1. Энергоресурсы и энергоноситель
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
ДсИЗ. Образование CO в двигателе с искровым зажиганием определяется составом топливовоздушной смеси, поданной в цилиндр. При работе ДсИЗ на богатых смесях (α<1) нехватка кислорода препятствует осуществлению реакций окислению углерода до CO 2 . Поэтому СО называют продуктом неполного сгорания. Причиной появления СО в ОГ при работе ДсИЗ на бедной смеси является существование локальных зон с α<1, образующихся из-за присутствия больших капель топлива (вследствие их плохого испарения), или неравномерное перемешивание топлива и воздуха по цилиндру. Образование CxHy в ОГ ДсИЗ также связано с нехваткой кислорода при работе двигателя на богатой смеси. Оно происходит в тех зонах камеры сгорания, в которые доступ воздуха затруднён, - это узкие зазоры между поршнем и цилиндром. CxHy образуется вблизи относительно холодных стенок цилиндра из-за гашения пламени. Причиной выброса большого количества углеводородов является пропуск воспламенения топлива в цилиндре из-за сильного переобеднения смеси или неисправности системы зажигания. Повышения концентрации CxHy в ОГ ДсИЗ также вызвано испарением топлива при нарушении герметичности топливной системы, неисправности вентиляции топливного бака и вентиляции картера. Образование NO происходит при окислении содержащегося в воздухе азота. Его количество резко возрастает при α>1 и температуре в цилиндре выше 2000 К. В двигателе с искровым зажиганием реакции окисления азота происходят за фронтом пламени в присутствии кислорода, оставшегося после сгорания топлива. Чем выше температура в цилиндре, тем больше пройдёт реакций окисления с образованием NO. Дизель. Образование СО в дизеле связано с неравномерным распределением топлива по камере сгорания и наличия зон с большим содержанием топлива (α<1). Ещё одна причина образования СО – распад молекул СО2 на СО и О2 (процесс диссоциации), возникающий при высоких температурах, на периферии струй впрыскиваемого топлива. Образование CxHy в дизелях происходит вследствие локальной нехватки кислорода, возникающей на периферии струй впрыскиваемого топлива при больших цикловых подачах и недостаточной скорости перемешивания топлива и воздуха. Негерметичность топливной системы и системы вентиляция картера также могут быть причинами повышения двигателем выброса CxHy. Образование NO в дизеле зависит от состава смеси и температур в зонах камеры сгорания. Наиболее активное образование NO происходит в зонах, где сгорели первые порции топлива, поданные в цилиндр. В этих зонах длительное время будет высокая температура, пока идёт впрыскивание следующих порций топлива и их сгорание в других зонах. Образование сажи в ОГ дизеля сопровождается другим параллельно идущим процессом – её выгоранием. Интенсивное образование сажи путём разложения молекул углеродоводородов происходит в зонах камеры сгорания, где отсутствует кислород (α<0,7) и температура 2000 К. С повышением температуры выше 2200 К скорость выгорания сажи начинает превышать скорость её образования. Методы снижения токсичности: ДсИЗ I. Совершенствование процессов смесеобразования и сгорания. Основной задачей современного развития двигателестроения явления совместное улучшение экономических и экологических показателей двигателей. С этой целью ДсИЗ применяют расслоенный заряд, который обеспечивает улучшение равномерности распределения состава смеси по цилиндрам, повышение точности управления составом топливовоздушной смеси в каждом цилиндре, работу двигателя на бедных смесях (при α= 3,5 …4) и применение качественного регулирования мощности на малых средних нагрузках. При создании расслоённого заряда решаются следующие задачи: создание горючей зоны с составом смеси α=1 (обогащение или обеднение горючей зоны вызовет повышение выбросов CO и CxHy) и её подвод к свече зажигания к моменту подачи искрового разряда для обеспечения надёжного воспламенения; уменьшение переходной зоны между горючей и негорючей (воздух и ОГ) и зонами в цилиндре двигателя. Находящегося в этой зоне топлива не достаточно для его воспламенения и горения из-за очень бедной смеси. Решение этих задач комплексным управлением цикловой подачей топлива, давлением впрыскиванием топлива, углом начала впрыскивания топлива и вихревым движения рабочего заряда, а также требуемой формой камеры сгорания, участвующего в формировании горючей зоны. II.Рециркуляцией ОГ называется перепуск части ОГ из системы выпуска во впускную систему выпуска во впускную систему с целью снижения количества образовавшихся NOx. Рециркулирующие ОГ снижают температуру сгорания и поглощают часть выделяемой при сгорании теплоты. К достоинствам применения рециркуляции относится возможность некоторого улучшения экономичности в случае, когда для компенсации падения мощности от рециркуляции необходимо открывать дроссельную заслонку на большой угол, уменьшая тем самым сопротивление впускной системы и снижая работу, затрачиваемую на газообмен. Недостатки применения рециркуляции – ухудшение прогрева свежего заряда (часть теплоты от стенок цилиндра идёт на разогрев рециркулирующих газов), затягивание процесса сгорания, снижение экономичности двигателя и рост выбросов CxHy. Помимо перепуска ОГ во впускной трубопровод применяют внутреннюю рециркуляцию – увеличение количества ОГ в цилиндре двигателя уменьшением времени перекрытия клапанов. Для этого организуют либо ранее открытие впускного клапана. Регулирование внутренней рециркуляцией обеспечивается управлением фазами газораспределения. III. Нейтрализация токсичных веществ, содержащихся в ОГ. Для снижения содержания NOx, CO и CxHy, в ОГ двигателей с искровым зажиганием применяют трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор. В нейтрализаторе проходят реакции восстановления азота N2 из NO. Образующийся в ходе реакции свободный кислород совместно с https://psv4.userapi.com/c834504/u269646394/docs/d17/c9…LHM3kfdzx1AhF6R_-Qee-7zNmXpFB6AiVeRYqoKY7biZgYayh4 26.03.2018, 12W59 Стр. 10 из 12 кислородом, содержащимся в ОГ, участвует в реакциях окисления CO до CO2 и CxHy с образованием CO2 и H2O. Для ускорения реакций восстановления и окисления в нейтрализаторе применяют специальные вещества – катализаторы. При восстановлении N2 катализатором служит родий, а для реакций окисления CO и CxHy – платина и/ или палладий. В зависимости от объёма двигателя содержание в нейтрализаторе платины, палладия и родия доходят до 1 … 3 г. Катализаторы наносят тонким слоем на носитель. В качестве этого компонента применяют керамический элемент с большим количеством каналов (используется в большинстве современных нейтрализаторов) или гофрированную металлическую основу, что обеспечивает большую площадь нейтрализующей поверхности при компактных размерах нейтрализатора. Вначале носитель покрывают абсорбирующим слоем оксиды алюминия (Al2O3), который увеличивает площадь активной поверхности нейтрализатора в 7000 раз, а затем – катализатором. Эффективность работы нейтрализатора оценивается коэффициентом преобразования Ki каждого из токсичных компонентов ОГ. Этот коэффициент определяется как разность между концентрациями токсичного вещества в ОГ на входе в нейтрализатор и выходе из него, отнесенную к концентрации вещества на входе. IV. Адсорбция паров топлива. Для предотвращения испарения паров бензина в атмосферу применяют замкнутую вентиляцию топливного бака. V. Улучшение качества бензина и использование альтернативных топлив направлено на увеличение срока службы нейтрализатора и сокращение выбросов ароматических углеводородов, вызывающих раковые заболевания. Государство регламентирует качество топлива в целях выполнения транспортными средствами требований, соответствующих принятым экологическим нормам. Многие автопроизводители помимо двигателей, работающих на жидком топливе, выпускают их модификации для работы на газовом топливе. Работа ДсИЗ на спиртах характеризуется высокой полнотой сгорания, связанной с наличием в спиртах кислорода и меньшим содержанием углерода по сравнению с бензином. Октановое число спиртов выше, чем у бензина. Дизель: I. Совершенствование процессов смесеобразования и сгорания. Ограниченное время, отводимое на смесеобразование в дизеле, определяет необходимость взаимного согласования энергии струй топлива с воздухом, движущимся в камере сгорания. Это особенно существенно для транспортного дизеля, работающего в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. Повышение давления впрыскивания улучшает мелкость распыливания, способствует более быстрому и полному сгоранию дизельного топлива, что приводит к улучшению экономичности и к снижению содержания сажи в ОГ. Однако при этом повышаются выбросы NOx. С увеличением степени рециркуляции ОГ ухудшаются процессы смесеобразования и сгорания. Содержания NOx в ОГ падает, а сажи растёт. II. Применение нейтрализаторов и фильтров частиц. При снижении выбросов токсичных веществ, в отличие от двигателя с искровым зажиганием, в дизеля необходимо учитывать следующие особенности: дизель, в отличие от ДсИЗ, всегда работает на бедных смесях, что обеспечивает доокисление CO и CxHy; в ОГ дизелей присутствуют частицы. В дизелях применяют селективный нейтрализатор, предназначенный для восстановления N2 из NOx, на вход которого впрыскивается аммиак, синтетическая мочевина или дизельное топливо. В качестве катализатора в нём применяют платину. III. Улучшения качества дизельного топлива и использование альтернативных топлив. Работа по улучшению дизельного топлива идёт по следующим основным направлением: повышение цетанового числа топлива до 45 … 55. Эта мера направлена на улучшение процесса воспламенения и сгорания топлива. Она достигается включением в состав дизельного топлива лёгких углеводородов, которые обеспечивают более однородный состав смеси по цилиндру, что приводит к снижению выбросов сажи и NOx; удаление серы из состава дизельного топлива. Сера при попадании в каталитический окислительный нейтрализатор под действием температур образует сульфаты, оседающие на катализаторе. Это уменьшает площадь активной поверхности нейтрализатора. Однако со снижением количества серы ухудшаются смазывающие свойства топлива. Для компенсаций этого необходимо использование специальных присадок. Согласно техническому регламенту на топлива, принятому в Российской Федерации, массовое содержание серы в дизельном топливе должно не превышать: 350 мг/ км для класса 3; 50 мг/км для класса 4; 10 мг/км для топлива класса 5 при сохранении смазывающих способностей топлива; снижение содержания ПАУ в дизельном топливе для уменьшения содержания в ОГ канцерогенных веществ. По техническому регламенту массовое содержание ПАУ не должно превышать 11% для дизельного топлива всех классов. В качестве одного из альтернативных топлив для применения в дизеля рассматривается диметиловый эфир (ДМЭ), метилового эфира рапсового масла (МЭРМ). 29. Внешняя скоростная характеристика двигателя с искровым зажиганием. Характеристики, представляющие собой зависимость показателей работы двигателя от частоты вращения при неизменном положении органа управления (дроссельной заслонки – для ДсИЗ, рейки топливного насоса – для дизеля), называют скоростными. Если положение органа управления соответствует максимальной подаче топлива или горючей смеси, то такая характеристика называется внешней скоростной (ВСХ). Она позволяет определить предельные мощностные показатели двигателя и оценить его экономичность на полных нагрузках. Эта характеристика является паспортной для большинства транспортных двигателей. По ней устанавливаются показатели двигателя на режимах номинальной мощности N ном , n ном и максимального крутящего момента M к max , n m , которые указываются заводом изготовителем. Внешней скоростной характеристикой ДсИЗ называется зависимость основных показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала при неизменном полном открытии дроссельной заслонки (ДЗ). Зависимости, полученные при промежуточных постоянных положениях дроссельной заслонки, называются частичными скоростными характеристиками. Внешняя скоростная характеристика (ВСХ) определяет предельно возможные мощностные показатели двигателя во всём диапазоне рабочих частот вращения коленчатого вала, а также позволяет определить максимальные энергетические показатели двигателя при выбранных регулировок его систем и имитирует работу и показатели двигателя автомобиля, движущегося при полном открытии дроссельной заслонки с различными постоянными скоростями. По данным этой характеристики оценивают важнейшие технически показатели двигателя. На режиме ВСХ двигатель испытывает максимальные тепловые механические нагрузки. Она является основной паспортной характеристикой двигателя, по ней определяются главные технические показатели двигателя: N e ном , M к ном , g e ном и αном на номинальной частоте (nном), где N e ном- номинальная мощность, которая гарантирована заводом-изготовителем на номинальной частоте вращения; M к ном - номинальный крутящий момент, g e ном и αном- удельный эффективный расход топлива и коэффициента избытка воздуха на номинальном режиме соответственно; максимальный крутящий момент M k max и соответствующую ему частоту вращения n Mkmax ; минимальный удельный расход топлива по ВСХ g emin и соответствующую ему частоту вращения n gemin ; минимально устойчивую частоту вращения n min по внешней скоростной характеристике. Угол опережения зажигания увеличивается с ростом частоты вращения, компенсируя сокращение времени отводимого на процесс сгорания и обеспечения наибольшее тепловыделение в зоне ВМТ. С увеличением n происходит рост количества циклов в единицу времени, что обусловливает увеличение часовых расходов воздуха Gв и топлива Gт и, следовательно, мощности двигателя Ne. Рост ήi при увеличении частоты вращения обусловлен: улучшением условий смесеобразования и сгораний вследствие увеличения скорости поступающего воздуха во впускном трубопроводе и, как следствие, ростом скорости движения смеси в цилиндре; уменьшением утечек рабочего тела через неплотности вследствие сокращения длительности рабочего цикла; снижением относительной теплоотдачи в стенки за цикл, т.е. меньшая доля теплоты, выделяющаяся в цилиндре, уходит в стенки из-за снижения времени контакта рабочего тела с ними; небольшим обеднением смеси при увеличении частоты вращения коленчатого вала. Изменение ήv по скоростной характеристике формируется с учётом потребительских качеств двигателя путём выбора соответствующих фаз газораспределения (ФГР) и настройки колебательных явлений во впускной системе. Уменьшение коэффициента наполнения на низких частотах вращения связано с несоответствием фаз газораспределения для этих режимов. При увеличении частоты вращения выше значения, соответствующего максимальному ήv, происходит ухудшение наполнения цилиндра из-за увеличения сопротивления впускного тракта, связанного с ростом скорости свежего заряда. В условиях эксплуатации реальная ВСХ двигателя меняется относительно паспортной, что выражается в снижении его мощности и/или изменении экономичности, а также отражается на выбросе токсичных компонентов ОГ. Это обусловлено следующими причинами: износ двигателя, приводящий к потере части рабочего тела (снижению мощности) и прорыву картерных газов в камеру сгоранию (ухудшению условий воспламенения и горения рабочей смеси); засорение воздушного фильтра (снижение наполнения); нарушения штатных регулировок системы питания и зажигания (изменение состава смеси и угла опережения зажигания); увеличение зазоров в трущихся парах двигателя, что приводит к увеличению механических потерь из-за вибраций и ударов деталей друг от друга; нарушение фаз газораспределения вследствие износа деталей привода распределительных валов и т.д. 30. Внешняя скоростная характеристика дизеля. Характеристики, представляющие собой зависимость показателей работы двигателя от частоты вращения при неизменном положении органа управления (дроссельной заслонки – для ДсИЗ, рейки топливного насоса – для дизеля), называют скоростными. Если положение органа управления соответствует максимальной подаче топлива или горючей смеси, то такая характеристика называется внешней скоростной (ВСХ). Она позволяет определить предельные мощностные показатели двигателя и оценить его экономичность на полных нагрузках. Эта характеристика является паспортной для большинства транспортных двигателей. По ней устанавливаются показатели двигателя на режимах номинальной мощности N ном , n ном и максимального крутящего момента M к max , n m , которые указываются заводом изготовителем. Внешняя скоростная характеристика (ВСХ) определяет предельно возможные мощностные показатели двигателя во всём диапазоне рабочих частот вращения коленчатого вала, а также позволяет определить максимальные энергетические показатели двигателя при выбранных регулировок его систем и имитирует работу и показатели двигателя автомобиля, движущегося при полном открытии дроссельной заслонки с различными постоянными скоростями. По данным этой характеристики оценивают важнейшие технически показатели двигателя. На режиме ВСХ двигатель испытывает максимальные тепловые механические нагрузки. Она является основной паспортной характеристикой двигателя, по ней определяются главные технические показатели двигателя: N e ном , M к ном , g e ном и αном на номинальной частоте (nном), где N e ном- номинальная мощность, которая гарантирована заводом-изготовителем на номинальной частоте вращения; M к ном - номинальный крутящий момент, g e ном и αном- удельный эффективный расход топлива и коэффициента избытка воздуха на номинальном режиме соответственно; максимальный крутящий момент M k max и соответствующую ему частоту вращения n Mkmax ; минимальный удельный расход топлива по ВСХ g emin и соответствующую ему частоту вращения n gemin ; минимально устойчивую частоту вращения n min по внешней скоростной характеристике. Характеристику, полученную при работе двигателя с любыми постоянным промежуточным положением органа управления, называется частичной скоростной характеристикой. Внешней скоростной характеристикой дизеля называется зависимость основных показателей двигателя от частоты вращения при положении органов управления, обеспечивающих максимальную подачу топлива. При положении органов управления, обеспечивающих цикловые подачи, отличные от максимальной, определяются частичные скоростные характеристики. Повышение частоты вращения вызывает незначительный рост индикаторного КПД (ήi), что объясняется улучшением процесса смесеобразования и горения за счёт увеличения скорости вихревого движения заряда в камере сгорания. При этом на ήi, положительно влияет уменьшение потерь теплоты в системе охлаждения вследствие снижения длительности рабочих циклов. Коэффициент наполнения (ήv) уменьшается при росте n, что связано с снижением давления наддува pк. Плотность ρк наддувочного воздуха резко повышается при росте частоты вращения от минимальной до 1200 мин-1, что обеспечивается улучшением управления газотурбинным наддувом, а затем несколько уменьшается. Среднее индикаторное давление дизеля (pi) определяется взаимосвязанным воздействием на α,ήi,ήv,ήк. Характер их изменения для дизеля с управлением газотурбинным наддувом рассмотрен ранее. Он формируется путём комплексного воздействия на α и ρк. Последовательное увеличение частоты вращения от минимальной вызывает рост механического КПД (ήм) из-за резкого повышении среднего индикаторного давления (pi) до его максимума, а затем он уменьшается из-за снижения pi и возрастания механических потерь (pм.п). При повышении частоты вращения эффективный КПД (ήe) вначале растёт вследствие увеличения ήм и ήi. После достижения максимума он уменьшается из-за снижения механического КПД. С учётом того, что ήe и удельный эффективный расход топлива ge связаны обратно пропорциональной зависимостью, ge достигает максимального значения на частоте вращения дизеля, где получен максимум ήe. На характер изменения среднего эффективного давления pe, кроме факторов, влияющих на pi, оказывает и ήм. Однако следует отметить, что характеры изменений pi и pe очень похожи, за исключением высоких частот вращения, на которых снижение ήм вызывает более резкое снижение pe. На участке от номинальной частоты вращения nном до максимальной частоты вращения холостого хода nx max (называемой регуляторной ветвью) мощность дизеля снижается от Ne ном до 0 путём резкого уменьшения цикловой подачи. Такое изменение частоты вращения в пределах регуляторной ветви определяется алгоритмом, заложенным в память блока управления при использовании аккумуляторной ТС, или характеристиками механических регуляторов. |