9.5.4 Горение в двигателях с принудительным воспламенением

Процессы воспламенения в гомогенных (равномерно перемешанных) смесях, что характерно для ДВС с принудительным воспламенением, определяются параметрами систем зажигания. На скорость распространения пламени v_пл здесь, так же как и в дизелях, оказывает существенное влияние степень турбулизации рабочего тела, которая задаётся при впуске и сжатии, но, кроме того, и коэффициент избытка воздуха  (рис. 10.7).

В двигателе с искровым зажиганием недопустима детонация. Это явление одновременного очень быстрого (взрывного) сгорания части гомогенной бензовоздушной смеси в цилиндре двигателя. Оно возникает, как правило, в наиболее узких (щелевидных) и удалённых от свечи местах камеры сгорания. Детонация связана с сильным сжатием остатков смеси горящим фронтом основной её части. В результате этого сжатия температура и давление на периферии камеры сгорания увеличиваются на столько, что период индукции остатков смеси резко уменьшается и происходит её самовоспламенение (как в дизеле). Это порождает ударную волну, движущуюся от одной стенки камеры сгорания к другой. Частота данных колебаний зависит от диаметра цилиндра и составляет 3 ... 6 кГц, что и порождает характерный жёсткий стук в моторе.

Детонация приводит к резкому увеличению (в 2 ... 10 раз) динамических нагрузок в механизмах ДВС и трансмиссии, ухудшению экономичности двигателя за счёт увеличения трения во всех парах.

Чтобы избежать детонации необходимо при повышении степени сжатия  двигателя применять топливо с повышенным октановым числом ОЧ. Это увеличивает период индукции _i. Также необходимо применение регуляторов угла опережения зажигания, причём как по угловой скорости коленчатого вала _д, так и по нагрузке _д ( p_e ). Одним из путей уменьшения вероятности появления детонации является выбор рациональной конфигурации камеры сгорания и прежде всего исключение щелевидных объёмов. Наилучшей считается клиновидная камера Рикардо. Во фронтальной плоскости её проекция близка к прямоугольному треугольнику, на меньшем катете которого расположена свеча зажигания (рис. 10.8,а).

В случае применения многоклапанных (3-х, 4-х и т.д.) цилиндров используют камеру, имеющую в проекции вид равнобедренного треугольника (рис. 10.8,б), располагая свечу в центре.

Одно из эффективных антидетонационных средств, которое используется на спортивных и авиационных поршневых моторах, применение двух свечей зажигания в каждом цилиндре на противоположных сторонах камеры сгорания.

Тема № 10. Токсичность двс

Конечными продуктами при полном сгорании углеводородов являются относительно безвредные вещества - углекислый газ CO₂ и вода H₂O. Но всё дело в том, что процесс горения в ДВС весьма непродолжителен и нестационарен. К тому же, как показано выше, горение - это совокупность цепных химических реакций с большой последовательностью превращений. Поэтому в отработавших газах двигателей может содержаться более ста различных химических соединений, которые являются продуктами сгорания топлива и побочных реакций. Многие из этих веществ вредны для человека, то есть являются токсичными.

На количество выделяемых вредных веществ влияет тип двигателя, способ смесеобразования, вид камеры сгорания, параметры и характеристики системы питания, нагрузочный и скоростной режимы работы и другие факторы.

Токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах двигателей самоходных машин, принято делить на следующие группы:

1. монооксид углерода, он же угарный газ, CO;

2. окислы азота (NO, NO₂, N₂O₄), которые обозначают NO_x;

3. несгоревшие углеводороды, многие из которых чрезвычайно токсичны и канцерогенны, условно обозначаемые, как CH;

4. твёрдые частицы (ТЧ), большую часть из которых составляет сажа C.

Для оценки масштабов загрязнения окружающей среды транспортом достаточно отметить, что один среднестатистический автомобиль за год эксплуатации выбрасывает в атмосферу 600 кг угарного газа и 40 кг окислов азота. И только благодаря огромному объёму земной атмосферы и практически постоянному перемещению воздушных масс не происходит массового отравления людей выхлопными газами самоходной техники.

Согласно санитарным нормам, предельно допустимой концентрацией (ПДК), то есть не оказывающей вредного влияния на человека, например, для угарного газа является 1 мг на 1 м³ воздуха (примерно одна миллионная доля по объёму). Токсичность NO_x более, чем в 40 раз превышает CO. Крайне токсичны продукты неполного сгорания - альдегиды RCOH и кетоны RRCO, где R - осколок углеводородной молекулы. Например, формальдегид HCOH в 70 раз, а бензапирен C₂₀H₁₂ в 200 раз токсичнее CO. Следует иметь в виду, что само углеводородное топливо токсично. Причём менее вредны алканы и цикланы по сравнению с алкенами и особенно ароматиками. Даже концентрация углекислого газа CO₂, который выдыхает каждый человек, превышающая 3 %, - смертельна.

Окислы свинца и ряд других канцерогенных веществ не поддаются непосредственной токсикологической оценке, так как их содержание в отработавших газах крайне мало и немедленных признаков отравления они не дают. Но при длительном воздействии накапливаются в организме человека и вызывают онкологические заболевания.

Помимо прямого отрицательного воздействия на человека отработавшие газы оказывают так называемые вторичные отрицательные эффекты - смог в крупных городах и парниковый эффект атмосферы.

В качестве оценочной характеристики экологических качеств самоходных машин иногда принимают эквивалентную сумму масс токсичных компонентов отработавших газов m_ток на один километр пути при движении по условному типовому маршруту (циклу). Под понятием эквивалентная подразумевается, что масса каждого компонента отработавших газов приводится к токсичности угарного газа по зависимости

, (11.1)

где m_CO - масса угарного газа в отработавших газах на один километр пути;

m_CH - аналогично для массы несгоревших углеводородов;

- аналогично для массы окислов азота;

- аналогично для массы твёрдых частиц.

Однако многочисленные нормативные акты (ГОСТ 17.2.2.03-86, ГОСТ 21393-75, ОСТ 37.001.54-86, Директива № 98/69 ЕС 1998 г. и др.) регламентируют количество вредных выбросов самоходной машиной по каждому компоненту на один километр пути при движении по условному маршруту или при работе двигателя на заданном режиме.

Накопление угарного газа CO в отработавших газах происходит при горении обогащённых смесей ( < 1), то есть при недостатке кислорода, что свойственно в большей степени двигателям с принудительным воспламенением.

Многочисленные опыты показали, что на концентрацию CO и других компонентов в отработавших газах определяющее влияние оказывает коэффициент избытка воздуха . Эти зависимости для малолитражного двигателя с принудительным воспламенением при его работе на средних нагрузках иллюстрирует рис. 11.1, где нетрудно заметить, что максимум NO_x соответствует минимуму CO (  1,05). Эта же точка совпадает с минимумом CH и максимумом CO₂.

По концентрациям CO₂ и H₂O можно судить о совершенстве рабочего процесса ДВС, то есть, чем выше удельный вес указанных компонентов в отработавших газах мотора, тем полнее сгорает топливо.

При  > 1,1 содержание CO в выхлопных газах весьма невелико. Поэтому в дизелях, которые работают со значительными средними коэффициентами избытка воздуха ( = 1,3 ... 1,7 и более) концентрация CO как правило не превышает 0,3 %.

Образование несгоревших углеводородов CH наблюдается в пристеночных, то есть наиболее холодных, объёмах камеры сгорания. Поэтому чрезмерное охлаждение двигателя недопустимо, так как это снижает не только его мощностные и экономические показатели, но и значительно увеличивает токсичность отработавших газов.

Наибольшую опасность из всех канцерогенов отработавших газов представляет бензапирен (рис. 10.2).

Бензапирен образуется в результате пиролиза тяжёлых фракций топлива и моторного масла в пристеночных объёмах камеры сгорания в условиях сильного недостатка кислорода при T = 400 ... 700 С. При температуре T > 1000 С БаП разлагается на водород и углерод.

При износе деталей цилиндропоршневой группы содержание бензапирена в отработавших газах увеличивается в десятки раз и может доходить до 0,5 мг/м³ и более. Особенно большое его содержание в выхлопных газах двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой. В отработавших газах ДВС БаП адсорбируется на частичках сажи. Причём на сажевых частицах четырёхтактных двигателей с принудительным воспламенением бензапирена значительно больше в сравнении с дизелями. Правда, концентрация сажи в отработавших газах бензиновых двигателей существенно меньше.

Сажа образуется в сильно переобогащённых зонах камеры сгорания при высоких температурах (T > 1000 С). Сама по себе сажа безвредна. Однако, как показано выше, чистой сажи в отработавших газах нет. У двигателей с принудительным воспламенением значительное выделение сажи имеет место при резком увеличении подачи топлива после длительной работы на режиме холостого хода. Это связано с большими отложениями сажи на контрольной поверхности при работе мотора без нагрузки, так как температура стенок относительно невелика, но  < 1. В наибольшей степени сажеобразование свойственно дизелям. Однако при  > 1,3 и достаточно сильной турбулизации рабочего тела в цилиндре вся образовавшаяся в стволе факела сажа успевает сгореть. В этом случае характерного чёрного дыма из выпускной трубы как правило не наблюдается.

Образование окислов азота NO_x в цилиндрах ДВС имеет термическую природу и непосредственно не связано с реакциями окисления углеводородов. При температурах T > 2000 С, что имеет место во фронте пламени, происходит диссоциация (разложение) молекул азота и кислорода на атомы. В результате они взаимодействуют с образованием окислов азота, из которых более 90 % составляет NO и уже в атмосфере осуществляется дальнейшее окисление до NO₂ и N₂O₄. Под действием солнечных лучей в течение нескольких часов происходит распад окислов азота на кислород и азот.

При обеднении топливовоздушной смеси концентрация NO_x в отработавших газах существенно возрастает. Этому также способствует резкое уменьшение температуры рабочего тела на такте расширения, то есть увеличение степени сжатия  и угловой скорости коленчатого вала _д. Данное явление называют “замораживанием” NO_x. Наиболее высока концентрация окислов азота у двигателей с принудительным воспламенением и дизелей с непосредственным впрыском топлива.