя происходит вследствие изменения количества поступающего в двигатель воздуха при неизменном значении коэфф. избытка воздуха. Регулирование, близкое к количественному регулированию двигателя, применяется в авиационных двигателях легкого топлива, у которых изменение мощности и крутящего момента происходит в основном вследствие изменения давления на впуске и в небольшой мере вследствие изменения коэффициента избытка воздуха.

Образование токсичных веществ

Образование токсичных веществ - продуктов неполного сгорания и  окислов азота в цилиндре двигателя  в процессе сгорания происходит принципиально различными путями. Первая группа токсичных веществ связана с химическими реакциями окисления топлива, протекающими как в предиламенный период, так и в процессе сгорания-расширения. Вторая группа токсичных веществ образуется при соединении азота и избыточного кислорода в продуктах сгорания. Реакция образования окислов азота носит термический характер и не связана непосредственно с реакциями окисления топлива. Поэтому рассмотрение механизма образования данных токсичных веществ целесообразно вести раздельно.

Ограничимся рассмотрением  образования продуктов сгорания углеводородных топлив. которые в настоящее время являются наиболее распространенными видами топлива для двигателей внутреннего сгорания. Основными токсичными веществами — продуктами неполного сгорания в этом случае являются сажа, углеводороды, альдегиды.

Сажа. При сгорании углеводородных топлив в различных горелках и  двигателях внутреннего сгорания в  отработавших газах может содержаться  твердый углеродный продукт в  дисперсном состоянии (сажа). Другие твердые углеродистые соединения (пироуглерод и нитевидный углерод) обычно в отработавших газах не содержатся, так как образование их происходит на твердых поверхностях  (Образование сажи представляет собой объемный процесс термического разложения  углеводородов в газовой фазе в условиях сильного недостатка окислителя )

Альдегиды. В дизелях альдегиды  образуются в период предпламенных реакций (их называют также холодным пламенем). Альдегиды и перикиси являются типичными продуктами этих реакций [2]. При образовании альдегидов выделяется тепло. В процессе самовоспламенения топлива они активной роли не играют. Как в дизелях, так и в двигателях с искровым зажиганием могут образоваться альдегиды, если часть процесса сгорания протекает при низких температурах, что наблюдается при охлаждении смеси холодными поверхностями камеры сгорания пли при сгорании очень обедненной смеси в конце процесса сгорания в двигателях с послойным смесеобразованием. В процессе сгорания, происходящем при высоких температурах, альдегиды могут сгорать.

Углеводороды. В отработавших газах двигателей содержится свыше двухсот различных углеводородов  в то же время теоретические расчеты (из условий равновесия) показывают,  что углеводороды в отработавших газах не должны содержаться. В действительности даже в двигателях с искровым зажиганием топливовоздушная смесь не является гомогенной. Температура в процессе сгорания смеси различна по объему камеры, что изменяет условия сгорания.

В ряде исследований было также  установлено, что вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания происходит гашение пламени. Это приводит к замедлению или исключению реакций горения в части смеси, находящейся в зоне гашения. Фотографирование процесса сгорания в четырехтактном бензиновом двигателе через кварцевое окно в головке цилиндра позволило определить толщину зоны гашения в пределах 0,05—0,38 мм.

Методы воздействия на рабочий процесс

Двигатели с искровым зажиганием. Для уменьшения выделения токсичных веществ  двигателями с искровым зажиганием необходимо предотвратить попадание в атмосферу углеводородов, обусловленное испарением из топливной системы и выбросами с картерными газами, а также резко уменьшить содержание основных токсичных компонентов (СО, СН, NO и свинца) в отработавших газах. Главным источником выделения токсичных веществ являются отработавшие газы, причем их состав непосредственно зависит от качества смесеобразования и сгорания.

Природа образования СО, СН, N0, содержащихся в отработавших газах, различна, поэтому при рассмотрении возможностей воздействия на рабочий процесс двигателя разделим токсичные компоненты на группы: 1) продукты неполного сгорания (СО и СН); 2 )окислы азота; 3)соединения свинца.

Анализ физико-химических основ образования и выделения  СО и СН показывает,  что основными  причинами, приводящими к появлению  их в отработавших газах двигателя, являются недостаток  кислорода. Наличие в цилиндре зон пониженной температуры, в которых происходит или обрыв цепей окисления углеводородов, или очень существенное замедление реакций; вялое сгорание или даже пропуски воспламенения в отдельных циклах.

Недостаток кислорода  в процессе сгорания может быть обусловлен как регулировкой карбюратора (или системы подачи топлива) на обогащенную смесь, так и низким качеством смесеобразования (неоднородность топливовоздушной смеси, наличие жидкой пленки топлива во впускном трубопроводе, неоднородность распределения топлива по отдельным цилиндрам многоцилиндрового двигателя, цикловая неоднородность).

Объем газа в зоне гашения  зависит от размеров цилиндра, степени  сжатия, формы камеры сгорания, наличия вытеснителей. Кроме того, в отдельных элементах объема камеры сгорания вследствие неоднородности состава топливовоздушная смесь может оказаться вне пределов воспламеняемости. Это также приводит к появлению зон пониженной температуры с высоким содержанием углеводородов.

Таким образом, для уменьшения выделения токсичных продуктов неполного сгорания с отработавшими газами необходимо:

обеспечивать работу двигателя  на различных эксплуатационных режимах на обедненной смеси;

улучшать качество смесеобразования (гомогенизацию смеси, распределение  топливовоздушной смеси по отдельным  цилиндрам, циклам);

уменьшать объем топливовоздушной смеси или топлива в зоне гашения;

уменьшать цикловую неравномерность, повышая качество смесеобразования или совершенствуя систему зажигания;

не допускать сильного разбавления топливовоздушной смеси  остаточными газами.

Расчетно-экспериментальное  исследование образования N0 в цилиндре двигателей показало, что максимальные достигнутые в процессе сгорания концентрации N0 во всех случаях (за исключением работы двигателя на богатой смеси) сохраняются неизменными в процессе расширения и выпуска. Поэтому единственная возможность сократить выделение N0 заключается в том, чтобы предотвратить или уменьшить окисление азота в зоне продуктов сгорания в период сгорания.

Установлено, что количество образовавшейся N0 является функцией от температуры, концентрации молекулярного  и атомарного кислорода, а также от времени реакции. На общее время реакции, которое определяется главным образом частотой вращения коленчатого вала двигателя и продолжительностью процесса сгорания, воздействовать можно лишь в ограниченных пределах. Для существенного уменьшения выделения N0 практически имеются два пути: снижение температур в процессе сгорания и проведение его с недостатком кислорода в зоне сгорания. Возможна также комбинация этих двух методов.

Снизить температуры в  камере сгорания и в зоне продуктов  сгорания можно одним из приведенных  способов.

1. Увеличением или уменьшением а относительно величины, при которой имеет место максимальная температура. По данным рис. 20 видно, что максимальная температура (с учетом диссоциации) соответствует ал;0,9. Необходимо учитывать, что при изменении а изменяется и концентрация кислорода, что влияет на выделение N0. Поэтому максимальная концентрация NO.xимеет место при a= 1,05-1,10 (рис. 32, б).
2. Увеличением в цилиндре двигателя инертной доли заряда, не участвующей в процессе сгорания, но забирающей часть теплоты от сгорания топлива (например, увеличением количества остаточных газов в цилиндре, добавкой к воздуху воды и т. д.).
3. Уменьшением опережения зажигания, что приводит к сгоранию топлива при больших объемах цилиндра, а следовательно, при меньших температурах.

Уменьшить поступление кислорода  в зону реакции (при использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха) можно только одним путем: общим или местным обогащением смеси. При этом будет также изменяться и температура сгорания.

Уменьшение концентрации кислорода и увеличение концентрации продуктов полного сгорания в выпускной системе свидетельствуют о том, что в ней происходят окислительные реакции.

Поэтому повышение температуры  газов в конце   процесса расширения из-за изменения угла опережения зажигания может существенно уменьшить концентрацию СН. Концентрация СО при этих условиях также может быть несколько уменьшена.

Влияние угла опережения зажигания  на концентрацию NO_. При работе двигателя на обедненных углеродом  смесях , уменьшением угла опережения зажигания резко снижается концентрация NO в отработавших газах. Это связано с понижением максимальной температуры цикла, которая в данном случае ограничивает выход окислов азота. При работе двигателя на обогащенных смесях углеродом выход окислов азота   ограничивается   недостатком свободного кислорода   в продуктах сгорания.

На выделение токсичных  веществ двигателем с искровым зажиганием большое влияние оказывают состав смеси и угол опережения зажигания. Подбирая оптимальные в отношении токсичности значения указанных параметров, можно значительно уменьшить выделение токсичных веществ. Это в равной мере относится и к карбюраторным двигателям, и к двигателям с непосредственным впрыском. 

При повышении степени сжатия двигателя с искровым зажиганием токсичность отработавших газов несколько возрастает из-за повышения концентраций окислов азота (при регулировках на обедненную смесь) и несгоревших углеводородов.

В дизелях, особенно без наддува, коэффициент избытка воздуха  при работе дизеля по нагрузочной  характеристике изменяется в широких  пределах; объясняется это качественным регулированием. 

У дизеля с наддувом концентрация окислов азота в отработавших газах при номинальной нагрузке почти в 2 раза меньше, чем у дизеля без наддува. Это можно объяснить следующими причинами. Дизель с наддувом имеет большую по сравнению с дизелем без наддува продолжительность впрыска топлива (при одинаковых конструктивных параметрах топливной аппаратуры). Чем позже топливо сгорает в процессе расширения, тем ниже максимальная температура цикла. Кроме того, при растягивании процесса сгорания по времени увеличивается теплоотдача от газов к стенкам, что также понижает температуру цикла. Чем ниже максимальная температура цикла при постоянном коэффициенте избытка воздуха, тем меньше окислов азота образуется в процессе сгорания топлива.

Содержание сажи в отработавших газах дизеля с наддувом в 3 раза больше, чем у дизеля без наддува. Это объясняется 88тем, что у дизеля, форсированного по наддуву, ввиду более  высоких значений давления и температуры  конца сжатия меньше период задержки воспламенения. Значит большее количество топлива впрыскивается в зону сгорания и сгорает в диффузионном пламени при недостатке кислорода. Это приводит к образованию большого количества сажи и уменьшает образование окислов азота у дизеля с наддувом.

Повышенное содержание сажи в отработавших газах дизеля с  наддувом, по сравнению с вариантом  без наддува, указывает на то, что  при форсировании дизеля по наддуву  необходимы более тщательная доводка  процесса смесеобразования и сгорания, усиление перемешивания горючей смеси при сгорании в целях лучшего выгорания сажи.

Необходимо отметить, что  образование N0 в цилиндре дизеля зависит главным образом от локальных условии, т. е. от температуры и состава смеси в зоне сгорания основной массы топлива.

Для уменьшения выделения  окислов азота в настоящее  время широко применяется рециркуляция отработавших газов. При этом уменьшается максимальная температура цикла. В карбюраторных двигателях снижение температуры происходит вследствие уменьшения цикловой подачи топлива (уменьшается заряд свежей топливовоздушной смеси), а также из-за большей удельной теплоемкости продуктов сгорания по сравнению с воздухом. В дизелях снижение температуры происходит главным образом по второй причине. Кроме того, наличие продуктов сгорания в цилиндре оказывает некоторое влияние на процесс сгорания. Уменьшение, температуры влияет также на концентрацию атомарного кислорода, что, в свою очередь, снижает скорость реакции образования NO. Ранее отмечалось, что основной реакцией образования является реакция окисления азота атомарным кислородом. Известно, что продолжительность первой фазы сгорания в карбюраторных двигателях в большой степени зависит от различных факторов, чем продолжительность основной фазы .Предполагая, что рециркуляция отработавших газов влияет только на первую фазу, определили из условия равенства опытных и расчетных концентраций N0 изменение начала видимого сгорания. Максимальное изменение в моменте начала видимого сгорания составляет около 3° поворота коленчатого вала.

Для карбюраторных двигателей известны две принципиально возможные  системы рециркуляции: с подачей  газов во впускной трубопровод в  процессе наполнения (обычная схема) и с подачей газов в цилиндр в конце процесса наполнения.

Существуют различные  схемы перепуска рециркулируемых  газов во впускной трубопровод, но обычно газы во впускной трубопровод подаются за дроссельной заслонкой, чтобы не нарушать процесс смесеобразования в   карбюраторе.

Количество перепускаемых  во впускную систему отработавших газов регулируется в зависимости от режима работы двигателя (от концентрации окислов азота). Максимальный перепуск соответствует режимам работы при открытой дроссельной заслонке.

При карбюраторном смесеобразовании введение рециркуляции отработавших газов во впускной трубопровод приводит также к уменьшению наполнения топливовоздушной смесью, т. е. к уменьшению цикловой подачи топлива.