Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

108

отношению к объему воздушного заряда до момента начала по-

дачи в цилиндр топлива,

32О4Н







 . (3.16)

Состав продуктов сгорания газообразного топлива также

определяется по конечным реакциям окисления горючих состав-

ляющих топлива, коэффициенту избытка воздуха и элементарно-

му составу топлива:

)кмоль(нм2

ОН2ОН2





;

)кмоль(нм2

)(2

СО2ОСО2





кмольнм

;

)кмоль(нм2

)кмоль(нм1

333

ОН2СОО2СН







;

 

)кмоль(нм2

)кмоль(нм

)кмоль(нм1

333

OH2COО

НС

n 













 .

Содержащиеся в газообразном топливе негорючие состав-

ляющие (СО

, Н

О, N

), избыток кислорода, пары воды и азот

воздуха переходят в продукты сгорания без изменения.

Объем двуокиси углерода в продуктах сгорания, приходя-

щийся на 1нм

газа:

4CO

COCCHCO







HnV













газанм

СОнм

. (3.17)

Объем паров воды в продуктах сгорания, приходящийся на

1 нм

газа, с учетом паров воды, поступивших в двигатель с воз-

духом:

OH02

42OН

ОНHС

CH2Н rV



















газанм

OHнм

. (3.18)

Объем избытка кислорода (если   1) и объем азота в про-

дуктах сгорания, приходящиеся на 1 нм

газа:

109





O0O

1 rVV



















газанм

Oнм

; (3.19)

N0N

rVV

















газанм

Nнм

. (3.20)

Суммарный объем продуктов сгорания, приходящийся на 1

нм

газа при полном сгорании горючих составляющих:

ONOHCOпр.сг

VVVVV

















газанм

пр.сгнм

. (3.21)

Изменение объема продуктов сгорания по сравнению с на-

чальным объемом смеси газа, сухого воздуха и паров воды в воз-

духе:





0пр.сг.

1 VVV























газанм

нм

(3.22)

или с учетом зависимостей (2.17), (2.18), (3.17) – (3.21):

 

COH

HC1

































газанм

нм

. (3.23)

Действительно, из реакций окисления водорода, оксида уг-

лерода следует, что объем конечных продуктов их окисления

уменьшается по сравнению с начальным объемом смеси на

0,5 кмоля. При окислении сложных углеводородов объем конеч-

ных продуктов сгорания по сравнению с начальным объемом

смеси возрастает на (m/4 – 1)C

. При окислении метана объем

конечных продуктов окисления равен начальному объему смеси.

Химический коэффициент молекулярного изменения

 

св.зар

пр.сг

COH

HC1

























. (3.24)

В зависимости от элементарного состава газа химический

коэффициент молекулярного изменения может быть больше и

меньше единицы, тогда как в случае жидкого топлива химичес-

110

кий коэффициент молекулярного изменения всегда больше еди-

ницы.

В двигателях с внеш-

ним смесеобразованием при

полном сгорании горючих

компонентов топлива ( =

= 1,0–1,2; топливо – бензин)

химический коэффициент

молекулярного изменения

находится в пределах 1,040–

1,055. В двигателях с внут-

ренним смесеобразованием

и качественным регулирова-

нием мощности (дизели) в

зависимости от нагрузочно-

го режима работы ( = 1,2–

6,0) химический коэффици-

ент молекулярного измене-

ния колеблется в пределах

1,012–1,055 (рис. 3.1).

Объемные доли компо-

нентов продуктов сгорания

находят как частные от де-

ления объема соответст-

вующего компонента на

суммарный объем продуктов

сгорания. Объемные доли

обозначают строчной буквой

r с соответствующим индек-

сом: например, объемная доля оксида и двооксида углерода в

продуктах сгорания – r

СО

и r

СО

, азота – r

В двигателях с внешним смесеобразованием при полном

сгорании топлива объемные доли компонентов продуктов сгора-

ния изменяются незначительно вследствие ограничения по верх-

нему пределу воспламеняемости топливовоздушной смеси ( 

 1,3). В двигателях с внутренним смесеобразованием и качест-

венным регулированием мощности коэффициент избытка возду-

Рисунок 3.1 – Изменение состава продук

тов

сгорания жидкого топлива в зависимости

от коэффициента избытка воздуха

(элементарный состав топлива, %:

С = 87; Н = 13;

относительная влажность воздуха – 80 %;

температура воздуха – 20С;

барометрическое давление – 750 мм рт.ст.)





1,02

1,04

111

ха с уменьшением нагрузки возрастает до 6. При этом состав

продуктов сгорания также изменяется в широких пределах

(рис. 3.1).

§4. Состав продуктов сгорания при неполном

сгорании топлива

Неполное сгорание горючих компонентов топлива может

иметь место и при избытке воздуха (  1), вследствие несовер-

шенства процессов смесеобразования и сгорания. Неполнота сго-

рания особенно резко возрастает при значениях коэффициента

избытка воздуха меньших единицы, характерных для двигателей

с внешним смесеобразованием. В этом случае в продуктах сгора-

ния содержится свободный водород, оксид углерода, углеводоро-

ды. Содержание водорода и углеводородов в продуктах сгорания

незначительно и их влиянием на объем и состав продуктов сгора-

ния можно пренебречь. Свободный углерод образуется в продук-

тах сгорания дизелей при несовершенстве процессов смесеобра-

зования и сгорания.

Состав продуктов сгорания жидкого топлива в двигателях с

внешним смесеобразованием определяется по реакциям окисле-

ния горючих компонентов топлива, если известны элементарный

состав топлива, коэффициент избытка воздуха, доля углерода то-

плива, ушедшая на образование оксида углерода:

кмоль 1

кг 12

СООС





;

кмоля 2

кг 4

О2НО2Н





;

кмоля 2

кг 24

2CОО2C





Объем составляющих продуктов сгорания:

 

С-1

СО

хМ 















кг топлива

СО кмоль

; (3.25)

СО

хМ 















кг топлива

СО кмоль

; (3.26)

112

ОН0ОН

rММ



















кг топлива

ОН кмоль

; (3.27)

N0N

rММ





















кг топлива

N кмоль

, (3.28)

где х – доля углерода, ушедшая на образование оксида углерода.

Суммарный объем продуктов сгорания:





ОНN0пр.сг

rrММ 



















кг топлива

пр.сг кмоль

, (3.29)

или

пр.сг.пр.сг

4,22 МV

















кг топлива

пр.сг. нм

. (3.30)

Преобразуем зависимость (3.29) следующим образом. На

основании (2.8)

О0





rМ ,

откуда





 rМ . (3.31)

Тогда объем продуктов сгорания с учетом (3.31) и соотно-

шения









О0ОНN0

1 rМrrМ















 

О00пр.сг

rМММ











. (3.32)

Химический коэффициент молекулярного изменения





т0

O00

т0

пр.сг

132О4Н































rММ

. (3.33)

Доля углерода, ушедшая на образование оксида углерода,

может быть определена из уравнения баланса кислорода в топли-

вовоздушной смеси и в продуктах сгорания:

 

С1

rМхх



 . (3.34)

113

Из уравнения (3.34)

24С

32О4Н12С

rМ











или с учетом зависимости (3.31)





124

О0

rМ









. (3.35)

Предельному случаю (х = 1), когда в продуктах сгорания

образуется только оксид углерода СО, соответствует значение

коэффициента избытка воздуха для бензина среднего элемен-

тарного состава (С = 0,855; Н = 0,140; О = 0,005), примерно рав-

ное 0,7. В действительности при значениях коэффициента избыт-

ка воздуха, меньших единицы, в продуктах сгорания резко воз-

растает содержание углеводородов и значение коэффициента из-

бытка воздуха, соответствующее условию образования в продук-

тах сгорания только СО, будет уменьшаться до 0,5–0,6.

§5. Токсичность отработавших газов

Токсичность отработавших газов двигателей внутреннего

сгорания обусловлена содержащимися в них токсичными и кан-

церогенными веществами: оксидом углерода СО, углеводорода-

ми С

, оксидами азота NO

, соединениями свинца, полицикли-

ческими углеводородами, альдегидами, твердыми частицами и

др. Твердые частицы содержат сажу, продукты износа деталей,

оксиды металлов, сульфаты, углеводороды топлива и масла. Час-

тицы сажи абсорбируют на поверхности канцерогенные соедине-

ния. На организм человека оказывает значительное воздействие

так же запах отработавших газов.

Источником загрязнения атмосферы являются не только от-

работавшие газы, но и пары топлива, картерные газы. Основная

доля выбросов токсичных веществ в атмосферу промышленных

центров от суммарных выбросов приходится на отработавшие га-

зы двигателей автомобилей.

Значительная часть свинца (до 70 %), содержащаяся в анти-

детонационных присадках бензина, выбрасывается в атмосферу с

114

отработавшими газами в виде различных соединений и до 40 %

этого количества остается в атмосфере во взвешенном состоянии.

С пищей и водой эти соединения попадают в организм человека.

В отличие от других токсичных веществ соединения свинца пол-

ностью не выводятся из организма и, накапливаясь, могут выз-

вать его заболевание. Поэтому производство этилированных бен-

зинов постепенно сокращается. Ведутся интенсивные разработки

антидетонационных присадок, не содержащих свинца.

Оксид углерода, содержащийся в отработавших газах, осо-

бенно опасен тем, что не имеет запаха, отравление им может

произойти совершенно незаметно. Попадая в организм человека,

оксид углерода соединяется с гемоглобином красных кровяных

шариков, образуя карбоксигемоглобин. Кровь теряет способность

переносить кислород, и при высокой концентрации карбоксиге-

моглобина в организме наступает кислородное голодание, преж-

де всего клеток головного мозга. При легкой степени отравления

корбоксигемоглобин постепенно разрушается, оксид углерода

выводится из организма, гемоглобин восстанавливает свою спо-

собность переносить кислород.

Оксиды азота, содержащиеся в продуктах сгорания, вызы-

вают раздражение дыхательных путей, а при больших концен-

трациях – отравление. Наряду с другими компонентами отрабо-

тавших газов они обусловливают также возникновение фотохи-

мического смога в крупных промышленных центрах со слабой

циркуляцией воздуха.

Вместе с токсичными веществами при сгорании образуются

полициклические канцерогенные соединения углеводородов,

выбрасываемые затем с отработавшими газами в атмосферу. К

таким соединениям относятся, прежде всего, бензапирен, обла-

дающий высокой канцерогенной активностью. При нанесении на

кожу животного раствора канцерогенных углеводородов (пирена,

бензопирена, антрацена) 2 раза в неделю в течении нескольких

недель через значительный промежуток времени (год и больше)

на месте нанесения раствора возникает злокачественная опухоль.

Увеличение заболеваний верхних дыхательных путей и он-

кологических заболеваний в последние десятилетия обусловлено

повышением загрязнения воздушного бассейна. В подавляющем

большинстве крупных промышленных центров мира концентра-

115

ция токсичных веществ в воздухе значительно превышает допус-

тимые нормы.

Предельно допустимые концентрации вредных веществ в

атмосферном воздухе зависят от степени их токсичности (табл.

3.3).

Таблица 3.3 – Предельно допустимые концентрации

вредных веществ в атмосферном воздухе

населенных пунктов

Вещество

Предельно допустимые концентрации,

мг/м

Максимальная разовая

Среднесуточная

Диоксид азота 0,085 0,085

Бензол 1,5 0,8

Бензин нефтяной 5 1,5

Бензин сланцевый 0,05 0,05

Бутан 200 –

Метанол 1 0,5

Сернистый ангидрид 0,5 0,05

Окись углерода 3 1

Формальдегид 0,035 0,012

Свинец и его соедине-

ния (кроме тетраэтил-

свинца)

–

0,0007

Бензпирен – 0,00015*

* Предельно допустимая концентрация в рабочей зоне

В течение последнего десятилетия снижение токсичности

отработавших газов превратилось в одну из важнейших проблем

в области двигателей внутреннего сгорания [1–3]. Во многих

странах мира введены нормы на выбросы токсичных веществ с

отработавшими газами, принимаются меры для разработки дви-

гателей внутреннего сгорания с пониженным уровнем токсич-

ности отработавших газов, различных устройств для снижения их

токсичности (термических реакторов, каталитических конверто-

ров, керамических фильтров). Нормы на выбросы токсичных ве-

ществ с отработавшими газами из года в год все более ужесточа-

116

ются, что в значительной степени предопределяет направление

развития двигателестроения (табл. 3.4).

Таблица 3.4 – Нормы выбросов токсичных веществ с

Отработавшими газами двигателей

легковых автомобилей

Страна

Год

введе-

ния

Испытательный

цикл

Нормы выбросов, г/км

СО С

Твер-

дые

части-

цы

Запад-

ная

Европа

1975

Правила №15

ЕЭК ООН

24,7–54,4

1,98–3,16

– –

1993

Правила ЕЭК

ООН R83-02В

(Евро-1)

2,72 0,97* – 0,14**

1996

Правила ЕЭК

ООН R83-03В

(Евро-2)

2,2 0,5* – 0,08**

2000

Правила ЕЭК

ООН R83

(Евро-3)

2,3 0,2 0,15 –

0,64** – 0,5**

0,05**

США

1972

Национальный

стандарт

(CNS-CH)

24,3 2,1 1,8 –

1976

2,1 0,25 0,62 –

1994

2,1 0,15 0,25 0,05**

2000

1,1 0,05 0,125

0,025**

Япония

1973

Национальный

стандарт

(CNS-CH)

26,0 3,8 3 –

1975

2,1 0,25 0,62 –

СССР

1980

Правила №15

ЕЭК ООН

ОСТ 37.001.054-86

24,7–54,4

1,98–3,16

– –

1990

13,3 4,94* – –

* Суммарные выбросы С

и NO

; ** Для дизелей

Токсичность отработавших газов двигателей внутреннего

сгорания оценивается выбросами токсичных веществ в граммах

на единицу пути (км, милю), в граммах на единицу работы

117

(г/(кВтч)), в процентах от объема продуктов сгорания или частях

по объему на миллион (10

млн

–1

= 1 %).

Приближенная оценка показателей токсичности отработав-

ших газов может быть выполнена с помощью очевидных зависи-

мостей: в г/км:

СО0ээ тэ COCO

10



 Мgrg ; (3.36)

СН0ээ тэ CНCН

10



 Мgrg ; (3.37)

NО0ээ тэ NONO

10



 Мgrg ; (3.38)

или в г/(кВтч):

э енэ т

3600







g ; (3.39)

э енэ т

CН

3600







g ; (3.40)

э енэ т

3600







g , (3.41)

где r

СО э

, r

СН э

, r

NО э

– объемные доли токсичных веществ в про-

дуктах сгорания на режимах, соответствующих среднеэксплуа-

тационной нагрузке; g

т э

– среднеэксплуатационный расход топ-

лива, кг/км; 

– среднеэксплуатационное значение коэффици-

ента избытка воздуха; 

СО

, 

СН

, 

NО

– молярная масса (кг/кмоль),

соответственно, оксида углерода, углеводородов (

СН

 0,5

);

диоксида азота; 

еэ

– среднеэксплуатационный эффективный

КПД двигателя.

Среднеэксплуатационные значения параметров и показате-

лей работы двигателя можно определить, если известны их зна-

чения на эксплуатационных режимах работы и продолжитель-

ность работы двигателя на этих режимах:







iiэ

; (3.42)







iiэ

е е

, (3.43)