Температура остаточных газов Тr на коэффициент наполнения η v влияет незначительно. Однако увеличение давления остаточных газов рr приводит к увеличению плотности и массы отработавших газов (например, при увеличении частоты вращения коленчатого вала), что снижает массовое наполнение цилиндра свежим зарядом. К росту Тr приводят увеличенные тепловые зазоры в приводе выпускных клапанов, загрязнение глушителя или нейтрализатора отработавших газов.
Параметры газообмена приведены в табл. 3.
Токсичность отработавших газов и пути предотвращения загрязнения окружающей среды
Основные компоненты, содержащиеся в отработавших газах ДВС, представлены в табл. 2.
Таблица 2. – Основные компоненты отработавших газов, %
| Двигатели | N2 | O2 | H2O (пар) | CO2 | CO | NxOy | CxHy | C (сажа) |
| Бензиновые | 74-77 | 0,3-0,8 | 3-5,5 | 5-12 | 5-10 | До 0,8 | 0,2-3 | До 0,4 |
| Дзели | 76-78 | 2-18 | 0,5-4 | 1-10 | 0,02-5 | До 0,5 | До 0,5 | До 1,1 |
Токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах
Окись углерода (CO) — газ без цвета и запаха. Приводит к развитию у человека кислородной недостаточности, нарушению центральной нервной системы, поражению дыхательной системы, ухудшению зрения. Увеличенные среднесуточные концентрации СО способствуют возрастанию смертности лиц с сердечно-сосудистыми заболеваниями. При содержании в воздухе 0,05 % СО слабое отравление наступает через 1 ч, при 1 % человек теряет сознание через несколько вдохов.
Оксиды азота (NxOy) представляют собой смесь NО2, N2О3 и N2О4. В результате их воздействия нарушается функция бронхов и легких, особенно у людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями. При концентрации в воздухе 0,001 % по объему оксиды азота вызывают раздражение слизистых оболочек носа и глаз, при 0,002 % начинается кислородное голодание, при 0,008 % - отек легких.
Сернистый ангидрит — бесцветный газ с резким запахом, становится причиной возникновения бронхитов, астмы и других респираторных заболеваний.
Углеводороды — группа соединений СxНу. В результате реакции с окислами азота образуют смог.
Бенз(а)пирен — полициклический ароматический углеводород, попадая в организм человека, накапливается и является причиной образования злокачественных опухолей.
Сажа (С) — твердый фильтрат отработавших газов, сам по себе опасности не представляет, но является накопителем канцерогенных веществ.
Соединения свинца — появляются в отработавших газах в случае применения этилированного бензина, поражают центральную нервную систему и кроветворные органы человека.
Для снижения количества выбрасываемых в окружающую среду вредных веществ разрабатывается ряд мер, которые направлены на достижение как можно более полного сгорания топлива. Для этого необходимо улучшать процессы смесеобразования, обеспечивать приготовление оптимального состава горючей смеси для каждого режима работы двигателя. С этой целью создают все более совершенные конструкции карбюраторов, обеспечивают подогрев топлива на различных участках впускной системы, используют электронное управление не только системой питания, но и зажиганием, а также планируется полный переход на впрысковую систему питания бензиновых двигателей.
На двигателях, где традиционно применяют карбюраторы, устанавливаются системы автоматического управления экономайзером принудительного холостого хода (САУПХХ), позволяющие отключать непроизводительную подачу топлива на особенно вредных (по содержанию СО) режимах работы.
Применение форкамерно-факельного зажигания позволяет обеспечить работу двигателя на бедных смесях, что приводит к уменьшению токсичных компонентов в составе отработавших газов.
Применение нейтрализаторов отработавших газов в выпускной системе позволяет дополнительно снизить токсичные вещества в отработавших газах.
Закрытая (принудительная) система вентиляции картера устраняет выброс в окружающую среду вредных веществ вместе с картерными газами.
Переход работы ДВС с традиционных топлив на альтернативные также приводит к снижению содержания вредных компонентов в отработавших газах.
Таблица 3. – Параметры газообмена
| Параметр | Двигатели с искровым зажиганием | Дизели |
| Коэффициент остаточных газов, γ r | 0,06…0,08 | 0,03…0,06 |
| Давление конца выпуска Pr, МПа | 0,11…0,12 | 0,11…0,12 |
| Температура конца выпуска Tr, К | 900…1000 | 600…900 |
| Коэффициент наполнения η v | 0,75…0,80 | 0,8…0,9 |
| Давление впуска Pа, МПа | 0,08…0,09 | 0,08…0,09 |
| Подогрев заряда ∆ Т, К | 0…25 | 20…40 |
| Температура впуска Tа, К | 320…380 | 310…350 |
Процесс сжатия
Свежий заряд с примесью остаточных газов после процесса впуска подвергается сжатию.
Назначение процесса сжатия:
• увеличение температурного перепада, при котором осуществляется действительный цикл;
• улучшение воспламенения и горения топлива;
• получение большей работы при расширении продуктов сгорания и повышение экономичности двигателя.
Процесс сжатия происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ после закрытия впускного клапана. Но если в термодинамических циклах сжатие происходило без теплообмена (адиабатическое сжатие), то в действительных циклах этот процесс сопровождается непрерывным, переменным по величине и направлению теплообменом между рабочим телом и окружающими его деталями, частичной потере рабочего тела через неплотности в сопряжениях деталей и испарением части находящегося в цилиндре в капельножидком состоянии топлива. Таким образом, процесс сжатия носит политропный характер.
В начале сжатия происходит теплопередача от деталей к рабочему телу, так как температура Та рабочего тела в этот момент ниже температуры стенок полости цилиндра. В результате кривая процесса сжатия в р—V координатах проходит несколько круче кривой адиабатного сжатия (рис. 10), и показатель n1, политропы сжатия больше показателя k адиабаты сжатия.
При дальнейшем сжатии температура рабочего тела увеличивается, и теплообмен между рабочим телом и окружающими его деталями снижается. В какой-то момент температура рабочего тела становится равной температуре стенок цилиндра, и наступает мгновенный адиабатный процесс
При продолжении сжатия температура рабочего тела становится выше средней температуры окружающих его деталей, и теплота начинает переходить от рабочего тела к деталям двигателя. В этом случае кривая сжатия проходит выше кривой адиабаты сжатия, n1<k. Причем разность значений увеличивается по мере приближения поршня к ВМТ.