Режимы работы и характеристики автомобильных двигателей. Улучшение экологических характеристик.

Изучаемые вопросы:

Особенности режимов, на которых работают автомобильные двигатели. Понятие характеристики и разновидности характеристик автомобильных двигателей. Экологические показатели и методы их улучшения

Транспортные двигатели эксплуатируются в условиях, требующих изменения в широких пределах скоростного и нагрузочного режимов работы. Для оценки эффективности функционирования двигателя при его работе на различных режимах и при различных значениях регулировочных параметров служат характеристики двигателя.

Характеристикой двигателя называется зависимость показателей двигателя от режима работы или от параметров, связанных с регулировкой его основных систем.

Режимы работы определяются нагрузкой и частотой вращения коленчатого вала.

Характеристики, представляющие собой зависимость показателей работы двигателя от частоты вращения при неизменном положении органа управления (дроссельной заслонкой – для карбюраторного двигателя, регулятором – для дизеля), называют скоростными.

Если положение органа управления соответствует максимальной подаче топлива или горючей смеси, то такая скоростная характеристика называется внешней.

Характеристику, полученную при работе двигателя с любым постоянным промежуточным положением органа регулирования, называют частичной скоростной характеристикой.

Внешняя скоростная характеристика двигателя позволяет определить его предельные мощностные показатели и оценить экономичность при полных нагрузках. Эта характеристика является паспортной для большинства транспортных двигателей.

Нагрузочной характеристикой называется зависимость показателей двигателя от мощности или среднего эффективного давления при фиксированной частоте вращения коленчатого вала. По ней определяется предельная для данной частоты вращения мощность, а также оценивается экономичность работы двигателя при различных нагрузках.

Помимо этих характеристик для поршневого двигателя на практике широко используются так называемые регулировочные характеристики, представляющие собой зависимости показателей работы двигателя от регулируемого параметра (например, коэффициента избытка воздуха, угла опережения зажигания, угла опережения впрыскивания топлива и т. д). Данные характеристики используются для определения оптимальных параметров работы систем топливоподачи и зажигания.

В реальной эксплуатации многие транспортные установки работают значительное время в условиях неустановившихся режимов, когда показатели и тепловое состояние двигателя изменяются во времени. Это имеет место при разгоне и торможении транспортного средства двигателем, при изменении нагрузки и частоты вращения и т.д. Доля неустановившихся режимов может быть меньшей или большей в зависимости от технологического цикла и условий эксплуатации.

В силу особенностей рабочих процессов двигателя и отдельных его систем на неустановившихся режимах показатели двигателя могут отличаться от полученных на установившихся режимах. Поэтому в ряде случаев анализ работы двигателя только по скоростным и нагрузочным характеристикам может оказаться не адекватным условиям реальной эксплуатации.

Для конкретной категории транспортных средств, на которых используется данный двигатель, можно выделить совокупность наиболее характерных режимов его работы. Так, например, для двигателей, используемых на автомобилях, осуществляющих городские перевозки, характерны относительно большие периоды работы на режимах разгона, торможения двигателем, холостого хода и на частичных нагрузках. В то же время двигатели автомобилей, предназначенных для междугородных перевозок, большой период эксплуатации работают на установившихся режимах, близких к режиму номинальной мощности.

К экологическим показателям двигателей следует отнести такие, которые характеризуют прямое и косвенное воздействие на окружающую среду.

В отработавших газах (ОГ) присутствует очень большое количество химических веществ, из которых главное внимание уделяется так называемым токсичным составляющим CO, CH, NO_x и саже. Токсичными называются вещества, оказывающие вредное влияние на организм человека и окружающую среду.

Очень часто вся проблема экологического совершенства двигателей сводится к поиску способов снижения содержания этих токсичных веществ в ОГ. Безусловно, они вредны и их выбросы нужно снизить, но этим задача экологического совершенствования ДВС не исчерпывается. В ОГ содержатся также канцерогенные вещества, соединения серы и свинца и множество других составляющих, которые по степени токсичности опаснее, чем CO, CH и NO_x .

Помимо ОГ источниками токсичности двигателей являются также картерные газы и испарение топлива в атмосферу. Наибольшее выделение токсичных веществ в атмосферу происходит с ОГ, поэтому уменьшению токсичности ОГ уделяется главное внимание.

Концентрацию токсичных компонентов в ОГ оценивают в объемных процентах, миллионных долях по объему и реже в миллиграммах на 1 л ОГ.

Диапазоны изменения количества токсичных компонентов в ОГ приведены в табл. 9.

Таблица 9

Количество токсичных элементов в ОГ

Комплекс европейских стандартов и правил включает в себя два вида испытаний: проверка автомобилей в эксплуатации и испытание автомобилей или двигателей на стендах. Испытания в эксплуатационных условиях проводятся по упрощенным методикам с использованием портативной аппаратуры. Автомобили с бензиновыми и газовыми двигателями испытывают на выброс CO и CH при минимальной и повышенной частотах вращения коленчатого вала на холостом ходу.

Автомобили с дизелями испытывают на дымность ОГ при свободном ускорении и максимальной частоте вращения вала на холостом ходу.

Более полную оценку токсичности и дымности ОГ автомобилей и двигателей проводят на заводах, при этом выполняются заданные совокупности режимов, называемые циклами.

В случае двигателей с искровым зажиганием для снижения токсичности ОГ рекомендуется использовать следующие мероприятия.

Повышение качества изготовления двигателей путем совершенствования технологических процессов и в первую очередь ужесточения технологических допусков на изготовление деталей, формирующих камеру сгорания, систему топливоподачи, впускные трубопроводы и систему зажигания. Это обеспечивает уменьшение различий степени сжатия в отдельных цилиндрах, улучшает распределение смеси по цилиндрам, позволяет существенно приблизиться к оптимальным составам смеси и углам опережения зажигания.

Улучшение конструкции поршневых колец уменьшает угар масла и, следовательно, снижает выброс CH и канцерогенных веществ.

Совершенствование систем питания и зажигания имеет исключительно большое значение. Для карбюраторов помимо повышения точности изготовления его основных деталей существенное значение имеют совершенствование систем пуска, прогрева и холостого хода, применение экономайзера принудительного холостого хода и т.п. Наилучшие результаты по снижению токсичности ОГ дает применение системы впрыскивания бензина.

Транзисторная система зажигания увеличивает энергию электрической искры, что улучшает воспламенение и позволяет работать на более бедных смесях. Микропроцессорное управление системой зажигания позволяет изменять угол опережения зажигания по сложному закону, обеспечивающему выполнение требований к процессу сгорания с точки зрения снижения токсичности ОГ и улучшения топливной экономичности.

Применение бензинов с малым содержанием тетраэтилсвинца, переход на газообразные топлива. Снижение или полный отказ от этилированных бензинов позволяет влиять на выброс соединений свинца и обеспечить требуемую долговечность каталитических нейтрализаторов. Перевод двигателя на газообразное топливо обеспечивает снижение выброса NO_x примерно в два раза, а также дает некоторое уменьшение концентрации CO. Это связано с тем, что при работе на газе возможно эффективное использование более бедных смесей, сгорающих при меньшей температуре, а также снижение неравномерности состава смеси по цилиндрам.

Нейтрализация отработавших газов – радикальный способ уменьшения токсичности ОГ. Для автомобильных двигателей наибольшее применение получили каталитические нейтрализаторы, в которых специальные вещества (катализаторы) ускоряют протекание реакций окисления CO и CH, а также восстановления NO_x.

В случае дизельных двигателей для снижения токсичности и дымности ОГ рекомендуются следующие мероприятия.

Совершенствование процессов смесеобразования и сгорания. Преимущество этого способа заключается в том, что одновременно со снижением дымности ОГ и содержания в них CO и CH улучшаются мощностные и экономические показатели двигателя. Однако интенсификация сгорания приводит к увеличению концентрации NO_x. Для снижения токсичности ОГ дизеля необходимо сокращать длительность задержки воспламенения и за этот период впрыскивать основную долю топлива, стремясь к тому, чтобы сгорание происходило в течение второй фазы с небольшой скоростью, а в завершающих фазах – с наибольшей возможной интенсивностью.

Существенное снижение токсичности ОГ можно получить путем наддува дизеля, увеличивая при этом обеднение смеси примерно до α_min=2.

Топливо и присадки. Чем больше в топливе легких фракций, тем лучше его испаряемость, а значит, более однородным будет состав смеси в камере сгорания, что приведет к снижению дымности ОГ и концентрации в них NO_x. Добавка к дизельному топливу в количестве до 1% антидымных присадок позволяет при больших нагрузках в несколько раз понизить дымность ОГ и содержание в них альдегидов и бензпирена.

Использование спиртов в качестве добавок к дизельному топливу сопровождается значительным снижением дымности при одновременном уменьшении выбросов NO_x и CO. Однако выбросы CH при этом сильно возрастают.

Техническое состояние дизеля. Интенсивность дымления и токсичность ОГ сильно зависят от технического состояния и регулировок топливоподающей аппаратуры. Недопустимы подтекание топлива из распылителя, неправильная регулировка давления начала впрыскивания, зависание иглы распылителя и т.д. Правильная эксплуатация, т.е. поддержание дизеля в хорошем техническом состоянии, и стабильность регулировок топливной аппаратуры в сочетании с систематическим контролем дымности и токсичности ОГ позволяют снизить общий выброс токсичных веществ на 40%.

Каталитическая нейтрализация ОГ. В окислительных каталитических нейтрализаторах отработавшие газы дизеля проходят через слой катализатора, ускоряющего протекание окислительных реакций, т.е. превращение CO и CH в CO₂ и H₂O. В результате каталитической нейтрализации концентрация CO уменьшается на 85…90%, а CH – на 75…80%.

Фильтры и улавливатели сажи и твердых частиц являются эффективным средством снижения дымности ОГ дизелей. В фильтрах сажа и твердые частицы улавливаются при прохождении ОГ через фильтрующий элемент или путем их центрифугирования.

Для практической реализации задачи снижения шума двигателя следует рассмотреть, прежде всего, использование для этих целей виброизоляции и вибропоглощения, звукоизоляции и звукопоглощения. Совокупность этих методов и средств, при разумном их использовании, приводит к снижению шума двигателя. При конструировании ДВС с целью снижения шума возможно и необходимо использовать также такую организацию конструкции и рабочих процессов двигателей, которые обеспечивали бы минимальное акустическое излучение.

ВОПРОСЫДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое установившийся и неустановившийся режимы?

2. Какие виды характеристик двигателя Вы знаете?

3. Что такое скоростная характеристика двигателя и ее разновидности?

4. Что такое нагрузочная характеристика?

5. Какие бывают регулировочные характеристики?

6. Какие токсичные составляющие образуются в выхлопных газах автомобильных двигателей?

7. Каковы основные методы снижения токсичности и дымности?

8. Какими способами снижается токсичность и дымность двигателей?