РП 10Показатели токсичности работы двигателя.

Автомобили с дизелями испытывают на дымность ОГ при свободном ускорении и максимальной частоте вращения вала на холостом ходу. Более полную оценку токсичности и дымности ОГ автомобилей и двигателей проводят на заводах, при этом выполняются заданные совокупности режимов, называемые циклами. Оценочными и нормируемыми показателями служат выбросы СО, NOх и СН, а для дизелей также дымность ОГ или содержание твердых частиц. Автомобили с полной массой не более 3500 кг (легковые, микроавтобусы и т. п.) с дизелями и двигателями с искровым зажиганием испытывают по так называемому ездовому циклу на стенде с беговыми барабанами. Испытание состоит из части I, в течение которой четыре раза повторяется городской цикл А, а затем следует высокоскоростная часть II, имитирующая движение автомобиля по шоссе (рис. 15.5).

• Состав смеси оказывает большое влияние на токсичность ОГ. Как следует из рис.15.6, при < 1 существенно возрастает концентрация СО и СН, при этом, даже когда для двигателя в целом α=1,0 в ОГ, содержится некоторое количество этих токсичных компонентов, что объясняется неравномерностью состава смеси по цилиндрам, наличием в камере сгорания зон с обогащенной смесью. При обеднении смеси выход NO, сначала растет, что связано с увеличением концентрации в продуктах сгорания атомарного кислорода, затем при α> 1,05...1,10 в результате падения температуры сгорания образование NOх уменьшается.

Наименьшая величина средней амплитуды α этих колебаний имеет место при α= 0,8...0,85, когда наблюдается также минимальная концентрация СН. С обеднением смеси при α> 0,80...0,85 выброс СО уменьшается, однако из-за пропусков воспламенения в отдельных циклах сильно возрастает концентрация СН и увеличивается амплитуда колебаний двигателя на подвеске.

• Угол опережения зажигания вблизи его оптимального значения (с точки зрения экономичности работы двигателя почти не влияет на концентрацию СО и СН, однако с ростом φ концентрация NOх возрастает и особенно заметно при α > 1,0. Отступление от рекомендуемых для данного двигателя φ в сторону более поздних способствует снижению выбросов NOх, но при этом одновременно ухудшаются и экономические показатели. Работа с чрезмерно ранним зажиганием недопустима, так как при этом увеличивается выброс NOх и ухудшаются другие показатели.

• Совершенствование рабочих процессов и смесеобразования. Конструкция камеры сгорания влияет на образование СН: чем меньше отношение поверхности к объему камеры и объем камеры над вытеснителем, тем меньше образуется СН. На концентрацию СО и NOх эти факторы заметного влияния не оказывают. Увеличение степени сжатия вызывает рост максимальной температуры цикла и приводит к увеличению отношения поверхности камеры сгорания к ее объему. Первый фактор определяет повышение концентрации NOх при α> 1,0, а второй — увеличение выхода СН.Улучшение смесеобразования уменьшает выброс СО в области богатых смесей, но может несколько увеличить концентрацию NO, на бедных смесях. Наибольшие трудности при соблюдении действующих и перспективных норм на токсичность ОГ связаны со снижением выбросов NOх, а на режимах пуска, прогрева и холостого хода — со снижением выбросов СН и СО. Для снижения токсичности ОГ рекомендуется использовать следующие мероприятия.• Повышение качества изготовления двигателей путем совершенствования технологических процессов и в первую очередь ужесточения технологических допусков на изготовление деталей, формирующих камеру сгорания, систему подачи топлива, впускные трубопроводы и систему зажигания. Это обеспечивает уменьшение различий значения степени сжатия в отдельных цилиндрах, улучшает распределение смеси по цилиндрам, позволяет существенно приблизиться к оптимальным составам смеси и углам опережения зажигания. Улучшение конструкции поршневых колец уменьшает угар масла и, следовательно, снижает выброс СН и канцерогенных веществ. • Совершенствование систем питания и зажигания имеет исключительно большое значение. Для карбюраторов помимо повышения точности изготовления его основных деталей существенное значение имеют совершенствование систем пуска, прогрева и холостого хода, применение экономайзера принудительного холостого хода и т. п. Наилучшие результаты по снижению токсичности ОГ дает применение системы впрыскивания бензина. Транзисторная система зажигания увеличивает энергию электрической искры, что улучшает воспламенение и позволяет работать на более бедных смесях. Микропроцессорное управление системой зажигания позволяет изменять угол опережения зажигания по сложному закону, обеспечивающему выполнение требований к процессу сгорания с точки зрения снижения токсичности ОГ и улучшения топливной экономичности.

• Рециркуляция отработавших газов. Определяющее влияние на величину общей токсичности ОГ двигателей с искровым зажиганием на режимах больших и средних нагрузок оказывают выбросы NOх. Уменьшение выбросов NOх представляет собой сложную задачу. Если часть ОГ из системы выпуска направить во впускной трубопровод, то концентрация топлива в заряде уменьшится. Это вместе с относительно высокой теплоемкостью продуктов сгорания приводит к понижению максимальной температуры цикла и концентрации кислорода в заряде, а значит, способствует уменьшению образования NO, и понижает их концентрацию в ОГ на 40...50%. Опыты показывают, что для такого снижения концентрации NOх во впускную систему необходимо подавать ОГ в количестве до 20% от количества воздуха. Чрезмерно большая рециркуляция вызывает увеличение выбросов СН и заметное ухудшение топливной экономичности. Следовательно, рециркуляцию необходимо регулировать в зависимости от нагрузки двигателя, для чего служит специальный клапан-дозатор ОГ. Рециркуляция ОГ более эффективна на режимах средних нагрузок, когда максимальная температура при сгорании смеси достаточно высока и в заряде имеется избыток кислорода. При полном открытии дроссельной заслонки рециркуляция не используется, так как она снижает мощность двигателя. На холостом ходу и малых нагрузках рециркуляция также не используется, так как в ней нет необходимости. В карбюраторных двигателях ОГ подаются во впускной трубопровод за дроссельной заслонкой, чтобы не нарушать до-зирования смеси и избегать образования в карбюраторе отложений. • Нейтрализация отработавших газов — радикальный способ уменьшения токсичности ОГ. Для автомобильных двигателей наибольшее применение получили каталитические нейтрализаторы, в которых специальные вещества (катализаторы) ускоряют протекание реакций окисления СО и СН, а также восстановления NOх. Существует очень узкий диапазон составов смеси вблизи α= 1,0, когда имеет место высокая степень преобразования одновременно всех трех основных токсических компонентов, т. е. когда количество кислорода, освобождающегося при восстановлении NOх, достаточно для окисления СО и СН. Поддержание состава смеси в таком узком диапазоне возможно в основном при применении систем впрыскивания топлива с электронным управлением по сигналу кислородного датчика (λ-зонд), характеристика которого показана на рис. 15.9. Как видно, в требуемом диапазоне состава смеси сигнал λ -зонда изменяется почти ступенчато, что позволяет электронному блоку управления впрыскивания бензина поддерживать состав смеси при 1,0 с точностью ±1%.