_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
коэффициентом избытка воздуха : 0 l G G т в , (2) где G в – масса сухого воздуха в рабочей смеси, кг; G т – масса топлива в рабочей смеси, кг; l 0 – стехиометрический коэффициент, (кг воздуха/кг топлива) определяемый по формуле (1). Когда действительное топливно-воздушное соотношение смеси, поступающей в ДВС, выше стехиометрического, то такая смесь обладает избытком воздуха и называется «бедной» ( > 1). Наоборот, когда 1 По SAE J1829 MAY 92. 12 действительное соотношение ниже стехиометрического, смесь «богатая» ( <1) и сгорание топлива неполное. В ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси (ДВСПВ) регулирование мощности осуществляется за счёт изменения количества рабочей смеси примерно одинакового состава (т.н. количественное регулирование мощности), а в ДВС с воспламенением рабочей смеси от сжатия (ДВСВС) – за счёт изменения в широком диапазоне состава (или «качества») примерно одинакового количества рабочей смеси (т.н. качественное регулирование мощности). Типичный диапазон изменения коэффициента избытка воздуха для ДВСПВ 1 – от 0,8 до 1,2. При этом внутри этого диапазона различают «мощностной» состав рабочей смеси ( ≈0,92…0,97) и «экономичный» состав рабочей смеси ( ≈1,05…1,15). Рабочая смесь мощностного состава имеет максимально возможную скорость сгорания (рис. 1). Рис. 1. Зависимость скорости сгорания от состава рабочей смеси Для ДВСВС средний по камере сгорания коэффициент избытка воздуха всегда больше единицы ≥≈1,5. Другими словами, ДВСВС работают исключительно на бедной смеси. Это, главным образом, и определяет их лучшую топливную экономичность. Однако, поскольку в момент впрыска порции топлива в камеру сгорания, наполненную воздухом, процессы смесеобразования, воспламенения и горения 1 Исключая ДВСПВ, оснащённые системами очистки ОГ, а также ДВСПВ с непосредственным впрыском топлива. Эти технологии накладывают свои особенные требования к составу рабочей смеси. 13 протекают одновременно, то локальный (т.е. в каждой конкретной точке камеры сгорания) коэффициент избытка воздуха может принимать значения от нуля (капли ещё не испарившегося топлива) до бесконечности (воздух на периферии камеры сгорания). Значение локального коэффициента избытка воздуха является одним из основных факторов, определяющих концентрации загрязняющих веществ (ЗВ) в отработавших газах ДВСВС. Режимом работы ДВС называют сочетание текущих значений частоты вращения коленчатого вала и преодолеваемого крутящего момента. Различают установившиеся и неустановившиеся режимы работы. Установившимся режимом называют такой режим, на котором ДВС работает относительно продолжительное время 1 , за которое все исследуемые характеристики ДВС успевают стабилизироваться. Если переход от одного режима к другому происходит быстро 2 , то говорят о неустановившихся режимах. В координатах «частота вращения» ‒ «крутящий момент» диапазон возможных режимов работы ДВС изображается фигурой, ограничиваемой кривой изменения крутящего момента по внешней скоростной характеристике, т.е. по характеристике, полученной при полной (максимально возможной) подаче топлива (рис. 2). В пределах этой фигуры изолиниями изображают изменение исследуемых характеристик ДВС (удельного расхода топлива, коэффициента избытка воздуха, концентраций ЗВ, различных температур и т.п.). Эти изображения называют многопараметровыми характеристиками ДВС. Характер протекания рабочего процесса в камере сгорания ДВС на различных режимах работы может существенно различаться. Это, в свою очередь, приводит к существенному изменению показателей энергоэффективности и состава отработавших газов (ОГ). Например, на рис. 2 точками А и Б выделены два режима работы ДВС, лежащие на кривой постоянной мощности (т.е. мощность, вырабатываемая двигателем, на режиме А и на режиме Б одинаковая). Однако, как видно из многопараметровой характеристики удельного расхода топлива, показанного на рис. 2, эффективность двигателя на режиме «Б» 1 Как правило, несколько минут. 2 Как правило, за доли секунды. 14 ухудшается на 19% по сравнению с режимом «А» (125/105 – 1 = 0,19). Автотранспортные ДВС работают практически во всём возможном диапазоне режимов работы – от режима холостого хода до режима максимальной мощности (номинального режима). Рис. 2. Пример многопараметровой характеристики ДВСПВ по относительному изменению удельного расхода топлива Характер изменения режимов работы ДВС определяется характером движения автомобиля, параметрами и настройками его трансмиссии, дорожными условиями и другими факторами. Характер движения автомобиля – продолжительность и интенсивность разгонов и замедлений, равномерных этапов движения с различными скоростями, стоянки с включённым двигателем – также определяется многими объективными и субъективными факторами. Поэтому показатели топливной экономичности одного и того же автомобиля могут изменяться в широких пределах 1 При сертификационных испытаниях вышеуказанные факторы фиксируются на стандартных (усреднённых, наиболее представительных) значениях, чтобы обеспечить сопоставимость получаемых результатов для разных автомобилей. В результате у многих создаётся ошибочное представление о том, что топливную экономичность автомобиля можно характеризовать одним- 1 До нескольких десятков процентов. 15 двумя значениями, указываемыми в протоколе сертификации. Показатели состава ОГ ДВС более «чувствительны» к изменению режимов работы ДВС, поэтому величина пробеговых выбросов одного и того же автомобиля может изменяться ещё в большем диапазоне 1 Образование основных загрязняющих веществ в ДВС Преобразование энергии топлива в механическую работу, осуществляемое в ДВС, сопровождается образованием загрязняющих веществ. Всего в составе ОГ ДВС содержится более 400 соединений, которые по химическим свойствам, характеру воздействия на биосферу разделяются на нетоксичные (N 2 , O 2 , H 2 O) и токсичные (CO 2 , CO, NO x , C x H y , SO 2 , H 2 S, сажа, соединения свинца и т.д.). Образование СО 2 и его влияние на окружающую среду Механизмы образования Углерода диоксид (углекислый газ) СО 2 является продуктом полного сгорания углеводородных топлив. Химическая реакция полного сгорания углеводородов упрощённо может быть выражена стехиометрическим уравнением 𝐶 𝑛 𝐻 𝑚 + (𝑛 + 𝑚 4 ) 𝑂 2 → 𝑛𝐶𝑂 2 + 𝑚 2 𝐻 2 𝑂. (3) Из данного уравнения следует, что при сжигании более тяжёлого топлива образуется большее число молекул СО 2 , чем при сжигании лёгких топлив. Однако в реальных конструкциях ДВС величина выбросов СО 2 зависит как от вида используемого топлива, так и от эффективности сгорания топлива. Автомобили, работающие на дизельном (более тяжёлом) топливе, благодаря своей экономичности, на единицу пробега выбрасывают примерно на 20% меньше СО 2 , чем автомобили, работающие на бензине (более лёгком топливе), и по этому показателю сравнимы с автомобилями, работающими на самом «простом» углеводородном топливе ‒ природном газе (метане). Таким образом, выбросы СО 2 определяются, в основном, двумя факторами: количеством израсходованного топлива и содержанием в 1 До нескольких десятков и даже сотен раз. 16 топливе углерода. В отличие от других ЗВ СО 2 невозможно удалить из ОГ при помощи приемлемых для автотранспортного применения технологий очистки. Поэтому сокращение выбросов СО 2 на автомобильном транспорте представляет сложную задачу, приоритетность решения которой в последнее время постоянно увеличивается. Количество выбросов CO 2 c ОГ можно оценить по формуле, выведенной на основе закона сохранения массы (или принципа «баланса углерода»): сколько углерода содержалось в топливе, столько его должно содержаться и в компонентах ОГ: 𝐸 𝐶𝑂 2 = 𝑐 𝑞 ∙𝐺 т ∙𝜌 т ∙10−𝑐 𝐶𝑂 ∙𝐸 𝐶𝑂 −𝑐 𝐶𝐻 ∙𝐸 𝐶𝐻 −𝑐 ДЧ ∙𝐸 ДЧ 𝑐 𝐶𝑂2 , (4) где 𝐺 т ‒ путевой расход топлива, л/100 км; 𝑐 𝑞 , с СО 2 𝑐 𝐶𝑂 , 𝑐 𝐶𝐻 , 𝑐 ДЧ – содержание углерода в топливе, углекислом газе, угарном газе, углеводородах, дисперсных частицах (ДЧ) соответственно, %, см. табл. 1; 𝐸 𝐶𝑂 2 , 𝐸 𝐶𝑂 , 𝐸 𝐶𝐻 , 𝐸 ДЧ ‒ пробеговые выбросы углекислого газа, угарного газа, углеводородов, дисперсных частиц соответственно, г/км. 𝜌 т – плотность топлива при 20°C, кг/л. При отсутствии данных о реальных (фактических) пробеговых выбросах ЗВ с ОГ автомобиля можно использовать нормативные (предельно допустимые) значения, приводимые в соответствующих регламентах. Однако для автомобилей, полной массой более 3,5 тонн, нормативными значениями являются не пробеговые (г/км), а удельные (г/кВтч) выбросы, характеризующие ДВС как отдельный агрегат. В этом случае переход от удельных к пробеговым выбросам может быть упрощённо 1 осуществлён по формулам 𝐸 𝐶𝑂 = Н 𝐶𝑂 ∙ 𝐸 т , 𝐸 𝐶𝐻 = Н 𝐶𝐻 ∙ 𝐸 т , 𝐸 ДЧ = Н ТЧ ∙ 𝐸 т , (5) где Н 𝐶𝑂 – нормативные удельные выбросы CO, г/кВт·ч; Н 𝐶𝐻 – нормативные удельные выбросы CH, г/кВт·ч; Н ДЧ – нормативные удельные выбросы ДЧ, г/кВт·ч; 1 Погрешность возникает из-за различия преобладающих режимов работы ДВС при сертификационных испытаниях и в реальной эксплуатации. 17 𝐸 т ‒ тяговая энергия, затрачиваемая двигателем на движение автомобиля, кВт·ч/км. Содержание углерода в различных видах топлива и продуктах сгорания представлено в табл. 1. Таблица 1 Содержание углерода в различных веществах Вещество Относительная молекулярная масса Содержание углерода, % по массе С (углерод) 12,01 100 Дисперсные частицы - 95,00 СО 2 (углекислый газ) 44,008 27,29049 СО (угарный газ) 28,009 42,87907 С 6 Н 14 (гексан) 86,172 83,62345 СН 4 (метан) 16,042 74,86598 СН 3 ОН (метанол) 32,041 37,48322 С 2 Н 5 ОН (этанол) 46,067 52,14145 (СН 3 ) 3 СОСН 3 (МТБЭ) 88,145 68,12638 С 3 Н 8 (пропан) 44,094 81,7118 С 4 Н 10 (бутан) 58,12 82,65657 Бензин 105 86,5 Дизельное топливо 200 85,5 Влияние СО 2 на окружающую среду и здоровье человека Углерода диоксид считается основным «парниковым» газом, оказывает влияние на процесс закисления (ацидофикации) мирового океана, в закрытых помещениях может формировать токсичные для человека концентрации. Образование СО и его влияние на окружающую среду Механизмы образования Углерода оксид (угарный газ, СО) является продуктом неполного сгорания углеводородного топлива. Образование СО практически зависит от единственного фактора – коэффициента избытка воздуха В ДВСПВ максимальные концентрации СО формируются при работе двигателя на «богатых» смесях ( < 1), а по мере «обеднения» смеси ( > 1) концентрации СО снижаются (рис. 3). Тем не менее, 18 незначительная концентрация СО в ОГ всё равно остаётся, поскольку процесс доокисления СО в СО 2 замедляется при снижении температуры в ходе расширения объёма камеры сгорания по мере движения поршня от верхней мёртвой точки к нижней мёртвой точке на рабочем такте 1 Рис. 3. Зависимость концентрации СО, СО 2 и О 2 в отработавших газах ДВСПВ на выходе из цилиндра в зависимости от состава рабочей смеси Общий или местный недостаток кислорода в процессе сгорания топлива в ДВСПВ может быть обусловлен как регулировкой системы подачи топлива на обогащенную смесь, так и низким качеством смесеобразования (неоднородность рабочей смеси, наличие жидкой плёнки топлива во впускном трубопроводе, неоднородность распределения топлива по отдельным цилиндрам многоцилиндрового двигателя, цикловая неоднородность и т.п.). В ДВСПВ 2 обогащение смеси применяют на режимах работы ДВС, близких к режиму холостого хода (т.н. режимы малых нагрузок) и на режимах, близких к режимам полной подачи топлива (т.н. режимы внешней скоростной характеристики). Необходимость в обогащении 1 Этот эффект называется «закалкой» СО. 2 Без систем очистки ОГ и без стратификации (расслоения) заряда. 19 рабочей смеси на режимах малых нагрузок обусловлена очень низким качеством смесеобразования и другими факторами, затрудняющими воспламенение смеси от искры зажигания. Другими словами, при подаче в цилиндры стехиометрической и тем более обеднённой смеси двигатель просто «глохнет». На режимах внешней скоростной характеристики необходимо подавать в цилиндры смесь «мощностного» состава (α≈0,95), чтобы обеспечить максимально возможную энергоотдачу от ДВС. На всех остальных режимах работы ДВСПВ, называемых режимами частичных нагрузок, основным приоритетом считается обеспечение максимальной экономичности 1 , поэтому в цилиндры подают смесь «экономичного» состава (α≈1,1…1,15). Состав подаваемой в цилиндры двигателя рабочей смеси определяет концентрацию СО в ОГ. Минимум СО образуется при работе ДВС на режимах частичных нагрузок, а на режимах малых и больших нагрузок концентрация СО в ОГ многократно увеличивается (рис.4). Рис. 4. Пример многопараметровой характеристики ДВСПВ по относительному изменению концентрации СО 1 В ДВСПВ, оборудованных системой очистки ОГ с трёхкомпонентным нейтрализатором, состав рабочей смеси поддерживается стехиометрическим практически на всех режимах работы двигателя с тем, чтобы обеспечить эффективную нейтрализацию как СО и СН, так и NO x 20 Дизельные двигатели (или ДВСВС) всегда работают на бедных смесях, однако вследствие совмещения процессов смесеобразования и сгорания во время впрыска топлива в камеру сгорания, некоторое количество СО на начальном этапе сгорания всё равно образуется. Большая часть образовавшегося СО за время рабочего такта успевает доокислиться до СО 2 , поэтому концентрация СО в отработавших газах дизелей (на выходе из камеры сгорания) на порядок меньше, чем в ОГ ДВСПВ. Однако некоторое количество СО всё-таки остаётся, главным образом из-за эффекта «закалки» СО. Влияние СО на окружающую среду и здоровье человека Угарный газ реагирует с гемоглобином крови, препятствуя процессам переноса кислорода в организме человека. Наиболее чувствительным органом к «кислородному голоданию» является головной мозг, поэтому даже при относительно низких концентрациях СО в воздухе уже наступают неблагоприятные реакции: головокружение, потеря внимания, сонливость. Высокие концентрации могут привести к смерти. Поскольку угарный газ не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха, обнаружить его при помощи органов чувств человек не может. Угарный газ также участвует в процессах образования фотохимического смога и является «парниковым» газом. Образование NO x и их влияние на окружающую среду В продуктах сгорания двигателей могут одновременно присутствовать шесть соединений азота с кислородом: N 2 O, NO, N 2 O 3 , NO 2 , N 2 O 4 , N 2 O 5 Наиболее значимыми из них являются NO и NO 2 , обозначаемые как NO x При реализации в двигателях рабочего процесса с максимальными температурами цикла порядка 1500…2500°С преобладающим в выбросах из оксидов азота становится азота оксид NO (99% в двигателях с искровым зажиганием и более 90% в дизелях) [1]. Считается, что в процессе горения NO может образовываться следующими путями: в результате низкотемпературного (порядка 800°С) окисления азотосодержащих соединений моторного топлива (топливный NO), 21 при высокотемпературном (более 1300°С [2]) окислении азота воздуха ( термический NO), вследствие столкновения углеводородных радикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсаций температуры ( быстрый NO) [3]. Топливный NO В нефтепродуктах содержится до 5% азотистых соединений (0,3 …0,6% по весу чистого азота). Основными азотосодержащими компонентами твёрдого и жидкого топлив являются пиридин и его производные [4]. Азот топлива легче вступает в реакцию окисления, чем атмосферный азот, поэтому для начала этой реакции достаточно умеренной температуры. Фракции нефти с температурой перегонки до 350°С содержат не более 4% всего азота, содержащегося в ней. Поэтому для дизельных топлив, а тем более для бензинов, получаемых из нефти, «топливным NO» можно пренебречь. Однако для судовых топлив, у которых только 15% состава перегоняется до температуры 250°С, а также для мазутов нельзя пренебрегать содержанием топливного азота. Термический NO Фронт пламени, распространяющийся от искры, достигает температуры около 2800°С. Окисление азота воздуха происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания. При указанной температуре энергия столкновений молекул азота и кислорода становится достаточной для разрыва связи между атомами азота и образования NO. При этом концентрация NO может достигать 2%. При понижении температуры ОГ NO, будучи термодинамически неустойчивым, распадается на кислород и азот, но скорость этого процесса очень низка, т.к. температура в камере сгорания быстро снижается по мере увеличения объёма камеры сгорания при движении поршня из ВМТ в НМТ на такте рабочего хода 1 . Таким образом, в условиях рабочего процесса ДВС NO оказывается достаточно стабильным и выделяется вместе с ОГ. 1 Этот эффект называется «закалкой» NO x 22 Выделение оксидов азота определяется максимальной температурой горения, концентрацией азота и кислорода в зоне продуктов сгорания, продолжительностью процесса и не зависит от химической природы топлива, участвующего в реакции. Окисление азота воздуха в основном происходит по цепному механизму Зельдовича-Кека [5, 6]: N 2 + O → NO + N; N + O 2 →NO + O; N + OH →NO + H. Выход оксида азота зависит также от скорости охлаждения продуктов сгорания. В бедных смесях (при относительно малой скорости реакции) выход NO определяется максимальной температурой рабочего цикла, т.е. кинетикой образования. В богатых смесях выход NO перестает зависеть от максимальной температуры рабочего цикла и определяется кинетикой разложения, т.е. «закалкой» образовавшегося оксида азота. Рис. 5. Изменение концентраций СН и NO x в ОГ ДВСПВ на выходе из цилиндра в зависимости от состава рабочей смеси Максимальное содержание NO в ОГ ДВСПВ соответствует экономичным режимам работы, так как на этих режимах ( =1,05…1,1) при достаточно высоких температурах сгорания имеется большое количество свободного кислорода в зоне продуктов сгорания (рис. 5). При обеднении 23 рабочей смеси до >1,1 снижается максимальная температура процесса сгорания, и концентрация NO в ОГ начинает уменьшаться. В ДВСПВ максимальные концентрации термического NO образуются на режимах частичных нагрузок и высоких частот вращения ( рис. 6). Именно в этой зоне сочетаются два фактора, определяющие образование NO, – высокая температура сгорания рабочей смеси и наличие «свободного» 1 кислорода в зоне продуктов сгорания. По мере уменьшения нагрузки и частоты вращения максимальная температура рабочего цикла начинает снижаться, т.к. уменьшается количество рабочей смеси, поступающей в камеру сгорания. В области малых нагрузок, кроме низкой температуры сгорания рабочей смеси, начинает оказывать влияние дефицит «свободного» кислорода, поэтому концентрации NO снижаются до минимальных значений. В области внешней скоростной характеристики ДВС максимальная температура рабочего цикла достаточно высокая, но дефицит «свободного» кислорода обуславливает некоторое снижение концентраций NO относительно максимума. Рис. 6. Пример многопараметровой характеристики ДВСПВ по концентрации NO x 1 Т.е. оставшегося после окисления топлива. 24 В ДВСВС коэффициент избытка воздуха изменяется в широких пределах, что связано с присущим этим двигателям принципом регулирования мощности за счёт изменения состава (или «качества») рабочей смеси. Однако средний состав рабочей смеси остаётся на всех режимах «бедным». В этих условиях образование термического NO зависит только от максимальной температуры рабочего цикла. Поэтому зона максимальных концентраций NO перемещается к внешней скоростной характеристике ДВС. Образование NO в цилиндре ДВСВС зависит главным образом от локальных условий, т.е. от температуры и состава смеси в зоне сгорания основной массы топлива. При одном и том же среднем по камере сгорания концентрация NO может существенно изменяться в зависимости от закона и качества смесеобразования и сгорания рабочей смеси. |