ИЛЬТНЕР АЛЕКСАНДР ЯКОВЛЕВИЧ

Варшавский И.Л., Малов Р.В.
Как обезвредить отработавшие газы автомобилей
Изд-во "Транспорт", 1968 - 128с.

Глава I
ОТРАБОТАВШИЕ ГАЗЫ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

§1. ГОРЕНИЕ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЯХ

Все двигатели внутреннего сгорания разделяются на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием. Они образуют две группы. Первую - составляют карбюраторные двигатели, вторую - дизельные.

У карбюраторных двигателей сжигаемое топливо подается в рабочий цилиндр в виде готовой смеси с воздухом. При работе на газе смесь образуется в специальном смесителе. При работе на жидких топливах (обычно используется бензин) смесеобразование происходит путем ввода распыленного топлива в струю поступающего в цилиндр воздуха. Это делается или непосредственно во впускном трубопроводе при помощи форсунок или в специальном приборе - карбюраторе. Во всех случаях в цилиндр поступает готовая (карбюрированная) смесь определенного состава. Смесь сжимается поршнем и воспламеняется от электрической свечи. От местного, .почти точечного источника по всему объему топливно-воздушного заряда распространяется пламя.

Все карбюраторные двигатели работают по циклу Отто. Горение в них в идеальном случае должно происходить при постоянном объеме смеси, т. е. практически мгновенно. В действительности поршень непрерывно движется, и процесс сгорания занимает заметную долю цикла. Эта доля зависит от многих факторов, но в основном определяется составом смеси.

Для характеристики состава смеси пользуются понятием коэффициента избытка воздуха а, представляющим отношение количества действительно поступающего в цилиндр воздуха к количеству, теоретически необходимому для полного сгорания заданного количества топлива.

Опытами показано, что максимальная скорость сгорания при прочих равных условиях имеет место при = 0,85-0,9. Таким образом, чтобы приблизить действительный цикл работы двигателя к идеальному циклу Отто, т. е. увеличить скорость сгорания, коэффициент избытка воздуха а должен быть в указанных пределах. В этом случае мощность двигателя достигает максимальных значений, однако горение топлива идет при недостатке кислорода. В итоге получается, что сам цикл работы карбюраторных двигателей предопределяет неполное сгорание топлива.

Топлива, используемые в двигателях, представляют собой сложную смесь самых различных соединений углерода и водорода, носящих общее название углеводородов. Недостаточное количество кислорода при окислении приводит к тому, что в отработавших газах содержатся ядовитые продукты от неполного сгорания топлива: окись углерода (СО), кислородосодержащие органические вещества - альдегиды (формальдегид, уксусный альдегид, акролеин и др.), углеводороды в их первоначальном виде (этан, этилен, пропан, изобутан, ацетилен и др.), сажа и пр.

Не следует думать, что при =1 и даже >1 не будет образовываться продуктов неполного сгорания. Небольшой промежуток времени, отводимый на процесс сгорания, наличие в рабочей смеси оставшихся от предшествующего цикла газов, препятствующих доступу кислорода к молекулам топлива, и другие причины не дают возможность осуществляться окислению топлива полностью до конечных продуктов. Вследствие этого в отработавших газах карбюраторных двигателей на отдельных режимах работы только окиси углерода содержится до 12% по объему.

При сгорании топлива в цилиндрах двигателей возникают высокие температуры и давления. Входящий в состав воздуха азот при этих условиях не остается инертным. После сгорания основной массы топлива он начинает реагировать с остаточным кислородом, образуя окислы азота, которые тоже являются сильными ядами.

Во всех жидких топливах, в том числе и в бензинах, присутствует некоторое количество серы. По ГОСТ 2086-56, например, в бензине А-74 допускается содержание серы до 0,10%, а в бензинах А-66, АЗ-66, А-72, Л-76 до 0,15%. Если бензины выпускаются заводами, не имеющими установок для очистки от серы, то для бензинов A-6G, A3-6G ГОСТ допускает содержание ее до 0,3%. Сера, присутствующая в топливах, вступает в реакцию с кислородом и водородом, образуя сернистый газ и сероводород, которые являются токсичными.

Процесс сгорания топлива может иметь два типичных режима: нормальный и детонационный. При детонационной работе двигателя вблизи стенок цилиндра сгорание происходит почти мгновенно, что вызывает резкое увеличение давления, а в дальнейшем сильные его колебания. В результате этого в двигателе появляется характерный стук, а в отработавших газах резко увеличивается содержание окислов азота. Снизить вероятность возникновения детонации можно уменьшением степени сжатия двигателя, но это сказывается па его мощности и экономичности, поскольку термический коэффициент полезного действия цикла Отто равен

где е - степень сжатия;

k - показатель адиабаты (постоянная величина).

Склонность двигателя к детонации сильно зависит от качества топлива, стойкость которого против детонации характеризуется октановым числом. Чем больше это число, тем больше стойкость топлива против детонации. Для повышения октановых чисел бензинов в них добавляют специальные вещества, называемые антидетонаторами.

Наиболее распространенным антидетонатором является этиловая жидкость с тетраэтилсвинцом (ТЭС). ТЭС является сильно ядовитым веществом, требующим осторожности при работе с ним. Попадая в цилиндр двигателя, ТЭС вступает в реакцию с кислородом, образуя соединения свинца.

В последнее время под руководством акад. А. И. Несмеянова разработана новая антидетонационная менее токсичная, чем ТЭС, присадка - циклопентадиенилтрикарбонил марганца (ЦТМ). Применение ее перспективно при производстве автомобильных бензинов. Добавка марганцевой присадки в бензины уменьшает также содержание в отработавших газах окиси углерода.

Условия горения топлива в цилиндре способствуют образованию сложных соединений углерода и водорода, некоторые из которых относятся к категории канцерогенных, т. е. возбудителей раковых заболеваний. В отработавших газах они присутствуют в газообразном и жидком состояниях. Если в составе газов есть сажа, канцерогенные вещества осаждаются на ее частицах. Именно в таком виде они представляют наибольшую опасность, ибо получают возможность задерживаться в легких человека.

Отличие дизельных двигателей от карбюраторных заключается в том, что у них в цилиндры поступает, а затем сжимается только чистый воздух, необходимый для горения. Топливо подается отдельно форсункой при подходе поршня к верхнему крайнему Положению. К этому моменту давление воздуха в цилиндре достигает 30-35 кГ/см2, а температура 500-600° С. Топливо в таких условиях самовоспламеняется и горит. Часть процесса при этом проходит при мало изменяющемся объеме (в идеальном случае при V=const), а часть при почти постоянном давлении. Этот цикл называется циклом Сабатэ.

Процесс горения топлива в дизельных двигателях очень сложный. Одновременно в цилиндре идут процессы испарения капель топлива и окисления их паров, частичного и полного. Имеет место догорание отдельных капель топлива в процессе расширения. Дизельные двигатели работают при =1,4-1,7, а иногда и при >2. Поэтому содержание окиси углерода в отработавших газах дизельного двигателя незначительно. Из-за несовершенства процесса она все же присутствует в газах, достигая десятых долей процента по объему. Альдегиды имеются в отработавших газах, так как 'через их образование идет подготовка смеси к воспламенению. Догорание отдельных капель при выпуске, протекающее при пониженных давлениях и температурах, приводит к образованию больших количеств сажи, обусловливающей черный цвет отработавших газов дизельных двигателей, особенно при больших нагрузках. Вследствие большого количества в газах кислорода и азота, протекания процесса при высоких значениях температуры и Давления условии для образования окислов азота в дизельных двигателях больше, чем у карбюраторных. Больше условии и для образования сернистого газа, так 1как максимальное содержание серы в дизельных топливах по ГОСТ 4749-49 и ГОСТ 305-42 для всех марок ограничивается 0,2% по весу, а кислород находится в избытке. Благоприятны условия образования и для канцерогенных веществ.

Соединений свинца и отработавших газах дизельных двигателей пет, так как применяемые для дизельных топлив присадки не содержат свинца.

Варшавский И.Л., Малов Р.В. Как обезвредить отработавшие газы автомобилей. - Изд-во "Транспорт", 1968 - 128с.