1. Сгорание топлива в двигателе

Под "сгоранием" применительно к автомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов и содержащихся в топливе соединений с кислородом воздуха. Такая реакция сопровождается свечением и выделением значительного количества тепла. Речь идет о сложном и не до конца изученном процессе. Общая картина физико-химических превращений топлива в процессе горения разработана в трудах Н.Н. Семенова, Ю.Б. Свиридова, А.С. Соколика и других ученых.

Окисление происходит в форме горения при условии быстрого перемещения активных частиц и разветвления цепей реакций. Это возможно только в газовой среде, поэтому жидкое топливо, сначала газифицируется, а затем воспламеняется. Воспламенение жидкого топлива осуществляется как от внешнего источника, так и в результате экзотермических реакций внутри самого топлива.

В составе жидкого топлива преобладают углерод и водород. При сгорании топлива наблюдаются следующие реакции

(1)

Сера реагирует с кислородом согласно уравнению

В процессе горения происходят такие процессы: связи в молекулах разрываются, атомы меняют положение, при этом выделяются различные пары и газы (их температура достигает 1500-2400°С), образующие при соединении с кислородом пламя (остаток топлива сгорает без пламени). Углекислый газ, пары воды, окислы серы, если она содержится в топливе, – конечные продукты горения.

От количества подаваемого воздуха во многом зависит процесс сгорания. Горение протекает медленно, температура невысока, если его недостаточно. Кроме того, при этом образуются продукты неполного сгорания (окись углерода, сажа и др.), а отработавшие газы становятся темными и даже черными. Если количество воздуха выше определенного предела, то много тепла будет расходоваться на нагревание азота – основного компонента воздуха – и избыточного кислорода; тогда температура снижается, скорость сгорания уменьшается и, как следствие, перерасходуется топливо.

Количество воздуха в горючей смеси, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, называют стехиометрическим. Для некоторых топлив эти значения (в килограммах) следующие:

Авиационный бензин	14,9
Автомобильный бензин	14,7
Дизельное топливо	14,4
Этиловый спирт	9,0
Метиловый спирт	6,5
Бензол	13,2

Полного сгорания топлива при условии наличия теоретически необходимого количества воздуха в действительности не происходит. Состав топливо-воздушной смеси, поступающей в камеры сгорания, при различных условиях и режимах работы двигателя может не совпадать с теоретически необходимым. Избытку или недостатку воздуха в смеси соответствует коэффициент избытка воздуха α, представляющий отношение массы действительно расходуемого воздуха к массе воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива (стехиометрическому)

где L – масса действительно расходуемого воздуха;

L₀ – масса воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива.

Горючую смесь стехиометрического (теоретического) состава называют нормальной при α = 1, богатая смесь характеризуется значением α < 1, бедная α > 1.

Коэффициент избытка воздуха при неполном сгорании определяются по формуле:

,

а при полном – по формуле:

,

где O₂ ,CO, N₂ – процентное содержание в продуктах сгорания кислорода, окиси углерода (определяют анализом на специальных приборах, называемых газоанализаторами) и азота (подсчитывают по разности

.

В бедных смесях (α > 1) топливо сгорает полностью, выделяя всю химическую энергию. В богатых смесях (α < 1) воздуха для полного сгорания недостаточно, поэтому они менее экономичны. В то же время богатые смеси горят быстрее и устойчивее, выделяя за единицу времени больше тепла, чем при сгорании стехиометрической и бедной смеси, и двигатель развивает большую мощность. Поэтому бедные смеси называют экономичными, а богатые смеси - мощностными. Величина α зависит от вида применяемого топлива, условий его сжигания, конструкции двигателя (табл. 1).

Двигатели внутреннего сгорания в обычных условиях работают на слегка обедненной рабочей смеси, что обеспечивает наиболее экономичный режим. При перегрузках прибегают к некоторому переобогащению смеси, хотя в этом случае топливо расходуется неэкономно.

Таблица 1 Ориентировочные значения коэффициента избытка воздуха

Вид топлива	α
Газообразное топливо	1,05 ... 1,20
Бензин	0,90 … 1,15
Дизельное топливо	1,20 ... 1,40
Бурый уголь, торф, дрова	1,50 … 2,0
Кокс, антрацит	1,40 … 1,60

Компоненты отработавших газов по характеру их воздействия на человека подразделяют на ядовитые (окись углерода, соединения свинца), канцерогенные бенз(а)пирен, раздражающие (окислы азота, серные соединения, альдегиды) и загрязняющие (сажа и альдегиды).

Продукты неполного сгорания топлива загрязняют, как известно, окружающую атмосферу, оказывают вредное действие на живые организмы и растительный мир. Поэтому наряду с обеспечением полного сгорания топлива, что повышает экономичность двигателя, не меньшее значение имеет проблема снижения токсичности отработавших газов автомобиля.

Автомобильные топлива и продукты их сгорания в общем загрязнении атмосферного воздуха могут составлять в крупных городах и ряде регионов страны более 80%. В табл. 2. представлен примерный состав отработавших газов автомобильных двигателей.

Таблица 2 Основной состав отработавших газов автомобильных двигателей внутреннего сгорания, млн^-1

Показатель	Топливо
	Дизельное	Природный газ	Бензин
Оксид углерода	200-400	10-8000	300-50000
Летучие углеводороды	До 300	До 600	До 10000
Альдегиды	До 20	Следы	До 40
Оксиды азота	200-2000	300-800	1000-4000
Сажа, мкг/м^3	До 0,25	Следы	До 0,05
Бенз(а)пирен, мкг/м^3	До 20	До 0,8	До 80
Озонообразующий потенциал, мг/миля	До 270	До 50	До 550

Рассмотрим влияние токсичных компонентов отработавших газов на организм человека.

Окись углерода вызывает кислородное голодание организма, поражение центральной нервной системы. Острые отравления окисью углерода могут вызвать головную боль, паралич, кровоизлияние в сетчатку, инфаркт миокарда, потерю сознания и даже привести к смертельному исходу.

Окислы азота (в бензиновых двигателях 95% окислов азота находится в виде NО, небольшое количество – в виде NО₂ и N₂О₅, попадая в организм человека, соединяются с водой, образуя азотистосодержащие кислоты. Максимальное количество окислов азота образуется при α = 1,05 … 1,10. Симптомы отравления появляются в виде кашля, удушья, возможен нарастающий отек легких.

Альдегиды (акролеин) вызывают сильное раздражение верхних дыхательных путей и воспаление слизистых оболочек глаз.

Углеводороды, оказывая вредное воздействие на центральную нервную систему, при острых отравлениях вызывают головокружение, головную боль, тошноту, судороги, расширение зрачков, расстройство дыхания и сердечной деятельности, поражение печени и почек.

Наибольшей активностью из полициклических ароматических углеводородов обладает бенз(а)пирен: аккумулируясь организмом до критических концентраций, приводит к раковым заболеваниям.

В нашей стране действует система государственных и отраслевых стандартов, определяющих пределы содержания токсичных веществ в отработавших газах автомобилей.

На токсичность отработавших газов влияют состав топливо- воздушной смеси, нагрузка, частота вращения коленчатого вала двигателя, тепловой режим, техническое состояние двигателя и другие факторы. Для улучшения процесса сгорания топлива в двигателях и снижения токсичности отработавших газов необходимы правильный подбор бензина для двигателя в соответствии с климатическими условиями, периодическая промывка системы смазки специальным промывочным маслом, систематическая промывка топливных и воздушного фильтров системы питания двигателя, своевременная регулировка карбюраторов для обеспечения оптимального состава смеси и другие мероприятия экс­плуатационного и организационно-технического характера.