Поліпшення екологічних показників автомобільних двигунів

PAGE \* MERGEFORMAT 1

Лекція 18.0 Поліпшення екологічних показників автомобільних двигунів

Повсюдна "автомобілізація" населення (а в світі зараз налічується більше 700млн. автомобілів, і їх парк продовжує рости) – супроводжується дуже неоднозначними явищами, приносячи людству як плюси, так і мінуси. До їх числа перш за все відноситься збільшена швидкість, комфорт і свобода пересувань. По друге – загострення екологічних і соціально-психологічних проблем (забруднення довкілля, незручності на дорогах, можливість аварій і т.п.).

Проте, більшість людей не готова відмовитися від автотранспорту. Ось чому ціла армія інженерів, конструкторів, винахідників працюють над тим, щоб зробити автомобіль менш агресивним по відношенню до навколишнього середовища, і більш "економним", адже вичерпання запасів нафти стрімко наближається.

Забруднення атмосферного повітря в результаті роботи автомобіля обумовлено трьома основними джерелами: системою випуску відпрацьованих газів, системою мащення і вентиляції картера, системою живлення.

На долю вихлопних газів припадає найбільша частина (70-80%) шкідливих речовин, що виділяються автомобільним двигуном.

Камера згоряння двигуна – це своєрідний хімічний реактор, що синтезує шкідливі речовини, які потім надходять в атмосферу. Навіть нейтральний азот з атмосфери, потрапляючи в камеру згоряння двигуна, перетворюється на отруйні оксиди азоту. У відпрацьованих газах міститься більше 200 різних хімічних сполук; з них близько 150 – похідні вуглеводнів, прямо зобов'язані своєю появою неповнотою або нерівномірністю згоряння палива в двигуні.

Для двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ), щоб отримувати необхідну механічну енергію для руху автомобіля, необхідно мати високий тиск в циліндрах. Природно, чим вище температура згоряння палива, тим вище тиск. Але оксиди азоту утворюються тим більше, чим вище температура й більше кисню (тобто повітря), що надходить в камеру згоряння.

З точки зору екології в ДВЗ ситуація безвихідна: багато палива і мало повітря – низька потужність, економічність і багато СО; мало палива і багато повітря – багато оксидів азоту.

Успішний до недавнього часу компроміс досягався електронним регулюванням співвідношення паливо-повітря і застосуванням так званого триходового каталітичного нейтралізатора. Такий нейтралізатор здатний одночасно окисляти СО і вуглеводні, відновлювати оксиди азоту. Ефективність такого очищення вихлопних газів досягає 95%, але при цьому складна схема не дозволяє повністю позбутися від СО та оксидів азоту.

Переробляючи токсичні речовини на вихлопі, конструктори паралельно покращували робочий процес.

Для боротьби з оксидами азоту знижували температуру горіння рециркуляцією вихлопних газів (частину повертають у впускний колектор), але доводилося знижати її так, що двигун став насилу прогріватися.

Оптимальний склад горючої суміші на всіх режимах роботи ДВЗ підтримувати досить складно, особливо при класичному принципі його організації.

Результат оптимального процесу організації сумішоутворення (паливоподачі) виглядає наступним чином: склад паливоповітряної суміші в районі зони спалаху повинен бути близький до стехіометричної і не змінюватися зі зміною режиму роботи ДВЗ. В іншому об’ємі циліндра повинна знаходитися гомогенна горюча суміш, якісний склад якої залежить від режиму роботи ДВЗ і може змінюватися в досить широких межах (режим холостого ходу і мінімальних навантажень).

Спрямування залишкових газів бажано мати в пристінковий зоні і в щілинних зазорах камери згоряння, в яких при попаданні горюча суміш незгорає за будь-якої своєї концентрації.

Отримання подібного результату роботи системи подачі палива неможливо ні за карбюраторного живлення (зовнішнє сумішоутворення), ні за інжекторного, включаючи безпосереднє впорскування (внутрішнє сумішоутворення). Складність полягає у недосконалості обох класичних процесів паливоподачі, яка посилюється різними режимами роботи ДВЗ.

Труднощі долаються при використанні іншого способу роботи двигуна.

Якщо в двигунах зі звичайним способом роботи об'єм повітря або паливно-повітряна суміш, що бере участь в процесі горіння, регулюється кількістю палива, що надходить в камеру згоряння (для дизельних або бензинових, з безпосереднє впорскування) або регулюється зниженням тиску на впуску за рахунок зміни положення дросельної заслінки (для бензинових із зовнішнім сумішоутворенням, наприклад, карбюраторних двигунів), то в пропонованому способі роботи об’єм паливно-повітряної суміші та (або) повітря в камері згоряння регулюється за рахунок зміни кількості відпрацьованих газів, що залишилися в камері згоряння. Тим самим можна мати робочий процес, коли бензин і чисте повітря знаходяться у співвідношенні1:14,7, тобто є оптимальним для згоряння у всіх режимах роботи ДВСЗ.

У той же час, коли суміш "бідна" і враховуючи, що до 90% об’єму (для режиму холостого ходу) можуть займати інертні відпрацьовані гази, вони потрапляють в циліндр без будь-якої рециркуляції.

Змінювати кількість відпрацьованих газів, що залишилися в камері згоряння ДВЗ можливо різними способами:

--зміною тиску в системі відводу відпрацьованих газів;

--шляхом зміни фаз відкриття і закриття випускних клапанів, зміною часу і висоти їх відкриття.

Здійснити пропонований спосіб можливо за допомогою різних добре відомих в технічній літературі пристроїв зміни тиску: положення клапана, дросельної заслінки, використання різних типів нагнітачів і резонаторів.

Для зниження теплових втрат, викликаних охолодженням відпрацьованих газів, у впускному тракті додатково встановлюють зворотний клапан, який не дозволяє відпрацьованим газам потрапити у впускний тракт. Крім того, це рішення дозволяє за рахунок зменшення в зоні займання в складі робочої суміші або повітря кількості відпрацьованих газів створити в районі зони спалаху склад паливо-повітряної суміші, близький до стехіометричного (в момент спалаху), а значить, поліпшити умови займання робочої суміші.

Такого роду зворотний клапан добре відомий в техніці, як зворотний клапан Кола.

Клапан Кола є самодіючим. Ідеальний зворотний клапан переходить з відкритого стану до закритого чи навпаки у залежності від знаку перепаду тисків на ньому. На практиці ж більшість клапанів відкривається при досягненні порогового перепаду тисків, що має назву тиск відкриття.

Рис. 10. 1 Схема зворотного клапана

Розглянемо роботу пропонованого ДВЗ на прикладі чотиритактного двигуна з одним EGR в системі відводу відпрацьованих газів, зворотним клапаном у впускному тракті і пристроєм подачі паливно-повітряної суміші, наприклад карбюратором.    

  

Рис. 10.2 Схема рециркуляції вихлопних газів

В режимах повного навантаження ДВЗ працює так само, як і при звичайному способі роботи, коли дросель повністю відкритий.

В режимах холостого ходу і часткових навантажень ДВP працює таким чином:

продукти згоряння виштовхуються з циліндра в атмосферу через систему газорозподілу і систему відводу відпрацьованих газів, при цьому частина відпрацьованих газів залишається в циліндрі.

Кількість відпрацьованих газів, що залишилися в циліндрі, прямо пропорційно надпоршневому об’ему і тиску в системі відводу відпрацьованих газів. Змінюючи, за допомогою EGR тиск відпрацьованих газів, можна змінювати їх кількість, що залишилася в циліндрі ДВЗ, а значить і кількість паливоповітряної суміші, що надходить в циліндр. При цьому на режимах часткових навантажень і холостого ходу кількість відпрацьованих газів, які мають більш високу температуру, ніж повітря, буде максимальним, що дозволяє знизити теплові втрати на нагрів робочої суміші, додавши до неї гарячі відпрацьовані гази.

Таким чином, вказаний спосіб роботи ДВЗ дозволяє знизити витрату палива та шкідливі речовини у відпрацьованих газах, за рахунок використання в режимах часткових навантажень і холостого ходу робочої суміші, близької до стехіометричної.

Розглядаючи перспективність впровадження наведеної технології, слід звернути увагу на те, що практично у будь-якого стандартного ДВЗ може бути реалізований такий режим роботи з мінімальними витратами і переробками (всього лише один зворотний клапан на циліндр і пристрій зміни тиску).

Впровадження цієї технології призводить до зниження шкідливих викидів на 50% (за найскромнішими оцінками), що рівнозначно заміні половини автомобілів на автомобілі з нульовим викидом. Причому завдяки зниженню витрати палива ці пристрої можуть окупитися протягом 2 років.

Рециркуляція відпрацьованих газів у двигунів ЗМЗ-4061, ЗМЗ-4063
 

Рис.10.3. Система рециркуляції відпрацьованих газів: 1 - клапан рециркуляції; 2 - карбюратор; 3 - шланг від термовакуумного вмикача до карбюратора; 4 - впускна труба, 5 - сорочка підігріву впускної труби; 6 - шланг від термовакуумного вмикача до клапана рециркуляції; 7 – термовакуумний вмикач; 8 - трубка підведення рециркулюємих газів з випускного колектора

Система рециркуляції відпрацьованих газів (СРВГ) (рисунок 10.3) служить для зниження викиду токсичних речовин з відпрацьованими газами шляхом подачі частини відпрацьованих газів з випускного колектора в циліндри двигуна.
Рециркуляція відпрацьованих газів здійснюється на двигуні, прогрітому до температури охолоджуючої рідини не нижче 35-40°С. Система рециркуляції відпрацьованих газів не працює на часткових навантаженнях, на холостому ходу і при повному відкритті дросельних заслінок.
Управління роботою системи рециркуляції відпрацьованих газів здійснюється керуючим розрідженням від першої камери карбюратора 2, переданим через термовакуумного вмикача 7, встановленого у сорочці 5 підігріву впускної труби по шлангах 3 і 6 до клапана 1 рециркуляції, встановленому на впускній трубі 4. При цьому частина відпрацьованих газів, підведених по трубці 8 від випускного колектора через відкритий клапан рециркуляції, надходить у впускний тракт і далі в циліндри двигуна.
При відсутності керуючого розрідження в шланзі 6 клапан рециркуляції під дією циліндричної пружини закритий і система рециркуляції відпрацьованих газів не працює. Для перевірки працездатності системи рециркуляції відпрацьованих газів на прогрітому до температури охолоджуючої рідини 50-60 ° С двигуні необхідно різко збільшити частоту обертання колінчастого вала - з малої частоти обертання на холостому ходу до 2500 хв-1 і спостерігати візуально за переміщенням штока клапана 1 рециркуляції.
У разі відсутності переміщення штока необхідно перевірити наявність керуючого розрідження на цих же режимах на діафрагменному механізмі клапана рециркуляції. Якщо розрідження є, то несправний клапан, і його необхідно замінити, якщо розрідження немає, то несправний термовакуумний вмикач, і його необхідно замінити.
Експлуатація автомобіля з несправною системою рециркуляції відпрацьованих газів веде до нестійкої роботи двигуна на холостому ходу, перевитрати палива і підвищеному викиду токсичних речовин.

Прослушать

Словарь

Поліпшення екологічних показників автомобільних двигунів