Экологические показатели: влияние состава смеси, нагузки, скоросного и температурного режимов, технического состояния.

Снижение токсичности ОГ реализуется путем: 1)совершенствования рабочего процесса двигателей; 2) снижения концентрации вредных ком­понентов в ОГ (использование каталитических нейтрализаторов или дожигателей); 3) разработки новых двигателей, работающих на альтер­нативных топливах (природный газ,, автомобильный бензин в смеси с во­дородом, синтетические спирты, во­дород, использование электроэнергии аккумуляторных батарей и др.); 4) поддержания рациональных режи­мов работы; 5) обеспечения исправного технического состояния. 6) дизелизация и перевод значитель­ной части автомобилей на газовое топливо положительно сказываются на экономии топлива и снижении загрязнения окружающей среды. Применение природного газа вместо бензина сокращает содержание в от­работавших газах СО в 1,5—3 раза.

Работа автомобиля характе­ризуется частой сменой скоростных и нагрузочных режимов работы дви­гателя. При этом существенно изме­няется состав смеси, влияющей на токсичность ОГ.

Состав смеси изменяется в боль­ших пределах при изменении коэф­фициента избытка воздуха от 1,2 (бедная смесь) до 0,7 (богатая смесь). При этом не существует состава рабочей смеси, обеспечивающей одно­временно снижение содержания в ОГ всех токсичных веществ (рис.43.).

 

Pис. 43. Содержание токсичных компонен­тов в ОГ (%) от коэффициента избытка воздуха а карбюраторного двигателя.

 

При работе двигателя на обога­щенных смесях из-за недостаточного количества кислорода увеличивается содержание СО и СН. Образование NOx происходит при высоких темпе­ратурах рабочего цикла и достаточ­ном количестве кислорода, увеличи­ваясь с повышением его температу­ры, и достигает своего максимума при а =1,05. Минимальное количе­ство СН достигается при а. = 1,05 Ч-1,1. Увеличение СН в ОГ при работе на обедненных смесях объясняется малой скоростью их сгорания и зна­чительной неравномерностью циклов сгорания. Максимальная концентра­ция NO_x в ОГ карбюраторных и ди­зельных двигателей соответствует наиболее экономичным режимам ра­боты. При этом содержание СО ми­нимально.

С увеличением нагрузки увеличи­вается подача топлива и изменяются состав рабочей смеси и токсичность ОГ. При работе двигателя на холостом ходу (XX) за­жигание затруднено и для успешно­го пуска двигателя используют обо­гащенную смесь (воздушная и дрос­сельная заслонки прикрыты). В ре­зультате содержание СО в ОГ дости­гает 10 %.

При работе на малых нагрузках (заслонка открыта до 25 %) смесе­образование плохое, скорость сгора­ния невелика и возможны пропуски в зажигании горючей смеси. При этом содержание СО в ОГ может достигать 7 %. При работе на сред­них нагрузках в цилиндры поступает обедненная смесь и содержание СО в ОГ составляет около 1 %.

При работе двигателя с нагрузкой, близкой к максимальной, в цилиндры подается обогащенная смесь (а — = 0,85^0,9) и содержание СО мо­жет увеличиться до 6 %. При этом значительно снижается экономич­ность работы двигателя. При работе дизельного двигателя наблюдается относительно небольшой выброс СО и СН (менее 0,5 % СО). Образова­ние значительного количества сажи (в 5 раз больше, чем у карбюратор­ных двигателей) при увеличении на­грузки дизельного двигателя объяс­няется ростом расхода топлива] и стабилизацией расхода воздуха, что приводит к уменьшению с 5 до 1,2 и увеличению СН в отработавших газах.

Частота вращения коленчатого ва­ла двигателя оказывает влияние на условия прохождения заряда через систему впуска и на завихрение его в цилиндрах и тем самым на испарение и смесеобразование топлива. При увеличении частоты вращения колен чатого вала двигателя с 2800 до 5600 об/мин уменьшается содержа­ние СО в ОГ в 2 раза.

На неустановившихся режимах в отличие от установившихся изменя­ются тепловое состояние основных деталей двигателя и условия смесеобразования. Это приводит к тому, что мошностные, экономические и токсические показатели двигателя ухудшаются.

Весь диапазон возможных режи­мов работы карбюраторного двигате­ля ограничен внешней скоростной характеристикой. Практически используемая зона тяговых режимов ограничена кривыми 2 и 3. В этой зоне двига­тель работает при составе смеси, близкой к стехиометрическому соот­ношению, с наибольшей полнотой сгорания. На режимах пол­ных нагрузок для обеспечения мак­симальной мощности смесь обогаща­ют до а = 0,9. При этом объемные концентрации СО могут составлять 3—4 % у исправного двигателя. Скоростные характеристики, дополнен­ные изолиниями постоянных концен­траций основных токсичных компо­нентов, принято на­зывать многопараметровыми универ­сальными токсическими характери­стиками двигателя.

Рис. 44. Изменение коэффициента избытка воздуха в зависимости от нагрузки карбюра­торного (К) и дизельного (Д) двигателя при постоянной частоте вращения

 

На рис. 45 б показана токсиче­ская характеристика двигателя ЗИЛ-130 по СО на тяговых режимах. Весь диапазон возможных режимов ограничивается внешней скоростной характеристикой двигателя. Так, на холостом ходу и частоте вращения 400—700 об/мин выброс СО равен 1,0 кг/ч, а при максимальной частоте вращения 3000 об/мин равен 25 кг/ч. Исходя из известных концентраций токсичных компонентов по расходу ОГ определяют часовые или пробеговые выбросы вредных веществ на каждой составляющей эксплуатаци­онного цикла, а затем с учетом доли каждого режима в цикле опре­деляются суммарные выбросы

 

Рис. 45. Многопараметровая универсальная токсическая характеристика бензиновых дви­гателей (а) и токсическая характеристика автомобилей ЗИЛ-130 (б) по СО на тяговых режимах:

/ — внешняя скоростная характеристика;

2 и 3 — параболические кривые

 

При одинаковой концентрации вредных веществ массовые количе­ства выбросов различных марок ав­томобилей отличаются значительно, причем наименьшие выбросы у авто­мобилей с малым рабочим объемом двигателя.

Например, при сопоставимых усло­виях (движение с постоянной ско­ростью 60 км/ч на горизонтальном участке дороги с асфальтобетонным покрытием) автомобиль ГАЗ-24 вы­брасывает в атмосферу 0,51 кг/ч СО, или 8,5 г/км, а автомобиль ЗИЛ-130 2 кг/ч СО, или 33 г/км. При тех же условиях автомобиль КамАЗ выбрасывает в атмосферу 0,25 кг/ч СО, или 4 г/км.

Автомобильный двигатель в отли­чие от стационарных источников выбросов имеет широкий диапазон изменения нагрузочных и скоростных режимов работы, определяемый ус­ловиями движения автомобиля в транспортном потоке: холостой ход, разгон, установившееся движение, торможение двигателем (принуди­тельный холостой ход — ПХХ). Для интенсивного городского движения время работы по названным циклам составляет для легкового и грузового автомобиля соответственно: 21 и 17 %, 23 и 42 %, 32 и 16 %, 24 и 25 %. При этом 16—18 % времени приходится на режим принудитель­ного холостого хода. При прикрытой дроссельной заслонке в цилиндрах создается большое разрежение, смесь обогащается, а содержание СН в ОГ увеличивается.

Как следует из рис. 46 и 47, минимальная токсичность ОГ обеспе­чивается при средних нагрузочных и скоростных режимах.

Токсичность ОГ зависит от тепло­вого режима двигателя. Минималь­ная токсичность наблюдается при температуре охлаждающей жидкости 85—95 °С. Понижение температуры охлаждающей жидкости, например

 

Рис. 46. Изменение содержания СО, СН, NO* в отработанных газах в зависимости от скорости движения автомобиля ЗИЛ-130

 

Рис. 47. Изменение содержания СН, СО, N0, в зависимости от режимов движения автомобиля

 

Рис.48. Зависимость состава ОГ карбюра­торного двигателя от положения винта соста­ва смеси (нулевое положение соответствует затянутому винту и отсутствию подачи топ­лива)

 

 

 

Рис. 49 Регулировочная характеристика по составу горючей смеси двигателя ЗИЛ-130 при полностью открытой дроссельной заслонке

 

у двигателя ЗИЛ-130, с 85 до 40 °*С приводит к росту выбросов СО на 15—35 % и СН в 1,25—2,8 раза при увеличении расхода топлива на 25-4 40 %. При перегреве двигателя воз­никают перебои в его работе, а содер­жание СН в ОГ существенно увели­чивается.

Таким образом, выбор и реализа­ция рационального режима работы двигателя и автомобиля являются первым условием сокращения содер­жания вредных компонентов' в ОГ.

Общий выброс токсичных ве­ществ существенно зависит от техни­ческого состояния. Со­став смеси при работе двигателя непрерывно изменяется, а в зависи­мости от состава смеси изменяется и количество вредных веществ в ОГ. У нового двигателя главная дозирую­щая система карбюратора выполнена так, что при 50—80 %-ной нагрузке коэффициент избытка воздуха а = = 1,05 ч-1,1 (обедненная смесь), что обеспечивает минимальное содер­жание СО в ОГ —0,5—1%.

На рис.49 показана зависимость состава ОГ карбюраторного двига­теля от положения винта регулиров­ки холостого хода. Изменение поло­жения винта регулировки холостого хода даже в пределах одного оборо­та может существенно повлиять на содержание СО без заметного изме­нения режима работы двигателя, что является причиной частых случаев регулировки карбюраторов на более богатую смесь, чем это необходимо для холостого хода.

При работе двигателя на средних нагрузках экономайзер не включает­ся в работу, и состав смеси соот­ветствует пределу -эффективного обеднения (а =1,05). При этом со­держание СО минимальное — 0,5— 1 %.

При изменениях в главной дози­рующей системе карбюратора (уве­личение проходных сечений), при уровне топлива в поплавковой каме­ре выше нормы происходит обогаще­ние горючей смеси. Так, при а = 0,8 содержание СО достигает 4 % при работе на частичных нагрузках и достигает 6 % при работе на макси­мальной мощности среднего скорост­ного режима (1800 об/мин).

При максимальной мощности, т. е. при максимальной подаче топлива и 3000 об/мин, токсичность ОГ в результате сокращения времени на сгорание топлива повышается, и со­держание СО может достигать при а = 0,8 до 8 %. Следовательно, во-первых, необходимо проводить более точные регулировки системы пита­ния с учетом возможных режимов работы автомобиля, во-вторых, при­держиваться среднего скоростного режима работы двигателя при дви­жении автомобиля.

Одним из наиболее распространен­ных дефектов карбюратора является негерметичность клапана экономайзера. При негерметичном клапане на режимах малых и средних нагрузок выброс СО возрастает в 1,5—2 раза. При этом в реальных условиях экс­плуатации такой дефект увеличивает выброс СО на 1 км пути на 40—55 % и СН на 60—70 %. Раннее включе­ние клапана экономайзера суще­ственно обогащает горючую смесь на режимах малых и средних на­грузок. При этом выброс СО увели­чивается на 35—60 % и СН на 40— 50%.

Изменение угла опережения зажи­гания в пределах от 0 до 60° не ока­зывает существенного влияния на содержание СО и СН. С увеличением угла опережения от 0 до 60° максимальное давление и температура цикла возрастают, и количество NO* увеличивается. Поз­днее зажигание приводит к суще­ственному росту содержания СО и СН.

Оказывает влияние на выбросы СО и зазор в свечах зажигания, причем чем меньше зазор, тем больше кон­центрация СО. Так, при зазорах в свече 1,2; 0,8 и 0,6 мм содержание СО соответственно составляет 0,3; 1,5 и 3,0 %. Содержание СН с умень­шением зазора увеличивается от 0,05 до 1,1 %.

 

 

 

 

 

 

Рис.50. Зависимость токсичности ОГ от угла опережения зажигания

 

При отклонении зазора в контак­тах прерывателя более чем на 0,05 мм от нормы ухудшается искрообразова­ние в свечах, что приводит к непол­ному сгоранию смеси и количество СН увеличивается в 2—3 раза.

Кроме того, в результате окисле­ния контактов прерывателя "падение напряжения в первичной цепи может достигать до 2. В (норма — не более 0,1 В). В этом случае напряжение¹ в первичной цепи составляет только \ 10 В и при небольшом времени зам­кнутого состояния контактов (ме­нее 0,02 с) меньше накапливается энергии во вторичной цепи. При этом ухудшается ценообразование, и по­вышаются выбросы СН.

Нарушение фаз газораспределения происходит из-за изменения зазоров в приводе клапанов. Так, при изме­нении зазоров на ±50 % мощность двигателя снижается на 3—4 %, рас-/ ход топлива повышается на 5—7 %/ а выбросы СН возрастают на 50-/ 60 %. Увеличение зазора между штангой и коромыслом на 0,1 мм в 8-цилиндровых двигателях ЗИЛ и ГАЗ вызывает смещение угла пово­рота коленчатого вала (при котором начинается открытие всасывающего клапана) на 8—9°. Позднее откры­тие впускного клапана приводит к уменьшению коэффициента наполне­ния и повышению выбросов СН.

Повышение газодинамического со­противления воздушного фильтра в 2 раза вызывает обогащение горю­чей смеси и увеличивает выброс СО

 

 

 

Рис. 51. Зависимость токсичности ОГ от пробега автомобиля с начала эксплуатации.

 

с 42 до 54 г/км автомобилем сред­ней грузоподъемности при скорости движения 40 км/ч, а СН с 6,5 до 8,1 г/км. При повышении сопротив­ления воздушного фильтра дизеля в 2 раза дымность ОГ увеличивается в 2—3 раза.

При увеличении пробега автомоби­ля с начала эксплуатации обычно растет и содержание токсичных ве­ществ в ОГ по следующим основным причинам: изменение тех­нического состояния карбюратора! (засорение или износ главного и' вспомогательного жиклеров; нару­шение уровня топлива в поплавко­вой камере; изменение регулировки карбюратора); неисправности в си­стеме зажигания, вызывающие из­менение установки зажигания и ослабление мощности искры (подго­рание контакторов прерывателя и электродов свечей, нарушение изо­ляции проводов, замыкание обмоток катушки высокого напряжения и др.); износ клапанов, втулок в газо­распределительном механизме; износ цилиндропоршневой группы и отло­жение нагара в цилиндрах двига­теля.

К неисправностям дизелей, вызы­вающим повышенное содержание токсичных веществ в ОГ, следует отнести: засорение сопловых отвер­стий форсунок, заедание иглы фор­сунки; неравномерный износ преци­зионных пар; негерметичность топливоподающей аппаратуры и непра­вильная ее регулировка; ухудшение подвижности поршневых колец в ка­навках поршней из-за сильного осмоления и потери упругости от износа их по толщине; поздний впрыск топлива; увеличение сопротивления воздушного фильтра при всасывании воздуха. При неравномерной цикло­вой подаче (более 6%), позднем впрыске и работе на максимальной мощности дымность увеличивается в 2—3 раза, а при увеличении цикло­вой подачи сверх нормативной на 25 % дымность ОГ увеличивается на 40%.

Контрольные вопросы:

1. Какими способами может быть увеличена ?

2. Как уменьшается при переходе с 4-х на 2-х тактный рабочий цикл?

3. В чем физический смысл удельного эффективного расхода топлива?

4. Каковы основные пути снижения токсичности ПС?

5. Какие основные неисправности дизеля приводят к росту токсичности ПС?

6. Как изменяется содержание СО, СН в отработавших газах с ростом пробега автомобиля?

Лекция10