Нейтрализация токсичных компонентов

При рециркуляции вследствие разбавления топливовоздушного  заряда продуктами сгорания процесс  сгорания протекает несколько хуже, концентрации СО и СН в отработавших газах немного увеличиваются. Необходимо предпринимать специальные меры для их уменьшения. снижение N0 при сочетании рециркуляции   и   изменения опережения зажигания обеспечивает   лучшую   экономичность двигателя, чем при изменении только угла опережения зажигания. Специальные исследования показали , что перепуск части отработавших газов во впускную систему не только уменьшает выделение NO, но и существенно снижает износ поршневых колец двигателя. При работе двигателя   практически   на любом установившемся режиме перепуск   12%   отработавших газов во впускную систему уменьшал износ поршневых колец примерно на 90%. Рециркуляция 12% отработавших газов при работе двигателя в условиях, имитирующих городское движение, привела к уменьшению износа поршневых колец примерно на 50%. Износ поршневых колец зависит от максимальной температуры цикла. Однако физическая сущность процессов, приводящих к уменьшению износа, пока еще не объяснена. Возможно, это связано с уменьшением коррозионного износа колец из-за уменьшения концентрации N0.

При работе двигателя на этилированном  бензине в системе рециркуляции и камере сгорания образуются отложения (нагар), которые содержат главным образом свинец, но точный состав их неизвестен. Отложения в калиброванных отверстиях системы перепуска приводят к нарушению ее нормальной работы.

Для улучшения эффективных  показателей двигателя целесообразно отработавшие газы подавать в цилиндр в конце процесса наполнения. При этом будет происходить как бы наддув отработавшими газами. 

При подаче отработавших газов на впуск было получено в  некоторых случаях существенное уменьшение выделения N0, однако при  этом ухудшаются эффективные показатели дизелей (за исключением режимов  малых нагрузок). Уменьшение выделения NO на 50% сопряжено для предка мерного дизеля с ухудшением экономичности, примерно на 7%.

Наибольшее относительное  уменьшение концентрации NО наблюдается при малых и средних нагрузках. При больших нагрузках эффект от рециркуляции отработавших газов значительно меньше (снижение выделения NO в 2—2,5 раза). Кроме того, рециркуляция увеличивает расход топлива и выделение окиси углерода.

Опыты показали , что рециркуляция отработавших газов в двухкамерных дизелях меньше влияет на выделение NO , чем в однокамерных. Это подтверждается результатами исследований дизеля с вихревой камерой .С увеличением нагрузки эффективность действия рециркуляции отработавших газов на выделение NO уменьшается и при нагрузке свыше 75% номинальной становится практически равной нулю. Эффективность рециркуляции зависит также от угла опережения впрыска топлива.

Очевидно, на концентрацию окислов  азота при рециркуляции отработавших газов большое влияние оказывает способ смесеобразования, коэффициент избытка воздуха, температура перепускаемого газа.

Применение рециркуляции приводит к существенному увеличению дымности, а также содержания продуктов неполного сгорания в отработавших газах.

Эффективность добавления воды к воздуху или топливу для  улучшения различных показателей  двигателей внутреннего сгорания изучается в течение многих лет . Применение воды рассматривается в данном разделе главным образом с точки зрения уменьшения выделения окислов азота, снижение которых является наиболее трудной задачей.

Добавление воды к топливовоздушному  заряду приводит к снижению максимальной температуры сгорания, что обусловлено затратами на испарение воды и нагрев ее паров (удельная теплоемкость водяного пара выше теплоемкости воздуха).

Присадку воды к воздуху  можно осуществить впрыском как во впускной трубопровод, так и в цилиндр. Последнее значительно усложняет системы впрыска, но позволяет осуществлять впрыск в локальные объемы заряда, что может дать больший эффект в снижении выделения окислов азота

При впрыске во впускной трубопровод  происходит также увеличение коэффициента наполнения цилиндра из-за некоторого охлаждения воздуха (или смеси) на впуске в цилиндр. Как для дизелей, так и для карбюраторных двигателей, вода может быть добавлена к топливу с образованием водно-топливных эмульсий. Расчеты равновесного состава продуктов сгорания углеводородных топлив, выполненные как для впрыска воды, так и без него, показали, что впрыск воды не изменяет равновесных концентраций NO. Поэтому при впрыске воды концентрация N0 в цилиндре двигателя снижается только вследствие уменьшения максимальной температуры.

При использовании впрыска  воды несколько уменьшаются требования к октановому числу топлива.

При добавке воды к бензину  ее содержание в эмульсии обычно не превышает 15% , хотя стабильные водно-бензиновые эмульсии могут содержать до 40% воды.

Добавление воды к бензину  более резко повышает его октановое число, чем впрыск воды во впускной трубопровод . Кроме того, исследования, проведенные при сгорании водно-бензиновых эмульсий с помощью меченых атомов, показали, что кислород воды, содержащейся в эмульсин, участвует в процессе сгорания топлива.

При работе на топливоводяных эмульсиях удельный эффективный расход топлива несколько уменьшается . Уменьшение расхода топлива наблюдается при содержании в нем 7— 15% воды и не превышает 4% . Однако срок службы деталей топливной аппаратуры и цилиндропоршневой группы уменьшается.

На выделение токсичных  веществ  двигателями влияет большое число различных факторов: режим работы, температура деталей камеры сгорания, нагарообразование, износ цилиндропоршневой группы, состояние топливоподающей системы и системы зажигания.

серьезное внимание при уменьшении токсичности двигателей надо уделять  переходным режимам; торможению и замедлению. Очевидно также, что соответствующей  организацией движения автомобильного транспорта в городах можно добиться значительного уменьшения загрязнения атмосферы.

в чистом виде влияние частоты вращения коленчатого вала на выброс токсичных веществ при испытании многоцилиндровых серийных двигателей не представляется возможным. Это связано с тем, что при работе двигателя по скоростным характеристикам изменяется ряд параметров, определяющих протекание рабочего процесса .

В процессе эксплуатации двигателя  на стенках камеры сгорания образуется нагар. При работе на этилированных бензинах нагар практически не влияет на выделение окиси углерода и окислов азота, но увеличивает (на 5—10%) концентрацию в отработавших газах несгоревших углеводородов в зависимости от типа двигателя, условий работы и состава топлива. При работе двигателя на неэтилированном бензине образование нагара практически не влияет на концентрацию СН в отработавших газах. Возможно, соединения свинца, содержащиеся в нагаре при работе двигателя на этилированном бензине, оказывают ингибирующее действие на реакции окисления углеводородов.

Температура стенок камеры сгорания (средняя) зависит от способа охлаждения двигателя (водяное или воздушное) и от наличия или отсутствия охлаждения поршня. Кроме того, на нее влияют особенности конструкции упомянутых деталей, а также температура  охлаждающей жидкости, условия окружающей среды, регулировки двигателя и режим его работы. При повышении температуры стенок улучшаются условия протекания реакций окисления топлива в пристеночных зонах (зонах гашения) и возрастают температуры газа в цилиндре (уменьшается отвод тепла в стенки). При повышении температуры охлаждающей жидкости в карбюраторном двигателе концентрация углеводородов снижается, причем тем сильнее, чем богаче смесь (больше углеводородов в объеме зоны гашения).

Специальное исследование позволило  установить, что уменьшение концентрации углеводородов при увеличении индикаторной мощности опытного одноцилиндрового карбюраторного двигателя от 1,5 до 9 кВт в значительной мере следует отнести за счет повышения температуры стенок камеры сгорания. Очевидно, температура в зоне гашения пламени существенно влияет на выделение углеводородов. Концентрация окислов азота с повышением температуры стенок возрастает. Это связано как с повышением максимальных температур цикла, так и с влиянием пограничного слоя.

При изменении температуры  охлаждающей жидкости двигателя с искровым зажиганием от 30 до 80° концентрация окислов азота возрастает на 0,05—0,07% .

Изменение параметров воздуха  на впуске (температуры t и давления р ) влияет на процесс сгорания, а следовательно, и на выделение токсичных веществ. концентрация окислов азота при работе двигателя на бедных смесях заметно возрастает при увеличении температуры до Т = 370-380 К, а затем начинает уменьшаться .

Содержание в  отработавших газах несгоревших  углеводородов зависит также от конструкции поршня и поршневых колец. Зазор между поршнем и цилиндром над первым поршневым кольцом  является дополнительным объемом зоны гашения, в котором процесс сгорания практически не происходит. Кроме того, размер замка поршневого кольца и его положение относительно свечи зажигания и выпускного клапана влияют на концентрацию СН в отработавших газах. При установке только одного компрессионного кольца содержание СН в отработавших газах снижается. Это объясняется тем, что больше несгоревшей топливовоздушной смеси прорывается в картер, вследствие чего снижается содержание СН в газах, выходящих из цилиндра.

При наличии нескольких компрессионных колеи (т. е. при более надежном уплотнении) пестревшая топливовоздушная смесь, находящаяся  в зазоре между поршнем и гильзой, а также в зазорах канавок поршневых колец, поступает в камеру сгорания и затем в выпускной трубопровод в процессе выпуска.

В результате чего содержание СН в отработавших газах возрастает. Для уменьшения объема зоны гашения в указанных зазорах целесообразно приблизить первое компрессионное кольцо к днищу поршня, спять па поршне широкую фаску, и применить поршневое кольцо специального типа. Содержание несгоревших углеводородов в отработавших газах двигателя при работе с поршнем измененной конструкции оказалось на 35—50% ниже (на различных режимах) но сравнению с двигателем, имеющим поршень обычной конструкции, но срок службы кольца измененной конструкции сократился. Таким образом, конструкция цилиндропоршневой группы двигателя с искровым зажиганием в значительной степени влияет на содержание токсичных веществ в отработавших газах.

При создании новых и совершенствовании  существующих двигателей необходимо предусматривать конструктивные меры, уменьшающие содержание токсичных веществ в отработавших газах. Однако необходимо помнить, что изменение степени сжатия и формы камеры сгорания может отразиться на удельных эффективных показателях и детонационных характеристиках двигателя. Поэтому при выборе конструктивных параметров двигателя для уменьшения его токсичности следует учитывать изменение и указанных выше характеристик.

Известно большое количество разнообразных камер сгорания и в дизелях. Их можно разделить па три группы: неразделенные, разделенные и полуразделенные. Последняя группа занимает промежуточное положение между двумя  первыми. Двигатели  с разделенными камерами имеют дополнительную камеру (вихревую или предкамеру), объем которой обычно не превышает 50% объема камеры сжатия. Все топливо впрыскивается в дополнительную камеру. Для процесса смесеобразования в значительной мере используется энергия воздуха, втекающего в камеру из цилиндра с большими скоростями. Коэффициент избытка воздуха в дополнительной камере оказывается меньше единицы (зависит от объема дополнительной камеры и общего а). Сгорание топлива начинается в дополнительной камере и происходит при недостатке кислорода, что, несмотря на сравнительно высокие температуры, препятствует образованию i\O_x. Кроме того, при разделенной камере из-за большой относительной поверхности ее увеличиваются потери теплоты от газов в стенки, что также способствует уменьшению образования NО  (из-за снижения температуры). В процессе сгорания топливовоздушная смесь и продукты сгорания вытекают из дополнительной камеры  в   цилиндр, где при большом избытке воздуха, но при пониженных температурах (из-за большого а), происходит сгорание оставшегося топлива и догорание продуктов неполного сгорания. Температуры недостаточно высоки для образования больших количеств NO. но достаточны для дожигания сажи и других продуктов неполного сгорания. Последнему способствует также хорошее перемешивание в цилиндре из-за больших скоростей вытекания газа при сгорании из дополнительной камеры. 

Низкое качество смесеобразования, неравномерное распределение смеси по цилиндрам, изменение состава смеси от цикла к циклу являются одной из причин существенного увеличения выделения токсичных веществ карбюраторными двигателями. Кроме того, через зазоры между стержнями впускных клапанов и их направляющими во впускную систему двигателя, особенно на режимах с прикрытой дроссельной заслонкой, поступает масло, что влияет на состав смеси, процесс сгорания и выделение токсичных веществ.

Для улучшения качества смесеобразования исследуют возможности применения предварительного смесеобразования (получения топливовоздушной смеси в специальных устройствах);  подогрева топливовоздушной смеси во впускной системе;  использования предварительного смесеобразования и подогрева; установки двойных впускных трубопроводов; применения специальных устройств для обеднения смеси на режимах холостого хода; совершенствования карбюраторов, замены карбюраторов на системы впрыска топлива; уплотнения стержней впускных клапанов .

Предварительное смесеобразование было исследовано на одноцилиндровом  двигателе с впрыском топлива  во впускной трубопровод . Для обеспечения предварительного смесеобразования во впускную систему двигателя последовательно включали два бака. Топливо впрыскивалось во впускную систему до баков. Перемешивание топлива с воздухом улучшается из-за изменения скоростей и направления движения воздуха в баках, а также из-за увеличения времени процесса смесеобразования. Опережение зажигания подбирали из условия создания максимального давления цикла в момент, соответствующий повороту коленчатого вала на 10° .Из результат исследовании следует, что при предварительном смесеобразовании концентрация СН ниже при всех значениях а, а концентрация NO ниже только для богатых смесей.

Увеличение концентрации NO при обычной системе смесеобразования в области богатых смесей является следствием наличия обедненных зон смеси, которые появляются из-за невысокого качества смесеобразования (негомогенности смеси).

Повышение концентрации СН при  отсутствии предварительного смесеобразования возможно из-за наличия жидкого топлива на стенках камеры сгорания или увеличенной толщины слоя зоны гашения вследствие меньшей скорости распространения пламени. Рассмотренный способ улучшения смесеобразования связан, однако, с усложнением конструкции впускной системы и топливовпрыскивающей   аппаратуры.

Подогрей впускного трубопровода приводит к улучшению смесеобразования (быстрее и полнее происходит испарение топлива). При этом выделение углеводородов и окиси углерода с отработавшими газами уменьшается, но выделение окислов азота увеличивается. При работе двигателя на режимах полностью открытой дроссельной заслонки и при большой частоте вращения коленчатого вала смесеобразование в карбюраторе довольно хорошее. Поэтому влияние подогрева на выделение СО и СН на таких режимах незначительно, а мощность двигателя падает из-за уменьшения коэффициента наполнения. В целях снижения токсичности двигателя подогревать впускной трубопровод целесообразно лишь на режимах холостого хода и малых нагрузок, особенно для двигателей с воздушным охлаждением.