Тема 14. Технико-экономические показатели двс. Тепловой баланс двигателя. Токсичность выхлопных газов двс.

Технико-экономические показатели ДВС

Выражение индикаторной мощности двигателя, Вт, имеет вид

N_i=(z/τ) ∙ L_in_o, (120)

где п_о — частота вращения вала, об/с; z — число цилиндров; τ — коэффициент тактности (для четырехтактного двигате­ля τ = 2, для двухтактного τ = 1); L_i — индикаторная работа, совершаемая в од­ном цилиндре за один цикл, Дж:

L_i=p_iV_n (121)

Здесь p_i — среднее индикаторное давле­ние, представляющее собой такое услов­но-постоянное давление, которое, дейст­вуя на поршень в течение одного хода, совершает работу, равную работе газов за весь цикл.

Графически оно определяется высо­той прямоугольника (рис. 43), площадь и основание которого соответственно равны площади и длине индикаторной диаграммы.

Рис. 43. Индикаторная диаграмма ДВС

Индикаторный КПД есть доля под­веденной теплоты Q, превращенной в ин­дикаторную работу, т. е.

η_i= N_i/Q= N_i /BQ_i^r (122)

где В — секундный расход топлива, кг/с; Q_i^r — низшая теплота сгорания, Дж/кг.

Индикаторный КПД у карбюратор­ных двигателей η_i = 0,25÷0,40; у дизе­лей η_i = 0,40÷0,53.

К эффективным показателям отно­сятся эффективная мощность, эффектив­ный и механический КПД и удельный эффективный расход топлива.

Эффективная мощность (N_e) — это мощность на валу двигателя, она меньше индикаторной мощности на механические потери в узлах трения дви­гателя, а также мощности, расходуемой на привод вспомогательных механизмов и агрегатов.

Тепловой баланс двигателя

Распределение теплоты, подведенной к двигателю с топливом, на полезно ис­пользованное и потери, дает тепловой ба­ланс двигателя, который называется внешним тепловым балан­сом. Обычно он составляется для 1 кг жидкого или 1 м³ газообразного топлива. В общем виде тепловой баланс двигате­ля можно записать следующим образом:

Q_i^r= Q_e+ Q_г + Q_охл + Q_ост (123)

где Q_e — теплота, превращенная в эф­фективную работу; Q_г — теплота, уне­сенная отработавшими газами; Q_oxл — теплота, отведенная охлаждением двига­теля; Q_ост — остаточные, трудноопреде­лимые потери (от химической и механи­ческой неполноты сгорания и др.).

В уравнении отсутствует сла­гаемое, учитывающее затраты теплоты топлива на механические потери Q_мех. Это объясняется тем, что основное коли­чество теплоты механических потерь (трения) отводится охлаждающей водой и маслом и входит в Q_oxл, а некоторая ее часть включается в остаточные по­тери.

Отдельные составляющие теплового баланса зависят от нагрузки двигателя. По мере снижения нагрузки от полной до 50 % эффективный КПД меняется незна­чительно, на 2 — 3 % своего максималь­ного значения, но затем резко падает (до нуля на холостом ходу).

Значительная часть теплоты (до 70 %) теряется с отработавшими газами и с охлаждающей водой (или с воздухом при воздушном охлаждении). Экономич­ность ДВС можно значительно повысить, если использовать эту теплоту, напри­мер, для горячего водоснабжения.

Токсичность выхлопных газов ДВС

Двигатели внутреннего сгорания се­годня являются основными загрязните­лями воздушного бассейна. В ФРГ, на­пример, автомобильный транспорт, по­требляя 12 % общего расхода топлива в стране, дает 50 % общего количества вредных выбросов. Особенно плохо, что основная масса выхлопных газов от ав­томобилей выбрасывается в местах с вы­сокой концентрацией людей (городах), причем на уровне роста человека (осо­бенно детей), где газы не рассеиваются на большие расстояния. В выхлопных газах ДВС содержатся твердый углерод (сажа), который является адсорбентом токсичных, в том числе канцерогенных веществ, оксиды азота NO_x, углеводоро­ды С_nН_m оксид углерода СО и альдеги­ды, а при работе на этилированном бен­зине — и крайне токсичные соединения свинца. Содержание указанных соедине­ний в выхлопных газах зависит от типа двигателя, его состояния и регулировки, режима работы, применяемого топлива и др. Например, содержание NO_x в отра­ботавших газах дизелей и карбюратор­ных двигателей практически одинаково (до 2,5 г/м³), в то время как выброс СО в карбюраторных двигателях (до 14 г/м³) в 4 раза выше, a C_nH_m (до 1,4 г/м³) в 2 раза ниже, чем в дизелях.

Сажа, углеводороды, оксид углерода и альдегиды образуются в результате неполного сгорания топлива, связанного либо с недостатком кислорода в рабочей смеси, либо с плохим смесеобразовани­ем. Первое особенно характерно для бен­зиновых двигателей, когда карбюратор вырабатывает богатую смесь на режи­мах холостого хода и торможения. Дизе­ли всегда работают со значительным из­бытком воздуха, поэтому выброс СО у них невелик, зато в отработавших га­зах много углеводородов, и особенно са­жи, обусловливающих дымность газов.

В различных странах мира введены стандарты на выделение двигателями токсичных веществ. Например, согласно ГОСТ 17.2.2.03—77 содержание оксида углерода в отработанных газах бензиновых двигателей не должно превышать 1,5—2 % на минимальных оборотах. В ближайшее время следует ожидать расширения номенклатуры нормируемых вредностей в отработавших газах, и пре­жде всего канцерогенных веществ.

Совершенствование рабочего процес­са и конструкции ДВС направлено пре­жде всего на качественную подготовку рабочей смеси, равномерное распределе­ние ее по цилиндрам и полное сжигание. Так, в последнее время появилось регу­лирование карбюратора по параметрам отработавших газов с помощью элек­тронных компьютеров.

Все более широкое применение на­ходят устройства для нейтрализации токсичных компонентов в выпускной системе двигателя, тем более что их можно применить на действующем парке машин. Наибольшее распространение получает каталитическое «дожигание» отработавших газов, обеспечивающее высокую степень нейтрализации СО и C_nH_m.

Сегодня на нашей планете имеется свыше 400 млн. автомобилей, их число постоянно растет и, по прогнозу, к 2000 г. достигнет 700 млн. единиц. В связи с возрастающим потреблением горючего из нефти, запасы которой огра­ничены, сейчас ведется интенсивный по­иск заменителей нефтяного топлива, ко­торое к тому же сильно загрязняет среду обитания человека.

Хорошие перспективы с точки зрения снижения загрязнения окружающей сре­ды имеет газовое топливо: пропан-бута-новая смесь, получаемая при нефтепе­реработке, и сжиженные природные газы.

Газовоздушная смесь сгорает в ци­линдре двигателя более полно, чем бензиновоздушная, и при этом образует­ся меньше вредных веществ, в частности оксида углерода.

Газовое топливо не требует ради­кальной переделки конструкции двигате­ля, а требует лишь его дооборудования специальной аппаратурой. Запас газа в сжиженном или сжатом состоянии на­ходится на автомобиле в специальных баллонах, размещаемых обычно под кузовом.

Вопросы для самопроверки

1. Написать формулу для внешнего теплового баланса?

2. Что такое эффективная мощность?

Модуль 9 Повышение эффективности использования топливоэнергетических ресурсов.