Конструктивные усовершенствования двигателей

                                                 Содержание

                                                     Введение

Загрязнение воздуха вредными выбросами автомобилей в конце ХХ века стало одной из глобальных экологических проблем. Путь ее решения только один - автомобиль должен стать экологически чистым. Важное место здесь принадлежит системам нейтрализации, способным в несколько раз снизить токсичность выхлопных газов.

Всего в отработавших газах обнаружено около 280 компонентов. По своим химическим свойствам, характеру воздействия на организм чело­века вещества, содержащиеся в отработавших газах, подразделяются на несколько групп:

1) нетоксичные: азот, кислород, водород, водяные пары, а также диоксид углерода;

2) токсичные: оксид углерода, оксиды азота, многочисленная группа

углеводородов, альдегиды, сажа. Причем сажа сама по себе нетоксична, но она

адсорбирует на поверхности частиц канцерогенные полициклические углеводороды, в том числе наиболее вредный и ток­сичный бенз(а)пирен. При сгорании сернистых топлив образуются неорганические газы - диоксиды серы и сероводород. Токсичные компоненты составляют 0,2–5% от объема отработавших газов, в зависимости от типа двигателя и режима его работы.

За долгое время существования проблемы автомобильных выбросов и загрязнениями атмосферного воздуха было разработано множество методов и способов, позволяющих уменьшить количества выхлопов или снизить их токсичность. В настоящее время разрабатываются и претворяются в жизнь мероприятия по снижению загрязнения атмосферы выбросами автомобильных двигателей, включающие в себя:

1) усовершенствование конструкций двигателей и повышение качеств изготовления;

2) поиск новых видов топлива, применение различных присадок к нему;

3)создание энергосиловых установок для автомобилей, выбрасывающих меньшее количество вредных веществ;

4) разработка устройств, снижающих содержание вредных компонентов в отработавших газах.

Практика показала, что при этом достичь уровня токсичности отработавших газов, требуемого законодательством развитых стран, первыми тремя способами нельзя. Поэтому получила широкое распространение нейтрализация отработавших газов в системе выпуска. В этом случае токсичные пары, вышедшие из цилиндров двигателя, нейтрализуются до выброса их в атмосферу.

              1 Конструктивные усовершенствования двигателей

Совершенствование конструкции современного ДВС с искровым зажиганием является одним из основных мероприятий снижения ОГ до величин, регламентированных существующими стандартами. Наибольшее влияние на токсичность ОГ оказывают изменения, вносимые в систему питания и зажигания ДВС, поскольку эти системы во многом определяют процесс воспламенения и сгорания рабочей смеси, совершенствование системы питания ДВС, позволяющее добиться более равномерного распределения рабочей смеси по цилиндрам, обеспечить ее оптимальный состав для каждого режима работы и возможность работы на бедных смесях, влияет в основном на количество продуктов неполного сгорания в ОГ.

Работы ведутся в следующих направлениях:

- улучшение качества процесса смесеобразования во впускной системе;

- улучшение распыливания топлива в карбюраторе;

- применение регуляторов принудительного холостого хода;

- обеспечение равномерного распределения смеси по цилиндрам.

Улучшение качества процесса смесеобразования и распыливания топлива позволяет повысить предел обеднения рабочей смеси и увеличить полноту ее сгорания. При использовании карбюраторов, в которых распыливание топлива происходит при высоких (близких к звуковым) скоростях движения воздуха, значительно улучшается процесс смесеобразования, особенно в режимах х.х. При этом снижается содержание СН в ОГ, двигатель устойчиво работает на х.х., а содержание СО в этом режиме находится в пределах 0,2-0,3% по объему.

Подогрев выпускного трубопровода тоже приводит к улучшению процесса смесеобразования, так как при этом быстрее и полнее происходит испарение топлива: выделение СО и СnНm уменьшается, но выделение NOx увеличивается. Подогрев смеси целесообразно вводить при работе ДВС на х.х. и малых нагрузках. Особенно необходим подогрев смеси при эксплуатации автомобиля в зимнее время года.

В случае отключения жиклера х.х. снижается расход топлива и выброс СО, но увеличивается выброс СnНm, так как часть топлива из каналов х.х. уносится воздухом. При переходе с режима принудительного х.х. наблюдаются «провалы», неустойчивая работа двигателя на х.х. Поэтому применяется, как правило, одновременное отключение подачи топлива и воздуха в режиме принудительного х.х. При этом снижаются выбросы СО и СnНm.

В многоцилиндровых карбюраторных двигателях нередко наблюдается неравномерное распределение рабочей смеси по цилиндрам, что вызывает повышенное содержание продуктов неполного сгорания в ОГ. Эффективный метод снижения неравномерности распределения смеси по цилиндрам - применение систем непосредственного впрыска топлива. Впрыск бензина обычно осуществляется во впускной коллектор и бывает одноточечным (с одной форсункой, установленной вместо карбюратора) и многоточечным, или распределенным, когда форсунки ставятся непосредственно перед впускными клапанами. Первое время широко применялся механический впрыск, но сейчас он повсеместно вытеснен электронным. У нас инжекторные двигатели серийно ставятся на «Волги» (ЗМС-406) и часть ВАЗов. Такие двигатели даже без нейтрализаторов ОГ с запасом укладываются в отечественные нормы и не требуют каких-либо регулировок во время эксплуатации, как карбюраторные. Содержание СН в ОГ двигателей составляет 0,8-1% от объема. При этом возрастает мощность двигателя и снижается расход топлива. Наилучшие результаты получены при электронном управлении впрыском топлива. Легкий пуск в любую погоду, разгон без «провалов» на непрогретом моторе. Легкость перенастройки электронной системы: для этого достаточно заменить или перепрограммировать микросхему в бортовом компьютере - и можно, например, перевести мотор с 95-го на 93-й бензин или из «экологичного» режима в «мощностной» или «экономичный». Но многоточечный впрыск гораздо дороже одноточечного. Недостатком впрыска является его требовательность к качеству топлива, а любая его неисправность требует диагностики и ремонта только в специализированных технических центрах.

Существенное влияние на состав ОГ оказывает также, как отмечалось выше, регулировка системы х.х. Оптимальная регулировка позволяет снизить содержание СО на 30% и СnНm на 15% при некотором увеличении (до 5%) NOx. В конструкциях современных карбюраторов сейчас применяются различные ограничивающие устройства, исключающие перерегулировку системы х.х. в больших пределах в процессе эксплуатации.

Совершенствование системы зажигания играет большую роль в процессе сгорания рабочей смеси в цилиндрах. На многих автомобилях в системе зажигания предусмотрены устройства, обеспечивающие установку поздних углов опережения зажигания, иногда даже после верхней мертвой точки (ВМТ). При этом процесс сгорания смеси затягивается на такте расширения, нередко до открытия выпускного клапана. Концентрация СО и NOx в ОГ ДВС практически не меняется, а концентрация СnНm уменьшается. Это объясняется увеличением температуры ОГ и догоранием СnНm в выпускной системе. Отрицательным последствием работы ДВС при позднем зажигании является снижение КПД и некоторое увеличение расхода топлива.

Второе направление совершенствования системы зажигания - обеспечение стабильной мощной искры на свече. Это привело к появлению систем зажигания с увеличенным временем разряда или подачей серии искр. Применение транзисторных систем зажигания, обеспечивающих мощный разряд, позволяет снизить содержание СnНm в ОГ до 10% с одновременным повышением надежности системы.

Как уже отмечалось, ОГ ДВС являются не единственным источником загрязнения атмосферы СnНm. Около 35% СnНm попадают в атмосферу с картерными газами и при испарении топлива из карбюратора и топливного бака.

Самым распространенным способом предотвращения попадания в атмосферу СnНm с картерными газами является использование замкнутой системы вентиляции картера.

ОГ (СnНm), попавшие в картер ДВС, очищаются в маслоотделителе от капелек масла, поступают в воздушный фильтр, а затем в карбюратор, и сгорают в цилиндре.

При замкнутой системе вентиляции картера выброс уменьшается на 10-50%, но приблизительно в 2 раза увеличивается содержание бенз(а)пирена в ОГ. Это объясняется тем, что во впускную систему вместе с ОГ попадают пары масла, которые затем сгорают в ДВС.

Для уменьшения испарения топлива на автомобили устанавливается СУПБ. Такие системы монтируются на автомобилях ВАЗ, предназначенных для экспорта в Северную Америку. СУПБ работает следующим образом: при неработающем ДВС в случае достижения определенного давления паров в топливном баке они через трехпозиционный клапан поступают в адсорбер, представляющий собой емкость с активированным углем.

В адсорбере пары топлива накапливаются. При работающем ДВС через адсорбер просасывается воздух, который уносит накопившиеся пары топлива во впускную систему двигателя. При работающем двигателе магистраль, связываю­щая топливный бак и адсорбер, перекрыта.

У автомобиля, оборудованного СУПБ, количество СnНm, попадающее в атмосферу при испарении топлива, уменьшается в 5 раз.

Состав ОГ в наибольшей степени определяется техническим состоянием ДВС. На ДВС приходится 84% неисправностей, влияющих на выброс токсичных веществ. Очевидно, что старые автомобили в эксплуатации имеют значительно более высокую токсичность ОГ, чем новые. Это объясняется изменением в результате эксплуатации технического состояния и регулировок систем питания и зажигания, газораспределительного механизма, износом цилиндро-поршневой группы, отложением нагара на стенках камеры сгорания, увеличением потерь в трансмиссии и сил сопротивления движению.

Поддержание технического состояния автомобиля в период его эксплуатации позволяет значительно уменьшить загрязнение атмосферы продуктами неполного сгорания топлива (в среднем на 30-40% для одного автомобиля). В итоге цифра получается очень значительная, поскольку основную часть парка составляют автомобили со средними и большими пробегами.

Токсичность двигателя с искровым зажиганием можно существенно уменьшить путем совершенствования конструкции и формы камеры сгорания, впускной и выпускной систем двигателя, введения оптимальных регулировок состава смеси и угла опережения зажигания , применения непосредственного впрыска топлива, организации послойного смесеобразования, перепуска ОГ во впускную систему, впрыска воды, поддержания двигателя в должном техническом состоянии, рациональной его эксплуатации.

На выделение токсичных веществ двигателем с искровым зажиганием большое влияние оказывает состав смеси и угол опережения зажигания. Подбирая оптимальные в отношении токсичности регулировки указанных параметров, можно значительно уменьшить выделение токсичных веществ. Это в равной мере относится и к карбюраторным, и дизельным двигателям.

Наибольшее количество токсичных веществ двигатель выделяет при ускорении и замедлении автомобиля, а также на режиме холостого хода. Поэтому в первую очередь указанные выше параметры регулируются на этих режимах. Влияние регулировок состава смеси а и угла опережения зажигания Q на концентрацию токсичных веществ в ОГ карбюраторного двигателя при разгоне автомобиля приведено, в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1 - Количество токсичных веществ в зависимости от скорости автомобиля

*Величина ά = 0,87 и Q = 10° до В.М.Т. соответствует заводским регулировкам;

**Угол опережения зажигания для режимов холостого хода.

Оптимальные регулировки двигателя являются эффективным средством для уменьшения токсичности двигателей (по продуктам неполного сгорания).

Признанным методом уменьшения выделения оксидов азота с ОГ является перепуск части газов во впускную систему двигателя. С 1973 г. предполагалось широкое применение этой системы на американских автомобилях. Концентрация NOx в ОГ двигателя зависит от максимальной температуры и наличия свободного кислорода в продуктах сгорания.

Уменьшение выделения NOx с помощью рециркуляции части ОГ объясняется понижением максимальной температуры процесса сгорания из-за уменьшения количества топлива, поступающего в цилиндр при рециркуляции, и большей теплоемкости продуктов сгорания по сравнению с теплоемкостью воздуха.

Введение системы рециркуляции несколько ухудшает динамические качества автомобиля. При работе двигателя на этилированном бензине в системе рециркуляции и камере сгорания образуются отложения, которые содержат в основном свинец. Это приводит к нарушению ее нормальной работы.

Впрыск воды во впускной трубопровод двигателя приводит к понижению максимальной температуры цикла и, следовательно, к снижению концентрации NOx при работе с различными α. Наибольший эффект достигается при отношении количества воды к количеству топлива равном 1,25, и α = 0,925. Впрыск воды несколько улучшает мощностные и экономические показатели двигателя. Только при α = 0,925 и больших подачах воды показатели начинают ухудшаться.

Однако для массового автомобиля система вряд ли найдет применение из-за усложнения конструкции и необходимости иметь запас воды, соизмеримый с запасом топлива.

Относительное изменение выделения оксидов азота в зависимости от коэффициента избытка воздуха, полученное обработкой опытных данных по различным двигателям, показывает, что уменьшение концентрации оксидов азота возможно при обогащении смеси до α = 0,6-0,8 или обеднении до α > 1,15. Работа двигателя на обогащенных смесях приводит к резкому повышению концентрации продуктов неполного сгорания (СО и СН), а при обеднении смеси двигатель начинает работать неустойчиво. Для уменьшения выделения всех основных токсичных компонентов (NOx, СО, СН) целесообразно применять глубокое расслоение смеси, при котором в первой стадии процесс сгорания происходит в зоне обогащенной смеси, а во второй стадии - в зоне обедненной смеси. Выход оксидов азота в первой стадии ограничивается недостатком кислорода, а во второй - низкой температурой. При послойном смесеобразовании обогащенная смесь находится в зоне расположения свечи зажигания. Это создает благоприятные условия для воспламенения смеси электрической искрой и формирования начального очага пламени, что обеспечивает устойчивую работу двигателя на обедненных смесях и уменьшение цикловой неравномерности. В настоящее время известно много способов послойного смесеобразования и сжигания неравномерно распределенной смеси. Основные из них: бесфоркамерно-факельное дожигание рабочей смеси, форкамерно-факельное сжигание, расслоение смеси внутри цилиндра с помощью вихревого движения воздуха и впрыска топлива в воздушный поток, подача дополнительного воздуха в цилиндр, применение разделенных камер сгорания.

На выделение токсичных веществ двигателями влияет большое число различных эксплуатационных факторов: режим работы, температура деталей камеры сгорания, нагарообразование, износ цилиндропоршневой группы, состояние топливоподающей системы и системы зажигания.

Уменьшение выделения токсичных веществ с картерными газами может быть достигнуто двумя методами: уменьшением прорыва газов в картер двигателя и предотвращением попадания картерных газов в атмосферу.

К системам, разрабатываемым в соответствии с этими методами, предъявляются следующие требования: высокая эффективность, простота конструкции и надежность ее работы, большой срок службы. Кроме того, применяемые устройства не должны ухудшать эксплуатационные показатели двигателя и увеличивать токсичность ОГ.

Более рациональным представляется первый метод, однако второй легче реализовать. Поэтому в настоящее время более разработанными являются системы, предотвращающие попадание картерных газов в атмосферу.

Уменьшение выброса углеводородов в атмосферу вследствие испарения топлива из карбюратора и топливного бака возможно различными способами: применением топлив с меньшей испаряемостью; адсорбцией паров топлива в специальных фильтрах; герметизацией топливного бака; сбором паров топлива в специальную емкость (или картер) при неработающем двигателе; конденсацией паров топлива; вентиляцией топливного бака во впускную систему двигателя; вентиляцией топливного бака для уменьшения колебаний температуры топлива в нем.

К системе, предотвращающей образование паров топлива или улавливающей их, предъявляются следующие требования: значительное уменьшение потерь топлива за счет испарения, универсальность, т.е. возможность применения системы на различных автомобилях, простота конструкции, компактность и большой срок службы. Кроме того, система не должна увеличивать выделение токсичных веществ с ОГ (через воздействие на процесс сгорания) и ухудшать эксплуатационные показатели двигателя.

Выше было рассмотрено большое количество различных способов воздействия на рабочий процесс и конструкцию двигателя с искровым зажиганием с целью уменьшения выделения токсичных веществ. Поскольку эти способы являются или специфическими для отдельных токсических компонентов, или оказывают различное воздействие на выделение разных компонентов, представляется целесообразным обобщить способы воздействия на основные компоненты и рассмотреть некоторые комбинации из них. Их можно сгруппировать так: уменьшение токсичности двигателей путем усовершенствования рабочего процесса и конструкции; регулировка угла опережения впрыска топлива и подбор топливной аппаратуры.

В ОГ дизелей доминируют такие токсичные вещества, как оксиды азота и сажа; кроме того, также необходимо обращать внимание на дымность и запах. Запах ОГ дизелей связан с присутствием в них ряда веществ (альдегидов и др.). В настоящее время проводятся работы по установлению связи между запахом и химическим составом ОГ. Борьба с запахом может проводиться как в направлении его устранения, так и превращения его из неприятного в приятный (добавка присадок).

Уменьшение угла опережения впрыска топлива на 1 градус снижает концентрацию NOx в ОГ на 150-200 чнм. Содержание сажи в ОГ уменьшается с увеличением угла опережения впрыска. Таким образом, уменьшая угол опережения впрыска топлива, можно существенно снизить выделение оксидов азота дизелями, но при этом выделение сажи заметно возрастает, и для его уменьшения необходимо принимать специальные меры. Большое влияние на токсичность дизелей оказывают характеристики топливной системы: продолжительность впрыска и размеры сопловых отверстий распылителя. Следовательно, подбирая топливную аппаратуру, можно влиять на токсичность ОГ дизеля, особенно на их дымность.

Большое влияние на выделение токсичных веществ с ОГ дизелей оказывает организация процессов смесеобразования и сгорания. Установлено, что двухкамерные (вихрекамерные и предкамерные) дизели выделяют примерно 50% оксидов азота от выбрасываемых однокамерными.

Одним из средств уменьшения выделения NOx с ОГ дизелей является применение рециркуляции ОГ.

Дымность ОГ двигателей может быть уменьшена применением специальных устройств, корректирующих работу циркулятора. Эти устройства часто выполняют в виде амортизатора, который ограничивает скорость перемещения рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД) относительно положения, соответствующего максимальной подаче.

Например, оснащение ТНВД автобусов «Икарус» устройством, ограничивающим пусковую подачу на работающем двигателе, дает возможность существенно снизить общее дымление автобусов. Значение дымности ОГ при этом приближается к значениям, предписанным отечественными нормами. Такое устройство представляет собой двухпозиционный ограничитель 1 хода рейки топливного насоса, размещенный в месте выхода рейки из корпуса 3 ТНВД. Ограничитель соединяется с соленоидом 5 посредством гибкой тяги 2. Соленоид включается параллельно стартеру, что обеспечивает его срабатывание только в момент запуска двигателя, в соответствии с рисунком 1. Такая компоновка позволяет удовлетворить жесткие ограничения на габариты и массу устройства. Соленоид при запуске двигателя, получив электропитание, посредством гибкой тяги перемещает шток и освобождает рейку, которая может теперь перейти в положение пусковой подачи.

Рисунок 1 - Устройство для ограничения хода рейки ТНВД двигателя РАБА-МАН: 1 - ограничитель хода рейки, 2 - гибкая тяга; 3 - ТНВД; 4 - кронштейн; 5 - соленоид.

После запуска двигателя цепь питания соленоида разрывается и ограничительный шток под действием пружины возвращается в положение, ограничивающее перемещение рейки, что обеспечивает цикловую подачу топлива, не превышающую номинальной во всем диапазоне работы насоса.

Данные устройства в условиях эксплуатации подтвердили свою эффективность. Относительное снижение дымности на автобусах типа «Икарус-260», оснащенных этим устройством, составило 30%. Устройство позволяет также снизить потребность в топливе на 1-2%.

Определенное снижение дымности АТС можно получить и более простым способом, ограничив ход рейки установкой постоянного упора простейшей конструкции (прокладка, шайба, ограничительный винт), величину снижения пусковой подачи подбирают из условий нормального запуска двигателя. Такого рода регулировка должна иметь сезонный характер.

Исследования колесных тракторов Т-150К показали, что дымность ОГ новых тракторных дизелей при разгоне без нагрузки от минимальной до максимальной частоты вращения на х.х. достигает 96-100%, что в 2 раза превышает нормы, установленные стандартами. Решить эту проблему способствует усовершенствование топливной аппаратуры энергонасыщенных тракторов Т-150К, которые широко используются на транспортных работах. Универсальный регулятор скорости для топливных насосов этих тракторов позволяет переключать режимы работы дизеля в зависимости от условий эксплуатации машины. Перспективны также исследования по разработке и изготовлению пневматических и механических корректоров подачи топлива автотракторных дизелей с турбонаддувом. Эксплуатационные испытания таких опытных топливных насосов показали, что дымность тракторов Т-150К на переменных режимах работы снизилась с 49-100% до 45-50, а расход топлива уменьшился на 8-10%. Кроме этого, топливный насос с корректированием подачи топлива по давлению наддува позволяет защитить двигатель от тепловых перегрузок и аварийных ситуаций при падении или отсутствии давления наддува.

Новые автотракторные дизели имеют повышенную дымность на переменных режимах работы из-за несовершенства процесса смесеобразования и сгорания топлива, а также из- за рассогласования подачи топлива и воздуха в цилиндры двигателя. Повышенная дымность появляется у новых дизелей также и при перегрузках. Одна из причин повышенной дымности - недостаточное согласование скоростных характеристик топливных насосов с характеристиками дизелей по пределу дымления. Топливные насосы имеют чрезмерное корректирование цикловой подачи топлива в области перегрузочных режимов. Внедрение автоматических устройств (обратных корректоров) для уменьшения подачи топлива по пределу дымления на режиме перегрузки (от режима максимального крутящего момента до минимальной устойчивой частоты вращения под нагрузкой) позволяет уменьшить дымность ОГ до норм, установленных стандартами.

2 Нейтрализация вредных веществ в выпускной системе

Разработка различного вида нейтрализаторов - насущная необходимость. Она продиктована двумя основными причинами: довольно высокими темпами роста транспортных машин и, вследствие этого, большим объемом вредных выбросов, сильно загрязняющих атмосферу.

По принципу работы нейтрализаторы подразделяются на каталитические и термические - дожигатели и жидкостные.

По количеству компонентов нейтрализаторы могут быть однокомпонентные (реагируют только на выбросы NOx); двухкомпонентные (реагируют на два элемента - СО, СН); трехкомпонентные (реагируют на три самых распространенных элемента: СО, СН, NOx) и др.

По количеству ступеней, в которых происходит очистка: одно- и двухступенчатые. Нейтрализаторы бывают восстановительные (а) и окислительные (б).

В мировой практике широкое применение находят нейтрализаторы тройного действия (СО/СН/ NOx). Максимальная эффективность таких нейтрализаторов достигается при их работе в контуре автоматической системы управления подачей топлива, содержащей помимо непосредственно нейтрализатора кислородный датчик и электронный блок управления.

В дизелях применяются только окислительные нейтрализаторы. Принцип их работы заключается в том, что ОГ, проходя по нейтрализатору, вступают в реакцию с расположенными там гранулами дорогих металлов (платина, палладий) и превращаются в нетоксичные вещества.

Различные типы нейтрализаторов размещаются в выпускном тракте ДВС и там, в зависимости от принципа работы (каталитический, термический, механический, водяной), выполняют свои функции.

Дожигание вредных компонентов в самой системе выпуска автомобилей является наиболее доступным, достаточно эффективным и распространенным способом.

Дожигание ВВ (оксида углерода, несгоревших углеводородов) проходит при участии катализаторов - ускорителей химических реакций в процессе многократного промежуточного химического взаимодействия с веществами, участвующими в реакции.

Особенность этих реакций заключается в том, что катализаторы не входят в состав конечных продуктов и теоретически могут служить неопределенно долго, хотя на самом деле в результате побочных процессов происходят изменения катализатора, его отравление продуктами, сопутствующими реакции, унос с конечными веществами и т. д.

Дожигание происходит в специальных камерах-дожигателях, обеспечивающих необходимый контакт с катализатором.