Циклический характер работы двс один из его недостатков, но вместе с тем именно благодаря ему в двс реализуются высокие максимальные температуры и давления (стр. 5 из 27)
Для уменьшения загрязняющего воздействия ДВС на окружающую среду прежде всего необходимо улучшать их экономичность. С уменьшением удельного расхода топлива при прочих равных условиях теоретически пропорционально должно уменьшаться и количество токсичных компонентов и CO2 в выпускных газах. Однако следует учесть, что с ростом КПД ДВС выделение NOx может расти более интенсивно, чем уменьшение CO, CHx, твердых частиц и других продуктов неполного сгорания, т.е. повышение экономичности может привести к ухудшению показателей токсичности за счет увеличения выбросов токсичных оксидов азота.
Большие резервы для уменьшения токсичности выпускных газов ДВС предоставляет совершенствование протекания рабочего процесса ДВС. Привлекательность этого пути улучшения экологических характеристик ДВС состоит в том, что улучшение протекания рабочего процесса, как правило, сопровождается и повышением эффективности функционирования ДВС, за исключением большинства средств ограничения выбросов токсичных веществ.
Для снижения количества токсичных веществ в продуктах сгорания необходимо улучшать качество смесеобразования и сгорания, обеспечивать работу двигателя на обедненных смесях, снижать объем смеси или топливных факелов в зонах гашения пламени ( в пристеночных зонах камеры сгорания), подбирать рациональные в соответствии с режимом работы углы опережения зажигания смеси или впрыскивания топлива, применять рециркуляцию выпускных газов.
Улучшение смесеобразования и сгорания приводит к снижению дымности выпускных газов и содержания в них CO и CHx. Минимальное содержание CO и CHx в выпускных газах получается при экономичной регулировке , т.е. при a = 1, 05 - 1,15. При работе двигателя с этой регулировкой температура сгорания достаточно высокая и в зоне продуктов сгорания имеется большое количество свободного кислорода. По этим причинам в выпускных газах наблюдается максимальное содержание NOx (соответствует a = 1,15). В связи с эти для уменьшения образования основных токсичных компонентов – NOx , CO и CHx в двигателях с принудительным воспламенением смеси ( с распределенным впрыскиванием бензина) полезно применение расслоение смеси, при котором на первом этапе (в зоне расположения свечи) сгорание происходит в зоне с обогащенной смесью, а на втором этапе – в зоне с обедненной смесью ( в основном объеме камеры сгорания). Эта же идея расслоения заряда лежит и в основе создания процесса в двигателях с принудительным зажиганием и непосредственным впрыскиванием легкого топлива в цилиндр. При этом появляется возможность ослабить ограничения на детонационные свойства топлива и перейти к качественному регулированию мощности двигателя, исключив в основном диапазоне режимов работы двигателя регулирование при помощи дроссельной заслонки и отрицательные последствия дросселирования – повышенную работу насосных ходов при прикрытой дроссельной заслонке, а также полностью исключить последствия образования топливной пленки во впускном коллекторе, неизбежной при карбюраторном способе образования или при центральном впрыскивании легкого топлива.
Эта концепция развития бензиновых двигателей, работающих на ультрабедных смесях с повышенными степенями сжатия без детонации позволит в ближайшее время сделать прорыв в создании эффективных малотоксичных и высокоэкономичных бензиновых двигателей.
Изменение угла опережения зажигания в двигателях с принудительным воспламенением слабо влияет на содержание CO2 и CO в выпускных газах. Концентрация же CHx при уменьшении угла опережения зажигания уменьшается и лишь при чрезмерно позднем зажигании возможно увеличении CHx . Концентрация NOx резко снижается при работе двигателя в диапазоне a > 1,0 с уменьшением угла опережения зажигания, что главным образом связано с уменьшением максимальной температуры цикла. При работе же в диапазоне a < 1,0 образование NOx ограничивается недостатком свободного кислорода в зонах сгоревшей смеси. По этой причине концентрация NOx практически не изменяется с изменением угла опережения зажигания.
Таким образом, в двигателях с принудительным воспламенением смеси можно существенно уменьшить токсичность ДВС, подбирая рациональные в отношении токсичных веществ в выпускных газах состав смеси и угол опережения – зажигания.
В дизелях средняя по объему камеры сгорания температура сгорания выше, чем в двигателях с принудительным зажиганием. Однако локальные температуры в камере сгорания достаточно высокие, что в условиях большого избытка кислорода способствует образованию NOx. Поэтому при одном и том же коэффициенте избытка воздуха в зависимости от качества протекания смесеобразования содержание одного из основных токсичных компонентов в выпускных газах NOx может существенно изменяться. Для уменьшения содержания NOx в выпускных газах дизеля следует выравнивать распределение температуры по объему камеры и снижать среднемассовую температуру. Эффективным средством выравнивания распределения температуры по объему камеры сгорания является турбулизация воздушного заряда и улучшение распределения топлива по объему камеры сгорания (повышение давлений впрыскивания и оптимизация распределения топливных факелов по объему). Характерно, что это мероприятие не скажется на термодинамическом совершенстве цикла, так как термодинамический КПД однозначно определяется величиной среднемассовой температуры.
Снижению среднемассовой температуры заряда во время горения способствуют рециркуляция отработавших газов и охлаждение воздушного заряда на впуске или внутреннее охлаждение в цилиндре (например, реализация цикла Миллера).
Другой токсичный компонент в выпускных газах – сажа – образуется в зонах камеры сгорания с сильно переобогащенной смесью в результате термического распада топлива под действием высокой температуры. Сажа загрязняет легкие человека, но главная ее опасность состоит в том, что она является адсорбентом других токсичных веществ, в том числе ПАУ, например, бенз(а)пирена, являющегося сильнейшим канцерогеном. Тем самым сажа увеличивает продолжительность воздействия опасных веществ на организм человека. В процессе расширения происходит частичное выгорание сажи. В отличие от дизелей в двигателях с принудительным воспламенением, работающих при a > 0,7 сажа образуется в ничтожных количествах. И только при переходе к непосредственному впрыскиванию бензина в цилиндр вероятность возникновения сажи увеличивается.
Таким образом, содержание сажи в выпускных газах дизелей можно существенно снизить ограничением ее образования и содействием ее выгорания в процессе расширения путем улучшения смесеобразования и сгорания.
Дизели с разделенными камерами сгорания ( предкамерные и вихрекамерные) менее токсичны, чем дизели с неразделенными камерами сгорания, так как в них органически реализуются принципы расслоения заряда и повышенной турбулизации, способствующие уменьшению выброса оксидов азота NOx. Однако вследствие повышенных тепловых и гидравлических потерь они менее экономичны, поэтому их применение дизелей с разделенными камерами рационально только там, где экологические требования являются решающими.
Эффективным методом снижения токсичности выпускных газов является рециркуляция отработавших газов, заключающаяся в возвращении части отработавших газов из выпускной системы на впуск и смешивании их со свежим зарядом (рис.4.1). Этот метод основан на разбавлении поступающего в цилиндр воздуха химически инертными газами. Наибольший эффект при разбавлении обеспечивают высокотеплопроводные газы, такие как CO2 . Снижение токсичности при рециркуляции ОГ обусловлено как воздействием на процессы горения, так и снижением общей массы выпускных газов, выбрасываемых в атмосферу, поскольку часть газов снова возвращается в двигатель. Воздействие рециркуляции на процессы горения заключается в задержке начала сгорания и замедлении его развития (флегматизация процессов горения), что приводит к снижению температур сгорания и уменьшению эмиссии оксидов азота NOx . При этом снижаются и выбросы альдегидов. Наиболее эффективна рециркуляция охлажденных газов, так как при перемешивании с охлажденными газами температура смеси воздуха с рециркулируемыми газами получаются ниже.
 |
| Рис. 4.1. Система рециркуляции выхлопных газов |
Перепуск обычно осуществляют на режимах работы двигателя, на которых в цилиндре имеется достаточное количество кислорода, поэтому на холостых нагрузках степень рециркуляции достигает 55%, а на режимах с нагрузкой 75..80% степень рециркуляции уменьшается до 0. Регулирование доли доли перепускаемых газов осуществляется электронными системами управления РОГ с учетом скоростного и нагрузочного режима работы с учетом давления и температуры окружающего воздуха, свойства применяемого топлива. Применение РОГ с электронным управлением клапана рециркуляции приводит к снижению выбросов NOX на 30-75% при работе по 13-ступенчатому циклу. Следует отметить, что надежность двигателя с системой РОГ снижается при работе на высокосернистых топливах вследствие рециркуляции вместе с отработавшими газами серной кислоты, способствующей интенсификации коррозионного износа. Увеличению износа двигателя способствует и циркуляция частиц сажи вместе с отработавшими газами.
Углеводороды CHx образуются в зонах камеры сгорания с невысокой температурой (пристеночные зоны), с чрезмерно обогащенной или обедненной смесью, а также при пропусках воспламенения смеси и при испарениях топлива и масла. Количество углеводородов, выбрасываемое в атмосферу, сравнительно невелико, за исключением двухтактных двигателей с внешним смесеобразованием и большими коэффициентами продувки. При неблагоприятных условиях несгоревшие углеводороды образуют смог. Уменьшение содержания углеводородов в выпускных газах достигается обеспечением герметичности топливной аппаратуры, обеспечением полноты сгорания, ликвидацией пропусков сгорания, выбором конструкции камеры сгорания. Для понижения концентрации CHx в выпускных газах часто используют термические нейтрализаторы, в которых организуется догорание несгоревших углеводородов CHx, CO и H2.