ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ
ДВИГАТЕЛЯ
§ 4.1. Образование токсичных компонентов отработавших газов
В Росии,
как и в других странах с высокоразвитой промышленностью, приняты специальные
законы и стандарты, направленные на ограничение токсичности и дымности О. Г., а
также шума двигателей. В стандартах предписываются методы и режимы испытаний, а
также характеристики измерительной аппаратуры, которую следует использовать при
определении экологических показателей работы двигателя. Получаемые в результате
испытаний значения этих показателей не должны превышать соответствующие нормы.
Токсичными называются вещества,
оказывающие вредное влияние на организм человека и окружающую среду. При работе
поршневых д. в. с. выделяются следующие основные токсичные вещества: оксиды
азота NOx, сажа, оксид[1] углерода СО,
углеводороды СН, альдегиды, канцерогенные вещества, соединения серы и
свинца.
Помимо О. Г. двигателей
источниками токсичности являются также картерные газы и испарение топлива в
атмосферу. Наибольшее выделение токсичных веществ в атмосферу происходит с О.
Г., поэтому уменьшению токсичности О. Г. уделяется главное внимание.
1. Оксиды азота, образующиеся в
цилиндре дизеля, примерно на 90 % состоят из оксида азота NO, а
остальное — из диоксида азота NO2. Оксид азота образуется при
сгорании топлива в результате химических реакций между кислородом и азотом
воздуха. Начало цепным реакциям образования NO кладет появление атомарного
кислорода вследствие диссоциации молекул О2
при высоких температурах. Основные реакции, согласно общепринятой термической
теории Я. Б. Зельдовича, следующие:
N2+O = NO + N - 316 кДж/моль,
N+O2 = NO + O + 136 кДж/моль.
Количество оксида азота зависит
от концентрации атомарного кислорода и азота, а также от температуры.
Химическая природа топлива на выход NO влияния не оказывает.
Наибольшее
количество NO образуется в тех зонах заряда дизеля, которые сгорают
первыми и имеют наибольшее время пребывания при температуре выше 2200 К. Это
объясняется сильной зависимостью скорости образования NO от
температуры, а в тех зонах, где топливо сгорело раньше, температура продуктов
сгорания выше из-за их «поджатия» вследствие сгорания в последующих зонах (так
называемый Махе-эффект).
При сгорании в дизеле
образование NO определяется локальными составами смеси и
температурами. Например, количество NO, образующейся в пламени богатых
смесей в ядре факела, зависит от локальной концентрации кислорода, поэтому при
подаче топлива через большее число сопловых отверстий выход NO несколько
увеличивается.
При понижении
температуры продуктов сгорания во время такта расширения концентрация NO не
снижается до равновесной, и чем больше в результате расширения скорость
охлаждения продуктов сгорания, тем сильнее фактическая концентрация NO
превышает равновесную. Это явление называется закалкой образовавшегося оксида азота.
В карбюраторных двигателях NO
образуется как во фронте пламени, так и в продуктах сгорания, т. е. за фронтом
пламени. Так как в результате Махе-эффекта
температура за фронтом пламени выше, то именно в зонах, где топливо сгорает в
первую очередь, образуется наибольшее количество NO.
2. Сажа представляет собой
частицы твердых углеродистых продуктов с содержанием чистого углерода до 99%,
диаметр этих частиц непосредственно после их образования обычно равен (50 —
500)10-10 м. Затем еще в процессе сгорания в дизеле имеет место
коагуляция частиц с образованием вторичных и третичных структур с линейными
размерами 0,3—100 мкм.
Наличие сажи в О. Г.
обусловливает черный дым на выхлопе. Эта дымность О. Г. является большим
недостатком дизелей, особенно на режимах разгона. Наибольшее количество сажи
образуется в процессе диффузионного горения в ядре факела, особенно при работе
дизеля на полных нагрузках, что обусловлено большой местной концентрацией
компонентов топлива с высокой температурой кипения, а также малой концентрацией
кислорода (a < 0,3 — 0,7).
На такте расширения часть
образовавшейся сажи выгорает в турбулентном пламени. Степень выгорания сажи
зависит от концентрации кислорода вблизи частиц, температуры и времени
пребывания частиц в цилиндре. При усилении турбулентности и вихревого движения
заряда перемешивание горящей смеси интенсифицируется, в результате чего
выгорание сажи усиливается, а образование ее тормозится, т. е. дымность О. Г.
уменьшается.
Поскольку в цилиндре
карбюраторного двигателя сгорает гомогенная смесь при a > 0,7, сажа образуется в ничтожных количествах.
Сажа представляет собой
механический загрязнитель легких человека, но значительно больше она опасна как
адсорбент и активный переносчик канцерогенных веществ, в частности бензпирена, вызывающего рак легких. Наибольшая скорость
образования бензпирена имеет место
при температуре 900—1200 К. Зонами преимущественного образования бензпирена являются пристеночные слои.
3. Оксид углерода СО
образуется главным образом при сгорании топлива с недостатком кислорода,
некоторое количество СО может также образовываться в пристеночных слоях
смеси или вследствие диссоциации СО2
при высоких температурах. В дизелях СО образуется в результате холоднопламенных реакций и при сгорании в зонах с локальным
недостатком кислорода, значительная часть СО окисляется затем до СО2, поэтому выброс СО с О. Г. дизелей
невелик и не превышает по объему 0,1—0,2%.
4. Углеводороды,
содержащиеся в О. Г. состоят из исходных или распавшихся молекул
топлива. У стенок камеры сгорания температура газов недостаточно высока для
сгорания топлива, поэтому здесь пламя гасится и полного сгорания не происходит.
Углеводороды несгоревшего топлива могут появляться в О. Г. и в результате
наличия в заряде зон с чрезмерно обедненной или обогащенной смесью, а в
карбюраторных двигателях — и при пропусках воспламенения.
Присутствие в О. Г. дизелей
углеводородов является одной из причин появления белого или голубого дыма.
Углеводороды в
тех количествах, в которых они выбрасываются в атмосферу поршневыми д. в. с.,
сами по себе не представляют большой опасности. Однако при определенных
условиях в атмосфере образуется специфический туман, обладающий вредным
действием и называемый смогом. Углеводороды способствуют образованию смога, и
поэтому во многих странах их содержание в О. Г. ограничивается.
5. Альдегиды. В период,
предшествующий основному горению, в дизеле протекают холоднопламенные
процессы, приводящие к образованию альдегидов. На режимах холостого хода и малых
нагрузках дизеля, т. е. когда температуры сгорания невелики, образуется
наибольшее количество альдегидов. Некоторые альдегиды, а также углеводороды,
образующиеся в дизеле, обусловливают неприятный запах О. Г., который относят к
недостаткам дизелей.
6. Другие токсичные компоненты.
При сгорании серы, содержащейся в дизельном топливе, образуются токсичный
сернистый газ SO2 и сероводород H2S.
Свинец, входящий в состав антидетонационных присадок к бензину, выбрасывается в
атмосферу с О. Г. в виде ряда токсичных соединений.
Концентрацию токсичных
компонентов в сухих О. Г. оценивают в объемных процентах, миллионных долях по
объему (млн.-1) и реже в миллиграммах на 1 л О. Г.
Даже в правильно
отрегулированном двигателе количество токсичных компонентов может достигать
следующих величин:
|
|
Дизель |
Карбюраторный двигатель |
|
Оксид углерода СО, % |
0,2 |
6,0 |
|
Оксиды азота, % |
0,35 |
0,46 |
|
Углеводороды, % |
0,04 |
0,40 |
|
Диоксид серы, % |
0,04 |
0,007 |
|
Сажа, мг/л |
0,30 |
0,05 |
На основании действующих в нашей
стране санитарных норм на предельное содержание токсичных веществ в воздухе
можно в первом приближении принять следующее соотношение токсичности
компонентов по отношению к токсичности оксида углерода: СО
: NОx : СН = 1 :
20 : 0,67.
Таким образом, токсичность дизелей зависит в основном от содержания в О. Г.
оксидов азота.
Токсичность О. Г. бензиновых
двигателей существенно зависит от концентрации оксида углерода и оксидов азота.
Влияние некоторых факторов на токсичность О. Г. дизелей. Токсичность О. Г. зависит от
многих конструктивных и эксплуатационных факторов. Воздействуя на последние,
можно значительно улучшить экологические показатели работы двигателей.
Способ смесеобразования оказывает
заметное влияние на токсичность О. Г. Это объясняется тем, что в
предкамере или вихревой камере процесс сгорания происходит при пониженном
значении температуры и коэффициента избытка воздуха. Догорание заряда в
основной камере также идет при относительно невысоких температурах. По этим
причинам в дизелях с разделенными камерами сгорания образуется меньше NOx, чем в дизелях с камерой
сгорания в поршне. Кроме того, как показано на рис. 4.1, дизели с разделенными
камерами выбрасывают с О. Г. меньше продуктов неполного сгорания при относительно небольшой дымности[2]* выпуска, что объясняется
лучшим догоранием СО, СН и сажи в надпоршневом
объеме.
Степень сжатия оказывает влияние на
токсичность О. Г. главным образом через изменение температуры заряда.
Увеличение последней с ростом e приводит к улучшению смесеобразования, особенно на
малых нагрузках и частотах вращения вала, поэтому выброс СО и СН
снижается. Чтобы при этом не возрастал выброс NOx, соответствующим образом подбирают сочетание интенсивности вихревого
движения заряда и параметров впрыскивания топлива.
Подача топлива. Увеличение давления впрыскивания
при данном диаметре сопловых отверстий распылителя позволяет позже начинать
впрыскивание, оставляя неизменным его окончание, в результате чего уменьшаются
выброс NOx и дымность О. Г. При средних и
высоких нагрузках некоторые системы подачи топлива могут давать подвпрыскивание, когда после конца основного впрыскивания
игла форсунки открывается на короткое время. При этом в цилиндр впрыскивается
очень небольшое количество топлива, которое плохо распыливается
и сгорает на линии расширения с образованием СО, СН и дыма.
Сходное с подвпрыскиванием
влияние на выброс СН оказывает истечение топлива с малой скоростью из
объема колодца под иглой распылителя и каналов сопловых отверстий. После
посадки иглы на седло пузырьки газа в подыгольном
объеме расширяются в результате разогрева и вытесняют топливо в камеру
сгорания, где создается локальное обогащение смеси на ходе расширения, что
приводит к увеличению выброса СН. Особенно это заметно в дизелях с
камерой сгорания в поршне, у которых объем колодца под иглой (Vu) составляет
1,35—1,8 мм3. Влияние этого объема на содержание СН в О. Г.
иллюстрирует рис. 4.2.
Угол опережения впрыскивания Qо.вп заметно влияет на выброс NOx. При уменьшении Qо.вп в результате снижения
температуры сгорания образование NOx, значительно замедляется.
Однако если при этом возрастает длительность периода задержки воспламенения, то
это вызывает увеличение выброса продуктов неполного сгорания — СН и СО.
Изменение Qо.вп обусловливает значительное
изменение длительности периода задержки воспламенения и доли топлива,
впрыснутой за этот период, что сказывается на продолжительности диффузионного
сгорания. Например, если QI сокращается, то доля топлива,
впрыснутого до начала быстрого горения (DVi), становится меньше, а роль
диффузионного сгорания и дымность О. Г. соответственно возрастают (рис. 4.3).
Конечно, всегда следует помнить,
что при чрезмерном уменьшении Qо.вп существенно ухудшаются экономические и энергетические
показатели работы дизеля.
Режим работы. На рис. 4.4, а, б показаны диапазоны содержания токсичных компонентов и
изменения дымности О. Г. дизелей с различными способами смесеобразования в
зависимости от режима работы. При увеличении нагрузки дизеля
(ре > 0,4 — 0,5 МПа) смесеобразование и сгорание
ухудшаются, поэтому возрастает выброс СО и резко повышается дымность О.
Г. Влияние температурного фактора является определяющим в процессе образования
оксидов азота в области малых и средних нагрузок и лишь при больших цикловых
подачах топлива рост выхода NOx, замедляется
или даже прекращается вследствие появления в камере сгорания значительных
объемов, в которых практически отсутствует
свободный кислород.
Увеличение частоты вращения до n» 2000 мин-1 приводит
к снижению дымности О. Г. вследствие улучшения смесеобразования, однако при n >
2000 мин-1 дымность опять несколько возрастает, что объясняется
преобладающим влиянием сокращения времени сгорания топлива. На образование NOx, СО и СН частота
вращения влияет слабо.
В дизелях с камерой сгорания в
поршне дымность О. Г. на низких скоростных режимах возрастает в 1,5—2 раза по
сравнению с номинальным режимом. Это объясняется тем, что при уменьшении
частоты вращения ухудшается смешение топлива с воздухом и сажа, образующаяся в
зонах камеры с переобогащенной смесью, оказывается в
зонах с избытком кислорода слишком поздно и не успевает там окисляться. Поэтому
подачу в. диапазоне низких частот вращения необходимо ограничивать, т. е.
обеспечивать соответствующее корректирование скоростных характеристик
топливоподачи.
В период разгона автомобиля с
дизелем, особенно если последний имеет турбонаддув, в
результате кратковременного обогащения смеси значительно возрастает дымность О.
Г., в то же время имеет место лишь относительно небольшое увеличение
концентрации СО, СН и NOx.
§ 4.2. Основные способы снижения токсичности и дымности отработавших
газов
Требования
действующих в нашей стране государственных и отраслевых стандартов на
токсичность и дымность О. Г. двигателей обусловливают необходимость проведения
в жизнь специальных мероприятий на стадиях проектирования, производства и
эксплуатации двигателей, направленных на снижение токсичности и дымности О. Г.
Проблема снижения токсичности и дымности О. Г. осложняется тем, что обычно
необходимо уменьшать выброс в атмосферу нескольких токсичных компонентов. Однако многие методы, снижающие
выброс продуктов неполного сгорания углерода, связаны с интенсификацией
процесса сгорания, что вызывает увеличение концентрации NOx. Кроме того, нужно иметь в
виду, что реализация ряда способов уменьшения выбросов NOx приводит к ухудшению топливной
экономичности, что, как правило, является недопустимым.
Способы снижения дымности и токсичности О. Г. дизелей. Известен ряд способов
уменьшения дымности и токсичности О. Г. дизелей[3]. Вопрос о выборе наиболее
целесообразного пути решается применительно к конкретным условиям.
1. Совершенствование процессов
смесеобразования и сгорания. Преимущество этого способа заключается в том, что
одновременно со снижением дымности O. Г. и содержания в них СО
и СН улучшаются мощностные и экономические показатели двигателя. Однако
интенсификация сгорания приводит к увеличению концентрации NOx. Наоборот, воздействие на
процесс сгорания путем снижения степени сжатия, уменьшения угла опережения
впрыскивания топлива или дросселированием воздуха на
впуске приводит к уменьшению выхода NOx, но при этом ухудшаются индикаторные показатели.
Для снижения токсичности О. Г.
дизеля необходимо сокращать длительность задержки воспламенения и за этот
период впрыскивать основную долю топлива, стремясь к тому, чтобы сгорание происходило
в течение второй фазы с небольшой скоростью, а в завершающих фазах — с
наибольшей возможной интенсивностью.
2. Рециркуляция отработавших
газов. Если часть отработавших газов из системы выпуска направить во впускной
трубопровод, то наполнение цилиндров воздухом уменьшится. При этом диоксид азота, содержащийся в О. Г. может способствовать
сокращению периода задержки воспламенения. Все это вместе с
относительно высокой теплоемкостью продуктов сгорания приводит к понижению
максимальной температуры цикла и концентрации кислорода в заряде, а значит,
способствует уменьшению образования оксидов азота и понижает их концентрацию в
О. Г. на 40—50%. Опыты показывают, что для такого снижения концентрации NOx
во впускную систему необходимо подавать отработавшие газы в количестве около
20% от количества воздуха.
Рециркуляция О. Г. более
эффективна на режимах малых и средних нагрузок, причем ее эффективность в
дизелях с камерой сгорания в поршне выше, чем в дизелях с разделенными
камерами. Естественно, что на больших нагрузках рециркуляция О. Г. уменьшает индикаторный к. п. д. и увеличивает выделение СО.
Сходное с рециркуляцией О. Г.
воздействие на снижение выхода NOx: имеет подача воды во впускной
трубопровод или в цилиндр дизеля. В последнем случае вода может впрыскиваться
вместе с топливом в виде топливно-водяной эмульсии. При добавке воды в
количестве 6% (по массе) концентрация NOx снижается в два раза. Выброс СО и СН
при добавке к заряду воды практически не изменяется.
Использование воды для подавления образования NOx: наталкивается на ряд практических трудностей, связанных с возможностью
замерзания воды, появления коррозии и увеличением износа некоторых деталей.
3. Топливо и присадки.
Увеличение цетанового числа топлива уменьшает период
задержки воспламенения, жесткость работы и максимальное давление сгорания, что
оказывает сложное влияние на образование токсичных компонентов и дыма. На малых
и средних нагрузках увеличение цетанового числа
способствует уменьшению выброса NOx и СН, а на больших в
некоторых случаях — повышению дымности выхлопа. Чем больше в топливе легких
фракций, тем лучше его испаряемость, а значит, равномернее и состав смеси в
камере сгорания, что приводит к снижению дымности О. Г. и концентрации в них NOx. Добавка к дизельному топливу в
количестве до 1% антидымных присадок, например на
основе бария, марганца и тетраэтилсвинца, позволяет при больших нагрузках в
несколько раз понизить дымность О. Г. и содержание в них альдегидов и бензнирена.
4. Нейтрализация О. Г.
Радикальный способ уменьшения токсичности О. Г. — нейтрализация
(обезвреживание) газов в системе выпуска. В каталитических нейтрализаторах О.
Г. дизеля проходят через слой катализатора, сильно ускоряющего протекание
окислительных реакций, т. е. превращение СО и СН в СО2
и Н2О. В результате каталитической
нейтрализации при температуре О. Г. более 300°С концентрация СО
уменьшается на 85—90%, а СН—на 75—80%. При низких температурах О. Г.
(менее 300°С) эффективность каталитических нейтрализаторов невысока. При
эксплуатации нейтрализаторы часто забиваются сажей. С этим недостатком борются
путем установки перед нейтрализатором специальных улавливателей сажи или путем
периодического выжигания ее в самом нейтрализаторе. Каталитические
нейтрализаторы применяются на специальных машинах, работающих в условиях
повышенной загазованности воздуха.
Термическая нейтрализация заключается в окислении при высоких температурах СО и СН без катализатора. Полнота термической
нейтрализации зависит от концентрации токсичного компонента и кислорода,
температуры, давления и времени нахождения газов в нейтрализаторе. Если в
отработавших газах совсем нет или недостаточно кислорода, то к ним с помощью
специального насоса добавляют в соответствующем количестве воздух.
При невысоких температурах (до
150—200°С в термическом нейтрализаторе происходит интенсивное окисление NO в NO2. Конструктивно термические
нейтрализаторы изготовляют в виде теплоизолированных камер, встроенных в
выпускную систему по возможности ближе к клапанам. Система каналов в
нейтрализаторе обеспечивает хорошее перемешивание дополнительного воздуха и О.
Г. Термический нейтрализатор увеличивает гидравлическое сопротивление системы
выпуска, и поэтому при его установке экономичность двигателя ухудшается -
5. Техническое состояние
двигателя. Интенсивность дымления и токсичность О. Г. сильно зависят от
технического состояния и регулировок топливоподающей аппаратуры. Недопустимы подтекание топлива в распылителе, неправильная регулировка
давления начала впрыскивания, зависание иглы распылителя и т. п.
Большое значение имеет тепловое
состояние распылителя. Перегрев распылителя выше 180—210°С
приводит к его закоксовыванию, нарушению
характеристики впрыскивания, ухудшению равномерности распыливания и подачи
топлива через отдельные отверстия. В этом случае увеличиваются дымность и
токсичность О. Г. При засорении воздухоочистителя или потере герметичности
клапанов токсичность О. Г. может возрасти в результате снижения наполнения
цилиндров и компрессии. В изношенном дизеле в пристеночную зону цилиндра
попадают частички масла, что увеличивает выброс бензпирена
в 8—10 раз. Правильная эксплуатация, т. е. поддержание дизеля в хорошем
техническом состоянии, и стабильность регулировок топливной аппаратуры в
сочетании с систематическим контролем дымности и токсичности О. Г. позволяют
снизить общий выброс токсичных веществ на 30—40%.
Способы снижения токсичности О. Г. карбюраторных двигателей. При анализе воздействия того
или иного мероприятия на уменьшение токсичности О. Г. карбюраторного двигателя
необходимо оценивать его эффективность по токсическим компонентам — СО, NOx и СН.
1. Регулировки карбюратора и
угла опережения зажигания. Как следует из рис. 4.5, при a <. 1 существенно возрастает
концентрация СО и СН, при этом, даже когда для двигателя в целом a = 1,0, в О. Г. 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 NOx сначала растет, что связано с
увеличением концентрации в продуктах сгорания свободного кислорода, затем при a > 1,05— 1,10 в результате падения температуры
сгорания образование NOx уменьшается.
Ввиду сильной зависимости
токсичности О. Г. от состава смеси большое значение приобретает своевременная
проверка и поддержание в процессе эксплуатации рекомендуемых
заводом-изготовителем регулировок карбюратора.
Регулировка карбюратора на
режиме холостого хода, как это следует из рис. 4.6, не только существенно влияет на концентрацию СО
и СН, но одновременно от состава смеси сильно зависит и стабильность
работы двигателя и, в частности его колебания на подвеске. Наименьшая величина
средней амплитуды 
этих колебаний имеет
место при a = 0,8 — 0,85, когда наблюдается
также минимальная концентрация СН. С обеднением смеси при a > 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.
Изменение угла опережения
зажигания вблизи его оптимального значения (с точки зрения экономичности работы
двигателя) почти не влияет на концентрацию СО и СН, однако с
ростом Qо.з концентрация NOx возрастает и особенно заметно при a > 1,0.
Отступление от рекомендуемых для
данного двигателя углов опережения зажигания в сторону более поздних
способствует снижению выбросов оксидов азота, но при этом одновременно
ухудшаются и экономические показатели. Работа с чрезмерно ранним зажиганием (Qо.з > Qо.з.опт) недопустима, так как при этом
увеличивается выброс NOx и ухудшаются другие показатели.
2. Совершенствование рабочих
процессов и смесеобразования. Конструкция камеры сгорания влияет на образование
СН: чем меньше отношение поверхности к объему камеры и объем над
вытеснителем, тем меньше образуется СН. На концентрацию СО и NOx эти факторы заметного влияния
не оказывают.
Увеличение степени сжатия
вызывает рост максимальной температуры цикла и приводит также к увеличению
отношения поверхности камеры сгорания к ее объему. Первый фактор определяет
повышение концентрации NOx при a > 1,0, а второй — увеличение выхода СН.
Улучшение смесеобразования уменьшает выброс СО в области богатых смесей, но может несколько увеличить
концентрацию NOx на бедных смесях.
3. Применение бензинов с малым
содержанием тетраэтилсвинца, переход на газообразные топлива. Снижение или
полный отказ от этилирования бензинов позволяет соответственно влиять на выброс
соединений свинца и повысить долговечность каталитических нейтрализаторов.
Перевод двигателя на газообразное топливо обеспечивает снижение выброса NOx примерно в два раза, а также
дает некоторое уменьшение концентрации СО. Это
связано с тем, что при работе на газе возможно эффективное использование более
бедных смесей, сгорающих при меньшей температуре, а также снижение
неравномерности состава смеси по цилиндрам.
4. Рециркуляция О. Г. Чаще всего
О. Г. подаются во впускной трубопровод за дроссельной заслонкой, чтобы не
нарушать дозирования смеси карбюратором и избегать образования в нем отложений.
Количество О. Г., добавляемых к свежей смеси, необходимо
регулировать в зависимости от нагрузки двигателя. Максимальный перепуск должен
иметь место при работе на полном дросселе, когда рециркуляция 10—12% О. Г.
обеспечивает уменьшение концентрации NOx примерно в два раза. Иногда при работе с рециркуляцией
наряду с уменьшением выброса NOx немного увеличивается
образование СО и СН из-за
ухудшения процесса сгорания. Мощностные и экономические показатели двигателя
при введении рециркуляции могут несколько снижаться.
5. Нейтрализация О. Г. В
карбюраторных двигателях каталитические нейтрализаторы используются не только
для окисления СО и СН, но и для
нейтрализации NOx. В последнем
случае в той части нейтрализатора, которая предназначена для восстановления NOx,
необходимо создать восстановительную среду, т. е. химически связать кислород,
находящийся в составе О. Г. С другой стороны, в части нейтрализатора,
предназначенной для окисления СО и СН, необходимо обеспечить
окислительную среду и с этой целью в нейтрализатор подается воздух, если
концентрация кислорода в О. Г. недостаточна.
Применению каталитического
нейтрализатора для уменьшения выброса NOx сильно препятствует этилирование бензина, так как свинец дезактивирует
катализаторы в течение 100—200 ч работы на этилированных бензинах.
§ 4.3. Акустические показатели двигателей
Общие положения. Концентрация большого количества механизмов и машин с двигателями
внутреннего сгорания на строительных площадках приводит к повышенному шуму,
мешает работе и отдыху людей. Шум вредно действует
прежде всего на орган слуха операторов машин с двигателями внутреннего
сгорания, раздражает, действуя на нервную систему, снижает производительность
труда, мешает восприятию полезных звуковых сигналов, человеческой речи.
Наличие норм, а также правильная
оценка шума на рабочем месте служат основаниями для организации труда рабочих,
соприкасающихся с работающими двигателями. Обычно нормируется внешний и
внутренний шум машины. Вполне определенно существует тенденция к снижению
допустимых величин шума машин, что стимулирует создание новой техники,
обладающей новым качеством, которое должно быть заложено конструктором и
сохранено в эксплуатации, — качеством пониженной способности к излучению шума.
Общий уровень шума может служить
интегральным показателем качества машины, культуры производства и применяемой
технологии. Отдельные характеристики шума двигателя используют в качестве
диагностических параметров.
Основные определения. Под шумом двигателя внутреннего сгорания понимается акустическое
излучение, производимое им при работе. Шум двигателя измеряют величиной уровня
и спектром. Это характеристики шума д. в. с. в точке
пространства. Двигатель как источник акустического излучения
характеризуют значением излучаемой акустической мощности, ее спектром и
диаграммой направленности излучения. Известно, что звуковое давление р в звуковой волне равно разности
давлений среды в присутствии и при отсутствии волны. Уровнем шума называют
двадцатикратный логарифм отношения звукового давления к пороговому значению р0 = 2 10-2 Н/м2. Если
предположить, что источник шума — двигатель — находится в точке О (рис. 4.7) и излучает шум в окружающее
пространство, то, выделив полусферу S радиуса r и единичную
площадку А на ней, можно определить, что сила звука I — количество звуковой энергии,
прошедшей через единичную площадку, перпендикулярную радиусу r, в единицу
времени. Силу звука выражают в Вт/м2; она
пропорциональна квадрату звукового давления, поэтому уровень шума иногда
определяют как десятикратный логарифм отношения силы звука к пороговому
значению Iо = 10-12 Вт/м2. Уровень шума выражают в децибелах,
т. е.
L =10 lg (I/I0) = 20 lg (p/p0).
Аккустической мощностью W
двигателя называют выражаемую в ваттах величину 
,
т. е. общее количество энергии, излучаемой двигателем в окружающее пространство
в виде звука и прошедшей через поверхность полусферы радиуса r в единицу
времени. Уровнем акустической мощности называют величину LW = 10 lg(W/W0), где W0 = 10-12 Вт. Уровень
мощности связан с уровнем шума выражением
LW = L+20 lg r +10 lg W -10 lg F,
W — телесный угол, в который
осуществляется излучение (если учесть, что ранее принято допущение о том, что
акустическое излучение двигателя происходит из центра О
полусферы, то 10 lg W » 8), F — фактор направленности
излучения, представляющий собой величину рr2/рcp2, т. е. отношение квадрата
звукового давления в произвольной точке полусферы радиуса r к
квадрату звукового давления, усредненному по всем точкам измерения на
поверхности S. Обычно измеряют в точке величину L с
помощью шумомера при использовании линейной частотной
характеристики прибора.
С целью приближения числовых
оценок шума к субъективному восприятию часто применяют частотную характеристику А шумомера, учитывающую
особенности восприятия человеком звуков различной частоты. В этом случае
полученную величину называют уровнем звука, выражая ее в дБА.
Акустическая мощность вычисляется по формуле W = 100,1Lw-12 Вт и с использованием приводимых здесь определений и
зависимостей.
В работающем двигателе
первопричиной возникновения акустического излучения будет осуществление
рабочего процесса, связанное с подводом теплоты Q1 к рабочему телу в цилиндре
двигателя. Для cравнения качества конструкций д.
в. с., заключающегося в способности преобразовывать часть тепловой энергии Q1 в энергию звукового излучения,
служит коэффициент акустического излучения двигателя hак = W/Q1. Если у одного из двигателей
этот коэффициент выше, то следует считать, что его конструкция акустически
менее совершенна. Современные поршневые д. в. с.,
используемые на машинах, при работе на номинальном режиме излучают 2—3 Вт
акустической мощности. В точках пространства вокруг работающего на
стенде двигателя на расстоянии 1 м от его поверхности возникают уровни шума от
104 до 120 дБ.
Очень важной характеристикой
шума является его спектр. Наш орган слуха не одинаково реагирует на звуки с
одной амплитудой, но разной частоты. Спектр шума двигателя показывает
распределение энергии излучения по частотному диапазону. В спектрах шума
двигателей (рис. 4.8) присутствуют дискретные составляющие, кратные частоте
вращения, числу цилиндров, и сплошная область. Октавные спектры звуковой
мощности служат основной характеристикой шума машины.
Акустическое излучение
двигателя может существовать и в инфразвуковой (до 20 Гц) области, однако чаще
всего основная доля энергии звука, излучаемого двигателем, концентрируется в
области преимущественно от 20 до 8000 Гц.
Акустический баланс двигателя. Звук, как известно, возникает в результате: а)
взаимодействия колеблющегося тела со средой; б) при «быстром» выделении энергии
в конечном объеме среды; в) при подведении (оттоке) конечного количества
вещества в определенную конечную область среды; г) при взаимодействии потока
вещества с твердым телом. Именно такие физические процессы одновременно или
последовательно возникают при осуществлении рабочего цикла. При этом во всех
случаях акустическое излучение будет следствием возмущения колебательной
системы, распространения в ней колебаний и последующего процесса излучения
энергии колебаний в окружающее пространство.
Обратимся к
рис. 4.9. На такте впуска из области перед горловиной впускного патрубка будет
происходить отток вещества. Движущийся по впускному тракту свежий заряд будет
взаимодействовать со стенками, впускным клапаном и другими элементами
конструкции. В результате на такте впуска возникает акустическое излучение,
которое называют шумом впуска, излучаемая при этом акустическая мощность
обозначается Wвп.
При сжатии, сгорании и
расширении происходит деформация стенок камеры сгорания, что приводит к
колебаниям наружных стенок двигателя. Энергия колебаний стенок в виде звука Wдеф излучается окружающее
пространство. Помимо этого, подвод теплоты к рабочему телу в цилиндре двигателя
при сгорании также приводит к появлению акустического излучения Wсг сгорании. Опрокидывающий момент
будет вызывать колебания двигателя на подвеске, энергия которых Wп в виде звука частично также
будет излучаться в окружающее пространство.
В механизмах двигателя при
работе могут возникать удары сопрягаемых деталей (клапан — седло), что приводит
к шуму Wуд. Работа агрегатов, размещаемых
на двигателе (вентилятор, топливоподающий насос и др.), приводит к появлению
шума Wаг. При выпуске происходит приток
вещества в области, прилегающей к выпускному патрубку; здесь выделится также
какое-то количество энергии. Это приводит к возникновению шума выпуска Wвып.
Если суммировать все
перечисленные составляющие акустической мощности, то получим уравнение
акустического баланса двигателя «по рабочему циклу»
Wд = Wвп + Wвып + Wдеф + Wсг + Wп + Wуд + Wаг,
содержащее главные составляющие шума
двигателя. Возможны другие разновидности уравнения акустического баланса.
Действительно, во всех случаях акустическое излучение двигателя осуществляется
горловинами впускного и выпускного трактов, а также всей поверхностью двигателя.
Опыт показывает, что элементы поверхности двигателя излучают разные количества
акустической энергии. Выделив на поверхности двигателя характерные зоны или
поверхности отдельных деталей (крышек, головок блока цилиндров, поддона, картра), а затем собрав акустическую
мощность, излучаемую всеми поверхностями, напишем уравнение акустического
баланса двигателя «по поверхности»:
Wi — акустическое излучение,
осуществляемое i-м элементом поверхности
двигателя; m — число элементов, на которые разбита вся поверхность
двигателя. В зависимости от особенностей организации рабочего процесса и
конструкции двигателя 1 м2 его поверхности
излучает удельную акустическую мощность уровнем от 90 до 115 дБ. Часто
акустическое излучение участков поверхности двигателя, горловин трактов впуска
и выпуска отождествляют с действием простейших излучателей нулевого и первого
порядков (из-за малости действием излучателей более высоких порядков
пренебрегают). Таким образом, существует третья разновидность уравнения акустического
баланса двигателя — «по излучателям» или
где W0 — излучение нулевого порядка; k —
количество излучателей нулевого порядка; Wi — излучение первого порядка; l — количество излучателей
первого порядка.
Составление акустического
баланса двигателя в различных модификациях дает возможность определить наиболее
существенные составляющие шума двигателя, указать причины возникновения,
изучить процесс формирования, найти наиболее рациональные пути уменьшения шума
двигателя.
§ 4.4. Основные способы снижения шума двигателей
Схема возникновения
акустического излучения д. в. с.
Покажем на примере анализа возникновения составляющей Wсг наиболее общие закономерности образования шума
поршневого двигателя. На стенки камеры сгорания действует сила Р(t) (рис. 4.9). С помощью
интегрального преобразования Фурье определяют спектр действующей силы:
Пределы интегрирования
определены как начало и конец действия силы.
Спектр вибрации наружной поверхности двигателя определяют как произведение спектра
действующей силы на передаточную функцию конструкции, т. е. v(w) = Sp(w) • П(w), а спектр звукового давления будет представлять собой
произведение спектра вибрации на сопротивление излучения, или Р(w) == v(w) • Z(w).
На основе величины Р(w) вычисляют звуковое давление в
функции времени p(t), уровень шума L и излучаемую акустическую
мощность W. Заметим, что все спектральные функции, здесь
упоминаемые, суть функции комплексного
переменного, w во всех формулах — круговая
частота. На практике оперируют модулями соответствующих величин, опуская при
этом слово «модуль».
Известно, что механические
колебательные системы с распределенными параметрами упругости, инерции,
поглощения энергии обладают бесконечно большим рядом
частот собственных колебаний. В задачах по снижению шума двигателей
ограничиваются изучением ряда низших частот собственных колебаний детали,
попадающих в диапазон действия силы со спектром Sp(w). Эту совокупность низших частот
в сочетании со свойствами конструкции поглощать энергию колебаний на них
называют амплитудно-частотной
характеристикой детали.
На рис. 4.10 приводятся графики
спектра индикаторной диаграммы и частотная характеристика головки цилиндров,
там же в левом нижнем углу дана индикаторная диаграмма, соответствующая спектру
1.
Способность силы P(t) вызывать колебания детали, на
которую она действует, определяется прежде всего
амплитудой составляющей силы, оцениваемой ординатой спектра. Чем больше
ордината, тем больше воздействие силы на данной частоте. Другой важной
характеристикой спектра является его ширина Dw. Чем шире спектр силы, тем в более широком диапазоне
частот данная сила способна вызывать колебания конструкции. Существует важное
соотношение, определяющее характер соотношения неопределенности: Dw Dt = const, т.
е. чем уже импульс силы Dt, тем шире спектр Dw, и наоборот. Минимальная ширина
спектра индикаторной диаграммы существует при отсутствии процесса подвода
теплоты. Подведение теплоты будет расширять спектр силы от Dwmin
до Dw. Назовем степенью расширения спектра величину отношения
рс = Dw/Dwmin.
После некоторых преобразований
можно записать, что реQ = const,
где Q —длительность
фазы быстрого сгорания, т. е. чем короче эта газа в данном двигателе, тем
больше величина степени расширения спектра индикаторной диаграммы.
Совпадение частот
амплитудно-частотной характеристики детали и спектра силы означает возможность
развития колебаний детали на данной частоте и, таким образом, возникновения
шума. Отдача энергии колебаний наружной стенки двигателя в окружающее
пространство определяется сопротивлением излучения. В общем виде существуют
активная и реактивная составляющие сопротивления излучения. Активная
составляющая показывает, какая часть энергии колебаний излучается в виде звука
в окружающее пространство, а реактивная — долю энергии, которой среда и
колеблющееся тело обмениваются за период колебаний. На рис. 4.11 показан
характер изменения значения коэффициента активного сопротивления в зависимости
от безразмерного параметра kR, представляющего собой произведение
волнового числа k на размер излучателя R. В качестве размера поверхности
обычно выступают длина боковой поверхности блока цилиндров, головки, крышки,
поддона или другой наружной детали. Можно выделить зону «плохого» излучения kR < 1 и зону «хорошего» излучения kR > 1, в этой зоне r » 1 и отдача звука колеблющейся
поверхностью пропорциональна значению волнового сопротивления воздуха
(произведение плотности воздуха на скорость звука в нем) и поверхности
излучения, т.е. W = rcS.
Из соотношения между размерами —
вертикальными или горизонтальными — двигателя и длиной излучаемой волны kR = 2pR/l, а также из условия «хорошего»
излучения kR > 1 оценивают длину волны
или частоту, на которой звук будет хорошо излучаться двигателем или
поверхностью размера R.
Способы снижения шума д. в. с. Шум впуска и выпуска
традиционно снижали путем установки глушителей. Глушители впуска обычно
конструируют вместе с воздухоочистителем. Следует сказать, что
воздухоочиститель в определенной мере снижает шум впуска, однако современные
двигатели все чаще оснащают дополнительными заглушающими элементами на впуске.
Как правило, это резонансные камеры. Такую камеру имеют воздухоочистители для
двигателей Ярославского моторного завода. Способность резонансной камеры к заглушению определяется ее объемом, длиной и площадью
сечения соединительной горловины. Теоретически величина заглушения
максимальна только на одной резонансной частоте, зависящей от сочетания
перечисленных выше параметров. Если в камеру поместить звукопоглощающий материал,
то величина заглушения на резонансной частоте
несколько уменьшится, но расширится частотный диапазон заглушения.
Незаглушенный шум впуска достигает 120—122 дБ на
расстоянии 1 м, обычно его заглушают на 30—35 дБ.
Шум выпуска с момента
изобретения поршневого д. в. с. всегда подвергался заглушению. Незаглушенный шум
выпуска достигает 125—128 дБ на расстоянии 2—3 м. Для хорошего заглушения обычно проектируют систему выпуска отработавших
газов, которая содержит глушитель шума выпуска. Все элементы системы выпуска
(рис. 4.12) согласовываются между собой, произвола в выборе диаметров и длин
отдельных участков системы выпуска не существует. Современные двигатели
снабжаются глушителями, общий объем которых лежит в пределах
Vг = (4-8) Vh.
Снижение составляющей Wдеф достигается увеличением
жесткости конструкции двигателя, так как величина акустического излучения в
этом случае пропорциональна относительной величине изменения объема двигателя,
которое происходит при деформации под действием силы Рг.
На Wдеф и Wсг существенно влияют
организация рабочего процесса и, в частности, такие показатели рабочего цикла,
как максимальное давление цикла рz и скорость нарастания
давления dp/dj.
Известно, что работа топливоподающей аппаратуры и ее характеристики, тип камеры
сгорания, состояние заряда, угол опережения впрыскивания (зажигания) решающим
образом влияют на величину максимального давления цикла и скорость изменения
давления. Существует возможность управления акустическим излучением
двигателя при сгорании. Эта задача решается с учетом необходимости обеспечения прежде всего минимального расхода топлива ge и высоких энергетических
показателей — среднего эффективного давления pe и литровой мощности Nл. Соответствующими методами
конструирования двигателей, его деталей, узлов, механизмов и агрегатов
достигается уменьшение составляющих шума Wуд
и Wаг.
Существуют методы
уменьшения шума, базирующиеся на использовании вибро- и звукоизоляции и вибро-
и звукопоглощения. В двигателестроении наибольшее распространение получили
методы вибропоглощения (ВП). Эффект ВП заключается в
использовании свойства конструкционных материалов поглощать энергию колебания
из-за наличия внутреннего трения, в результате действия которого она (энергия
колебаний) необратимо переходит в тепловую энергию. Это свойство конструкции
можно усилить, т. е. создать специальные устройства — поглотители энергии
колебаний — и снабдить ими двигатели. Конструкционные материалы для деталей
двигателя целесообразно подбирать с учетом наличия внутреннего трения.
Характеристика диссипативных свойств материала, коэффициент потерь или любая
другая должны приниматься во внимание наряду с характеристиками прочности и
износостойкости. Свойства виброизоляции или звукоизоляции, заключающиеся в том,
чтобы препятствовать распространению энергии колебаний по конструкции или звука
по воздуху, также применяются в двигателях.
Двигатели внутреннего сгорания
можно снабжать специальными звуконепроницаемыми устройствами — капсулами.
Капсула не имеет контактов с поверхностью двигателя. При этом опоры двигателя
выполняют таким образом, чтобы они обладали высокими виброизолирующими
свойствами. Такие же требования выполняются при конструировании других
устройств (например, органов управления) с целью воспрепятствовать
проникновению колебаний на наружную поверхность капсулы, иначе полезный эффект
будет потерян. Обращаясь к уравнению акустического баланса, можно заключить,
что с помощью капсулы теоретически можно заглушить все источники, кроме Wвп и Wвып. Из шума Wаг останется шум, производимый
вентилятором. Более того, он может возрасти, так как при наличии капсулы
потребуется вентилятор более мощный, способный протолкнуть охлаждающий воздух
между стенками двигателя и капсулы. Капсула увеличивает стоимость изготовления
двигателя в 1,5 раза, расход материалов—на 15—20%, трудоемкость технического
обслуживания—на 50%, ухудшает топливную экономичность.
К звукоизолирующим устройствам
относятся экраны — устройства, частично преграждающие путь звуковому потоку. В
пределе экран может быть расположен непосредственно на поверхности двигателя.
Это делается в тех случаях, когда имеется интенсивно излучающая звук
поверхность. В этом случае возможно влиять на одну или
несколько составляющих акустического баланса по поверхности. В случае
размещения экрана на поверхности двигателя он будет производить не только
изолирующее действие, но и поглощающее. В целом следует сказать, что всегда
использование вибро- и звукоизолирующих устройств сочетается с применением
вибро- и звукопоглощающих конструкций, так как только в этом случае может быть достигнут максимальный полезный эффект. Решая вопрос о
размещении д. в. с. на
машине, крайне целесообразно использовать мотоотсеки как вибро- и
звукоизолирующую конструкцию.
Двигатель внутреннего сгорания
возбуждает всю машину, заставляет ее звучать. Этот эффект оценивают
коэффициентом акустической возбудимости конструкции машины, который
представляет собой отношение акустической мощности, излучаемой машиной, когда
на ней установлен и работает двигатель, к акустической мощности, излучаемой непосредственно
двигателем, т.е. а = Wм / Wд. У современных машин значение
этого коэффициента таково: у легкового автомобиля — 1,2—1,5, у грузового
автомобиля — 1,5—2, у трактора — 1,8—2,5, у строительно-дорожной машины —
2—2,5. Уменьшают эту величину путем соответствующего конструирования опор
двигателя, прочих узлов соприкосновения элементов двигателя с машиной.