Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

118

где 

, 

еi

– соответственно коэффициент избытка воздуха и

эффективный КПД двигателя на определенном эксплуатацион-

ном режиме работы; 

– продолжительность работы двигателя на

определенном эксплуатационном режиме.

Косвенная оценка содержания твердых частиц в отработав-

ших газах может быть выполнена по их дымности (интенсивнос-

ти поглощения отработавшими газами света), количественная –

улавливанием твердых частиц специальным фильтром, через ко-

торый пропускают часть потока отработавших газов.

Выбросы токсичных веществ с отработавшими газами зави-

сят от способа организации рабочих процессов, режима рабо-

ты двигателя (табл. 3.5) [4].

Таблица 3.5 – Содержание токсичных веществ в отработав-

ших газах карбюраторного двигателя и дизеля на эксплуатаци-

онных режимах работы без дополнительных устройств нейтрали-

зации токсичных веществ

Токсичные

вещества в

отработав

ших

газах

Тип

двигателя

Режимы работы двигателя

Холос-

той

ход

Разгон

Основ-

ные

режимы

эксплуа-

тации

Замед-

ление

СО, %

Карбюраторный

9,9 2,9 2,7 3,9

дизель Следы 0,1 Следы Следы

, %

Карбюраторный

0,53 0,16 0,1 1,0

дизель 0,04 0,02 0,01 0,03

, млн

–1

Карбюраторный

30 1020 650 20

дизель 60 850 240 30

Альдегиды,

млн

–1

Карбюраторный

30 20 10 290

дизель 10 20 10 30

По выбросам оксида углерода и углеводородов с отрабо-

тавшими газами дизель существенно превосходит карбюратор-

ный двигатель на всех режимах работы. Выше также эксплуата-

ционная экономичность дизеля. Однако о полной замене двигате-

лей с искровым зажиганием дизелями не приходится говорить в

119

силу ряда факторов. Во-первых, выход дизельного топлива при

переработке нефти в несколько раз меньше выхода бензина. Во-

вторых, приведенный уровень токсичности отработавших газов

дизелей не ниже уровня токсичности отработавших газов двига-

телей с внешним смесеобразованием и системой нейтрализации

отработавших газов. В-третьих, себестоимость производства ди-

зелей намного выше производства карбюраторных двигателей.

В-четвёртых, в дизелях выше уровень шума, отработавшие газы

обладают неприятным запахом, силовая установка с дизелем тя-

желее силовой установки с двигателем с искровым зажиганием.

В настоящее время имеются двигатели с искровым зажига-

нием, высоким уровнем организации рабочих процессов и эффек-

тивными устройствами снижения токсичности отработавших га-

зов. К тому же к дизелям предъявляются все более жесткие тре-

бования в отношении выбросов с отработавшими газами оксидов

азота, твердых частиц, содержащих канцерогенные вещества.

Выполнение этих норм – одна из сложных актуальных проблем.

При оценке токсичности отработавших газов в граммах на

единицу пути используют ездовые испытательные циклы, соот-

ветствующие реальным условиям транспортного движения в

крупных городах различных стран. Автомобили испытывают по

ездовым циклам на специальных стендах с тормозными бараба-

нами с регистрацией как суммарных выбросов токсичных ве-

ществ с отработавшими газами за цикл, так и выбросов токсич-

ных веществ с отработавшими газами на отдельных режимах. За-

тем определяют среднюю концентрацию токсичных веществ в

отработавших газах на отдельных режимах работы, за цикл и вы-

бросы токсичных веществ с отработавшими газами, приходящие-

ся на единицу пути.

Токсичность отработавших газов двигателей других типов

(тракторных, стационарных и т.д.) оценивается обычно в

г/(кВтч) по суммарным выбросам за испытательный цикл. Испы-

тательные циклы соответствуют реальным эксплуатационным

режимам работы двигателя.

Из существующих норм на выбросы токсичных веществ с

отработавшими газами наиболее жесткими являются нормы

США (табл. 3.4). Выполнение этих норм в двигателях с внешним

120

смесеобразованием возможно только при высоком уровне довод-

ки рабочих процессов, применении электронной системы распре-

деленного впрыска и управления рабочими процессами, рецирку-

ляции отработавших газов, термических реакторов, каталити-

ческих конверторов. Без дополнительных устройств снижения

токсичности выполнить эти нормы только за счет организации

рабочих процессов возможно при заметном снижении экономич-

ности (двигатель с форкамерно-факельным зажиганием). Приме-

нение непосредственного впрыска, глубокого расслоения топли-

вовоздушной смеси позволяет приблизиться по выбросам ток-

сичных веществ с отработавшими газами без сложных систем

нейтрализации к перспективным нормам. Дизель без дополни-

тельных устройств не укладывается в нормы Евро-2 по выбросам

оксидов азота (табл. 3.6).

Таблица 3.6 – Выбросы токсичных веществ с

отработавшими газами

Тип двигателя

Выбросы токсичных

веществ с отработавшими

газами в г на 1 км пути

СО С

NО

Поршневой форкамерный без

средств снижения токсичности [5]

1,22 0,113 0,497

Поршневой с электронной системой

впрыска и управления, рециркуляци-

ей отработавших газов и каталити-

ческим конвертором [5]

0,266 0,175 0,194

Двухтактный с непосредственным

впрыском фирмы Орбитал Энджин

[6]

0,298 0,192 0,497

Дизель без дополнительных уст-

ройств для снижения токсичности

отработавших газов [7]

1,67 0,28 1,20

121

Применение каталитических конверторов для снижения

токсичности отработавших газов требует значительных матери-

альных средств. В США и в ряде других стран автомобили без

каталитических конверторов в настоящее время не выпускаются.

Оборудование всего автомобильного парка США каталитически-

ми системами снижения токсичности отработавших газов потре-

бовало многомиллиардных ежегодных расходов.

В ближайшем будущем проблема снижения токсичности от-

работавших газов столь же актуальна будет и для Украины. Это

обусловлено возрастающим загрязнением воздушных бассейнов

наших городов, а также значительным расширением импорта по-

держанных автомобилей, двигатели которых по выбросам ток-

сичных веществ с отработавшими газами не соответствуют нор-

мам стран Западной Европы и других стран мира.

§6. Теплоемкость рабочего тела

Рассмотрим особенности определения теплоемкости рабоче-

го тела в двигателях внутреннего сгорания, основываясь на из-

вестных из термодинамики соотношениях. Рабочим телом в дви-

гателях внутреннего сгорания являются газовые смеси, состав ко-

торых зависит от особенностей организации рабочих процессов и

изменяется в течение цикла. Истинная молярная теплоемкость га-

зовой смеси при постоянном объеме и постоянном давлении,

кДж/(кмольК):

i VV

сrс 





1

; (3.44)

Rсс









, (3.45)

где r

– объемные доли компонентов газовой смеси;



– истин-

ные молярные теплоемкости компонентов газовой смеси; R

–

универсальная (молярная) газовая постоянная, R

= 8,314

кДж/(кмольК). Теплоемкость газов зависит от температуры и эта

зависимость нелинейная (рис.3.2). Поэтому при определении теп-

лоемкостей газов используют справочные таблицы теплоемко-

стей [8] или интерполяционные зависимости для определенных

интервалов значений температуры, кДж/(кмольК):

122

tbaс

iiiV







; (3.46)













tbrarс

, (3.47)

где a

, b

– постоянные коэффициенты для определенных интер-

валов значений температуры.

Средние значения молярной теплоемкости газовой смеси

при постоянном объеме и постоянном давлении, кДж/(кмольК):

aс

 ; (3.48)

Rсс

mmp V









. (3.49)

Интерполяционные формулы для средних молярных тепло-

емкостей отдельных газов при постоянном объеме применитель-

но к пределам изменения температуры рабочего тела в двигате-

лях внутреннего сгорания:

при изменении температуры в пределах 0–1000С:

tс

1007,489,20



 ;

tс

1035,250,20



 ;

tс

возд

1070,258,20



 ;

tс

1070,260,20

СО



 ;

tс

1010,1250,29

СО



 ;

tс

1030,580,24



 ;

tс

1075,060,20



 ;

tс

1010,2500,26

CН



 ;

tс

1030,5050,33



 ;

при изменении температуры в пределах 1000–2700С:

123

tс

1076,126,23



 ;

tс

1070,160,21



 ;

tс

возд

1071,193,21



 ;

tс

1070,180,21

СО



 ;

tс

1060,470,36

СО



 ;

tс

1080,490,25



 .

Погрешность определения

средней молярной теплоемкости

газов при постоянном объеме по

этим интерполяционным форму-

лам в основной зоне температур

рабочего тела действительных

циклов двигателей внутреннего

сгорания не превышает 1,5 %

(см. рис. 3.2). При выполнении

расчетов с погрешностью до 1 %

необходимо использовать спра-

вочные таблицы значений тепло-

емкостей [8].

Состав продуктов сгорания

жидких топлив из нефти зависит

в основном от коэффициента из-

бытка воздуха, так как их эле-

ментарный состав изменяется

незначительно. Поэтому при вы-

полнении расчетов с погреш-

ностью 1,5–2 % можно восполь-

зоваться приближенными зави-

симостями для истинных моляр-

ных теплоемкостей продуктов сгорания жидких топлив при по-

стоянном объеме [9]:

при   1

Рисунок 3.2 –

Зависимость средней

молярной теплоемкости газов

при постоянном объеме от

температуры:

–––––––

– по спектроскопическим

данным;

–

– – – – – по интерполяционным

формулам

с ,

124









tс

101,844,272,1421,03

пр.сг



 ; (3.50)

при 0,7    1

tс

10)51,260,3()19,493,18(

пр.сг



 ; (3.51)

При использовании синтетических жидких топлив или газо-

образного топлива теплоемкости продуктов сгорания определя-

ются по их составу.

На участке впуска и сжатия в четырехтактном двигателе в

рабочей полости находится смесь продуктов сгорания и свежего

заряда (воздуха или топливовоздушной смеси). Приближенно

средняя молярная теплоемкость рабочего тела на участке впуска

и сжатия может быть определена по зависимости:

trbrbrbrararaс

)(5,0)(

ттввттввсм 











, (3.52)

где a

, a



, b



– постоянные коэффициенты для воздуха,

паров топлива и продуктов сгорания в интервале температур 0–

1000 С; r

, r



– объемные доли в смеси, соответственно, воз-

духа, паров топлива и продуктов сгорания.

Средние молярные теплоемкости паров жидких топлив [8,

10]

)1(

taCC

mm VV









, (3.53)

где



– теплоемкость паров жидких топлив при 0 С; а – по-

стоянный коэффициент: для парафиновых и олефиновых углево-

дородов а = 0,0012; для нафтеновых а = 0,0015; для ароматиче-

ских а = 0,0020.

Теплоемкость паров бензина среднего состава (

= 110

кг/кмоль) при 0 С



 150 кДж/(кмольК).

Контрольные вопросы и задания

1. Объясните следующие понятия:

 коэффициент остаточных газов;

 коэффициент избытка воздуха;

 химический коэффициент молекулярного изменения;

 коэффициент молекулярного изменения;

125

 теплота сгорания топливовоздушной смеси.

2. Какие пределы воспламеняемости топливовоздушных

смесей по коэффициенту избытка воздуха?

3. Как определяется состав продуктов сгорания жидких и

газообразных моторных топлив?

4. Объясните влияние коэффициента избытка воздуха на со-

став продуктов сгорания.

5. Какие компоненты продуктов сгорания относят к токсич-

ным, а какие к канцерогенным?

6. Как осуществляют нормирование выбросов токсичных

веществ с отработавшими газами двигателя?

7. Объясните влияние типа двигателя на выбросы токсич-

ных и канцерогенных веществ с отработавшими газами.

8. Как определяется теплоемкость рабочего тела?

9. Решите следующие задачи:

Задача 1. Определить расход воздуха за час, состав и объем

продуктов сгорания, выбрасываемых в окружающую среду авто-

мобильным двигателем с искровым зажиганием при мощности 50

кВт. Топливо – бензин; низшая теплота сгорания топлива Q

= 44000 кДж/кг; эффективный КПД двигателя на этом режиме –

0,20; коэффициент избытка воздуха – 0,85; температура отрабо-

тавших газов – 727С, барометрическое давление – 760 мм рт.ст.

Задача 2. При условии задачи 1 определить расход топлива

на 100 км, выбросы оксида углерода на 1 км пути, если скорость

автомобиля равна 100 км/час.

Задача 3. Определить расход воздуха за час, объем и состав

продуктов сгорания, выбрасываемых в окружающую среду дизе-

лем при мощности 100 кВт. Эффективный КПД дизеля на этом

режиме – 0,35; коэффициент избытка воздуха – 2,0; температура

отработавших газов t

= 627С; барометрическое давление – 760

мм рт.ст.; низшая теплота сгорания топлива Q

= 42000 кДж/кг.

Список литературы к главе 3

1. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгора-

ния. – М.: Машиностроение, 1981. – 160 с.

126

2. Якубовский Ю. Автомобильный транспорт и защита ок-

ружающей среды. – М.: Транспорт, 1979. – 200 с.

3. Филиппов А.З. Токсичность отработавших газов тепло-

вых двигателей. – К.: Выща школа, 1980. – 160 с.

4. Liegel O. Technische massnahmen die Verunreinigung der

Luft durch Kraftfahrzeugabgase // Schrifeur Bundesmin. Verkehr –

1966. – № 30. – S. 112–124.

5. Вахошин Л.И., Маркова И.В., Химина Е.П. Двигатели

внутреннего сгорания.– М.: ВИНИТИ, 1975. – Т.1. – 202 с.

6. Илей Л. Малогабаритный двухтактный двигатель. – Ав-

томобильная промышленность США. – 1986. – № 4. – С. 6.

7. Канило П.М., Бей И.С., Ровенский А.И. Автомобиль и ок-

ружающая среда. – Харьков: Прапор, 2000. – 301 с.

8. Вукалович М.И. и др. Термодинамические свойства газов.

– М.: Машгиз. 1953. – 373 с.

9. Глаголев Н.М., Водолажченко В.В., Куриц А.А., Бартош

Е.Т. Тепловозные двигатели и газовые турбины. – М.: Транспорт,

1965. – 403 с.

10. Дутовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топли-

вам и их продуктам сгорания. – М.: Госэнергоиздат, 1962. – 285 с.

127

Глава 4

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ПРОЦЕССОВ

В РАБОЧЕЙ ПОЛОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§1. Уравнение объемного баланса Н.М. Глаголева

В наиболее общем случае надпоршневую полость цилиндра

двигателя внутреннего сгорания можно представить как откры-

тую термодинамическую

систему с неустановивши-

мися процессами тепло- и

массообмена (рис. 4.1).

Аналитически взаимосвязь

термодинамических пара-

метров рабочего тела такой

системы возможно устано-

вить только при значитель-

ной схематизации процес-

сов, происходящих в над-

поршневой полости, и ряде

упрощающих допущений.

Применительно к над-

поршневой полости цилин-

дра математическая модель

процессов для участка газообмена была предложена и доведена

до уровня инженерного расчета профессором Н.М. Глаголевым

1.

В основу математической модели положены уравнение ба-

ланса элементарных изменений объема рабочего тела в надпорш-

невой полости, обусловленных различными факторами (рис. 4.1),

и уравнения адиабаты в дифференциальной форме [1]:

адxвп

VVVVVVV

QQs



























, (4.1)

рк

dp  , (4.2)

Рисунок 4.1 – Расчетная схема тепло- и

массообмена в надпоршневой полости