2553
.pdf4.8. Токсические составляющие от двигателей внутреннего сгорания
1.Окись углерода СО образуется при горении богатой смеси ( <1) вследствие недостатка кислорода. В карбюраторных двигателях содержание может достигать 6 %, в дизельных – до 0,3 %.
2.Окислы азота NO в пересчете на N2O3 образуются при высокой температуре (выше 2000 °С), а в воздухе превращаются в NO, который обладает высокой токсичностью. В карбюраторных двигателях
–до 0,5 %, в дизельных – до 0,3 %.
3.Углеводороды Сn Hm образуются в основном в пристеночных слоях камеры сгорания (60 %) в картерных газах (20 %) и в бензобаке (20 %). В карбюраторных двигателях – до 0,4 %, у дизельных двигателей – до 0,04 %.
4.Альдегиды в перерасчете на акролеин в карбюраторных двигателях – до 0,03 %, в дизельных – до 0,002 %.
5.Сернистый ангидрид. В карбюраторных двигателях–до0,007%, в дизелях – до 0,04 %.
6.Бензпирен (вызывает раковые заболевания) в карбюраторных двигателях – до 0,02 мг/кВт∙ч, в дизельных двигателях – 0,002 мг/кВт∙ч.
7.Сажа в карбюраторных двигателях − до 0,05 %, в дизельных двигателях – до 0,3 %.
|
|
Таблица 3 |
|
Компоненты |
Карбюраторный |
Дизельный |
|
СО |
До 6 % |
До 0,3 % |
|
NO2 |
До 0,5 % |
До 0,35 % |
|
СnHm |
До 0,4 % |
До 0,04 % |
|
Альдегиды |
До 0,03 % |
До 0,002 % |
|
Сернистый ангидрид |
До 0,007 % |
До 0,04 % |
|
Бензпирен |
До 0,02 мг/кВт∙ч |
До 0,002 мг/кВт∙ч |
|
Сажа |
До 0,05 % |
До 0,3 % |
|
Токсичность бензинового двигателя измеряют на глубине 300 мм от среза выхлопной трубы в режиме холостого хода на двух частотах вращения коленчатого вала, т.е. на nxx и на 0,8 nN – от номинальных оборотов.
50
На режиме холостого хода содержание СО должно составлять не более 1,5 %. На режиме 0,8 nN – от номинальных оборотов (на холостом ходу) не более 2 %.
У дизельных двигателей измеряют дымность отработавших газов. Стандарты устанавливают нормы на режимах свободного ускорения и на максимальной частоте вращения коленчатого вала. Измерение осуществляют после заводской обкатки новых двигателей, после капитального ремонта и после ТО-2, при годовых технических осмотрах и выборочной проверки на линии.
|
Таблица 4 |
Режим работы |
Дымность, %, не более |
Свободное ускорение: |
|
а) без наддува |
40 |
б) с наддувом |
50 |
в) максимальная частота вращения |
15 |
Измерение производят при нейтральном положении рычага КПП или при установке избирателя скорости в нейтральное положение.
За результаты измерения дымности принимают среднее значение по четырем циклам. Разность в показаниях не должна превышать 6 единиц по шкале прибора.
В бензиновых двигателях результаты измерений определяют как произведение
СОфак СОизмер К ;
К 1 0,003 P 760 1 0,01(t 20) ,
где Р – фактическое атмосферное давление, ммрт.ст.; t – температура окружающей среды, °С.
4.9. Методы обезвреживания отработавших газов
Снижение токсичности отработавших газов можно достигнуть двумя методами.
1.Совершенствованием рабочего процесса сгорания топлива.
2.Применением в системе выпуска специальных нейтрализато-
ров.
51
Впервом случае для уменьшения токсичности отработавших газов улучшают надежность воспламенения рабочей смеси при малых нагрузках и на холостом ходу. Это позволяет в данных условиях использовать рабочую смесь с большим коэффициентом избытка воздуха. При этом резко снижается токсичность и повышается экономичность двигателя. Устойчивое воспламенение бедных смесей может быть достигнуто применением форкамерно-факельным зажиганием.
Для снижения содержания NO2 применяют перепуск отработавших газов во впускную систему. Такие мероприятия экономически оправдывают себя на частичных нагрузках. Применение многокамерных карбюраторов, специальных конфигураций камер сгорания, впускных систем, осуществление впрыска легкого топлива способствуют снижению токсичности отработавших газов.
Наиболее распространенным методом обезвреживания отработавших газов является применение нейтрализаторов, устанавливаемых вместо глушителей.
Нейтрализаторы могут быть пламенные, жидкостные и каталитические.
Пламенные нейтрализаторы дожигают продукты неполноты сгорания с помощью специальных горелок, устанавливаемых в выпускной системе.
Недостатком таких нейтрализаторов является неустойчивая работа при переменном режиме работы двигателя, нечувствительность к нейтрализации окислов азота и, кроме того, требует дополнительного расхода топлива. По этой причине пламенные нейтрализаторы имеют ограниченное применение.
Вжидкостных нейтрализаторах отработавшие газы пропускают через раствор химических реагентов, связывающих альдегиды, окислы азота, и механически отделяется сажа.
Наилучшие результаты дают 10% − растворы Na2SO3, FeSO4, NaCO3 с добавкой 0,5 % гидрохинона. Жидкие нейтрализаторы снижают на 30-70 % окислы азота, полностью очищают от альдегидов и сажи. Недостатком их является нечувствительность к СО, большие габариты и масса, невозможность эксплуатации при отрицательной температуре. Применяются в закрытых помещениях.
Каталитические нейтрализаторы осуществляют беспламенное дожигание продуктов неполного сгорания в присутствии катализатора, который наносится тонким слоем на носитель. Носитель выполняется в виде сплошных или полых стержней, шариков, гранул. В каче-
52
стве окислительных катализаторов применяют платину – палладий, платину – родий. Для работы этих катализаторов необходим избыточный воздух. Кроме того, используют восстановительные катализаторы, которые устанавливают перед окислительными. В качестве восстановительных катализаторов применяют рутений, иридий.
В некоторых случаях используют медно-хромоокисные катализаторы, которые значительно дешевле катализаторов из благородных металлов, однако являются высокотемпературными катализаторами.
53
5. ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ЦИКЛА
Действительные циклы двигателей внутреннего сгорания позволяют путем замера площади индикаторной диаграммы определить индикаторную работу цикла и работу, затрачиваемую на газообмен. Не вся работа может быть использована на коленчатом валу двигателя, часть ее затрачивается на механические потери.
Целесообразно рассматривать отдельно индикаторные и эффективные показатели работы двигателя. Первые характеризуют совершенство цикла, вторые – учитывают механические потери.
5.1. Среднее индикаторное давление
Для определения мощности двигателя необходимо знать среднее индикаторное давление, под которым подразумевают: условное постоянное давление, действующее на поршень в течение одного хода и совершающее работу, равную работе цикла (рис. 21).
Рис. 21. Диаграмма для определения среднего индикаторного давления
54
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф |
Lц |
, |
|
P |
|
|
|
Lц |
|
|
|
Lц |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
S |
n |
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
S |
n |
|
F |
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Lц Lгор Lрасш Lсж , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
Lгор пл.dZ1Zе, |
|
Lрасш. пл.еZba, Lсж пл.dca, |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Lгор PzVz Pz1Vz1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Pz Pz1, |
|
|
Vz Vz1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Lгор PzVz1 1 PzVc 1 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Lрасш |
Vc |
|
|
|
|
|
|
|
PV n2 |
PzVzn2 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pdv; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Vz |
|
|
|
|
|
PV n2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
z |
|
z |
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Vn2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Vb PV n2 |
|
|
PVn2 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
PV |
|
|
|
|
1 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
L |
|
|
|
|
|
z z |
|
dV |
|
|
|
z z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z z |
|
1 |
|
|
|
|
. |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
Vn2 |
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
расш |
|
Vz |
|
|
|
|
|
|
Vn2 1 |
|
|
Vn2 |
1 |
n 1 |
n2 |
1 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
PV |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
c c |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
n1 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
P |
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
PV |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
PV |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
PV |
|
|
z z |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c c |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
V |
|
|
|
|
|
|
n2 1 |
|
|
|
|
n1 1 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
i |
|
|
|
|
z c |
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
PV |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
c c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
V |
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
n1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n2 1 |
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Pi εPc1 λ ρ 1 n2λρ1 1 δn12 1 n11 1 1 εn11 1 .
55
Для карбюраторных двигателей, газовых и с впрыском легкого топлива ρ 1, δ ε.
Pi εPc1 n2λ 1 1 εn12 1 n11 1 1 εn11 1 .
Действительное среднее индикаторное давление будет меньше за счет скругления индикаторной диаграммы, кроме того, необходимо учитывать насосные потери.
Pi μPi Pн ,Pн Pr Pa ,
где μ − коэффициент скругления индикаторной диаграммы, μ = = 0,92 – 0,97; − коэффициент полноты насосныхпотерь, =0,7–0,9.
Среднее индикаторное давление лежит в пределах: Pi = 0,9-1,2 – для карбюраторных двигателей;
Pi = 0,8-1,1 МПа - для дизельных двигателей; Pi = 0,7-0,9 МПа для двухтактных двигателей; Pi = 0,8 и выше для дизелей с наддувом.
5.2. Индикаторная мощность
Мощность, развиваемая в цилиндрах двигателя, называется индикаторной. Работа, совершаемая поршнем за один рабочий ход:
L Pi Sn Pi Sn Fn Pi Vh.
Работа, совершаемая поршнем за один оборот коленчатоговала:
L |
2PiVh |
; |
N |
i |
|
2PiVh n i |
Вт; |
|
|||||||
|
|
||||||
об |
τ |
|
|
τ |
|
||
|
|
|
|
|
|||
Ni PiVh n i кВт;
500
n – об/с; Vh – м3.
Если принять n – об/мин, Vh – влитрах,тобудемиметьPi–МПа.
|
|
PV n i |
|
106 |
|
|
PV n i |
|
|
Ni |
|
i h |
|
|
|
|
i h |
кВт. |
|
500 |
60 1000 |
30 |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||
56
5.3. Коэффициенты полезного действия
Термодинамическим коэффициентом полезного действия называют отношение теплоты, превращенной в работу в термодинамическом цикле, ко всей теплоте, подведенной к рабочему телу.
|
|
|
Q Q |
1 |
|
λρk 1 |
|
||
η |
|
|
1 2 |
1 |
|
|
|
|
. |
t |
|
εk 1 |
λ 1 Kλ ρ 1 |
||||||
|
|
Q |
|
|
|||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
Индикаторным коэффициентом полезного действия называют отношение теплоты, превращенной в работу в действительном цикле, ко всей теплоте, выделенной топливом.
|
|
i |
|
Li |
; |
L P V ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
Hu |
i |
i h |
|
|
|
||
PoVo MoRoTo ; |
|
V0 VVh; |
Mo L; |
R0 0,008314; |
||||||
P V |
0,008314 LT ; |
V |
0,008314 |
LT0 |
; |
|||||
|
||||||||||
0 V h |
|
|
0 |
h |
|
|
ηV P0 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
i 0,008314 Pi LT0 .
Hu vP0
Значение индикаторного коэффициента полезного действия лежит в пределах: ηi = 0,3-0,4 – для двигателей легкого топлива; i = = 0,4-0,55 – для дизельных двигателей.
Относительный коэффициент полезного действия показывает степень совершенства действительного цикла в сравнении с термодинамическим.
oi 0,6 0,8.
t
5.4.Механический коэффициент полезного действия
Механический коэффициент полезного действия учитывает все механические потери, а также расход мощности на привод вспомогательных механизмов.
Мощность, снимаемая с коленчатого вала, называется эффективной, она меньше индикаторной на величину механических потерь.
Ne Ni Nм;
Nм PмVhn i30τ.
57
Мощность механических потерь складывается из следующих величин:
Nм Nтр Nнас Nвен Nнагн Nвсп.мех,
где Nтр – мощность трения, Nтр = (0,7-0,8)Nм; Nнас – насосные поте-
ри; Nвен – привод вентилятора; Nнагн – привод нагнетателя при наличии наддува; Nвсп.мех – привод вспомогательных механизмов.
Опыты показывают, что давление механических потерь зависит от типа двигателя, отношения хода поршня к диаметру, нагрузки на двигатель, частоты вращения коленчатого вала, свойств моторного масла, средней скорости поршня и т.д. Наибольшее влияние оказывает средняя скорость поршня, а поэтому давление механических потерь можно определить по формуле
Pм a bCm ,
где Cm – средняя скорость поршня;
Pм = 0,035 + 0,0115Cm – для двигателей легкого топлива легковых автомобилей;
Pм = 0,04 + 0,0135Cm – для двигателей легкого топлива грузовых автомобилей;
Pм = 0,09 + 0,012Cm – для дизельных двигателей. Среднее эффективное давление Pe Pi Pм .
Механический коэффициент полезного действия:
ηм Ne Pe 1 Nм 1 Pм .
Ni Pi Ni Pi
Из уравнений видно, что с увеличением скоростного режима, с уменьшением нагрузки на двигатель механический КПД уменьшается. Значение механического КПД:
ηм = 0,75-0,85 – для двигателей легкого топлива;
ηм = 0,7-0,8 – для дизелей без наддува;
ηм = 0,8-0,9 – для дизелей с наддувом.
5.5. Эффективный коэффициент полезного действия
Эффективный коэффициент полезного действия есть отношение теплоты, превращенной в работу, снимаемую с коленчатого вала двигателя, ко всей теплоте, выделенной при полном сгорании топлива.
58
e |
|
Le |
|
mLi |
м i м o t . |
Hu |
|
||||
|
|
|
Hu |
||
e = 0,23-0,3 – для бензиновых двигателей;
e = 0,33-0,42 – для дизельных двигателей;
e = 0,22-0,3 – для газовых двигателей.
5.6. Удельный расход топлива
Удельным расходом топлива называют отношение часового расхода топлива к мощности двигателя.
Индикаторный удельный расход топлива
gi Gm 1000гр/кВт∙ч.
Ni
Ni PiVh n i ; 30τ
Gвr 24,4LGm – часовой расход воздуха. Рабочий объем, описанный поршнями за один час
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
Vh n i 60 |
м3/час. |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
hr |
|
|
2 1000 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Vвr |
|
|
|
|
24,4LGm 2 1000 |
; G |
m |
|
Vh n i 60 V |
; |
|||||||||||
V |
|
|
V |
n i 60 |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
24,4L |
2 1000 |
||||||||
hr |
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
g |
i |
|
Vh n i 60 V 30 1000 |
|
|
|
3600 V |
; 4. |
|||||||||||||
|
|
|
24,4L P |
||||||||||||||||||
|
|
24,4L 2 1000 P V |
n i |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
h |
|
|
|
i |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
g |
e |
|
3600 V |
гр/кВт∙ч, |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
24,4L P |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
||||
ge = 210-250 гр/кВт∙ч – для дизельных двигателей; ge = 280-340 гр/кВт∙ч – для бензиновых двигателей.
5.7. Удельная мощность и способы ее повышения
Для оценки тепловой и динамической напряженности двигателя, использования рабочего объема цилиндра и для сравнения между со-
59