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