Показатели экономичности

Общее распределение теплоты, выделившейся при сгорании вводимого в цилиндр топлива, называется тепловым балансом двигателя.

Степень использования теплоты в рабочем цикле, т.е. его экономичность, оценивают индикаторным КПД _i , который представляет собой отношение теплоты Q_i,, эквивалентной индикаторной работе, ко всей теплоте Q, введенной в двигатель с топливом:

где G_T — часовой расход топлива, кг/ч или м3/ч; H_U — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг или кДж/м3.

Отношение G_T/N_i,=g_i, показывает количество топлива, расходуемого двигателем индикаторной мощностью 1 кВт в течение 1 ч, и называется удельным индикаторным расходом топлива [кг/(кВтч)]. Тогда _i=3600/(g_iH_U)

Для оценки экономичности работы двигателя в целом используется эффективный КПД _e, представляющий собой отношение теплоты, эквивалентной эффективной работе, к теплоте, затраченной на получение этой работы. Эффективный КПД, учитывающий как тепловые, так и механические потери в двигателе, аналогично индикаторному КПД определяется по формуле

_e=3600/(g_eH_U)

Удельный эффективный расход топлива [кг/(кВт ч)] g_e=G_T/N_e

Показатели совершенства конструкции

Одним из основных показателей двигателя, характеризующих использование им индикаторной мощности для совершения полезной работы, является механический КПД, определяемый как отношение эффективной мощности к индикаторной:

Механический КПД зависит от конструкции двигателя, материала и качества обработки трущихся деталей, качества сборки, режима работы двигателя, смазочного масла и т.п. Аналогично среднему индикаторному и эффективному давлению для оценки механических потерь можно использовать среднее давление р_м (МПа) механических потерь, значение которого находят по формуле

Из выражений для мощности, экономичности и механического КПД имеем

Другим основным показателем двигателя, характеризующим его в отношении использования рабочего объема цилиндра, является литровая мощность (кВт/л), т.е. мощность, приходящаяся на 1 л рабочего объема двигателя:

Показателем напряженности (форсирования) цилиндра служит удельная нагрузка на поршень, называемая также поршневой мощностью (кВт/м²),

где F_n—площадь поршня, м²; с_m= S_n/30 — средняя скорость поршня, м/с.

Критериями, характеризующими качество конструкции, являются также масса и габаритные размеры двигателя. При сравнительной оценке конструкций пользуются удельной массой двигателя, т.е. массой двигателя, приходящейся на единицу эффективной мощности:

g_N=m/N_e

Показатели токсичности отработавших газов

Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания состоят в основном из углекислого газа и паров воды. Значительный объем занимает атмосферный азот, а при работе двигателя на обедненной топливо-воздушной смеси присутствует избыточный кислород. Объемная концентрация токсичных веществ в отработавших газах относительно невелика (0,25...7 %), однако в крупных городах с большим парком автомобилей двигатели внутреннего сгорания наряду с промышленными предприятиями являются основным источником загрязнения атмосферного воздуха.

Токсичные вещества отработавших газов двигателей можно разделить на две группы: 1)продукты неполного окисления топлива — оксид углерода СО, углеводороды СН различного состава и строения, альдегиды; 2)оксиды азота, образование которых не связано непосредственно со свойствами топлива и условиями его сгорания в двигателях.

Сильным токсическим действием обладают свинец, его соединения, которые поступают в цилиндры двигателя с топливом в составе этиловой жидкости — антидетонационной присадки и выбрасываются затем с отработавшими газами в атмосферу. Концентрация токсичных веществ в отработавших газах бензиновых двигателей с принудительным воспламенением значительно выше, чем дизельных.

Концентрация оксида углерода СО в отработавших газах зависит главным образом от состава топливовоздушной смеси. Бензиновые двигатели при больших нагрузках и на режиме холостого хода работают на богатой смеси (при коэффициенте избытка воздуха < 1), в которой не хватает кислорода для полного окисления топлива, и объемная концентрация СО достигает 6%. Если двигатель (бензиновый или дизельный) работает на обедненной смеси (при > 1), то сгорание происходит при избытке кислорода, и объемная концентрация СО невелика (0,2...0,3%).

Образование углеводородов (токсичных веществ) при сгорании жидкого топлива (бензина) в двигателе с принудительным воспламенением связано с замедлением химических реакций в тонком слое топливовоздушной смеси у поверхности стенок камеры сгорания в результате теплоотдачи от смеси к стенке и вызванной этим понижением температуры смеси. В продуктах реакций появляются токсичные углеводороды — продукты неполного окисления и разложения топлива. К углеводородам относят также пары бензина, которые попадают в отработавшие газы в случае пропусков воспламенения топлива в одном или нескольких цилиндрах.

С отработавшими газами выбрасывается 60 % всего объема выделяемых автомобилями с бензиновыми двигателями углеводородов, картерных газов 20 %, паров бензина, вытекающих через вентиляционное отверстие топливного бака и из карбюратора, то же 20 %. В отработавших газах дизелей в 2...3 раза меньше, чем бензиновых двигателей.

Азот, химически инертный при атмосферных условиях, реагирует с кислородом при температуре свыше 2000 К; в результате реакций образуются оксид азота NO и диоксид NO₂, их условно обозначают NO_x. Местная температура газов в камере сгорания дизельных двигателей достигает 2500 К, а двигателей с принудительным воспламенением 3000 К, так что выбросы оксидов азота достаточно велики у разных типов двигателей.

В отработавших газах двигателей содержится в основном оксид азота NO. У двигателей с принудительным воспламенением объемное содержание NO составляет 99 % всего объема оксидов азота NO_X, у дизелей — более 90 %. В атмосфере происходит медленное окисление оксида азота в диоксид NO₂, токсичность которого значительно выше. В соответствии с санитарными нормами токсичность СО, NO_x и СН находится в следующем соотношении: 1:20:0,67. Объемную концентрацию СО, СН и NO_x в отработавших газах определяют газоанализаторами. Объемная концентрация оксида углерода достаточно велика и ее исчисляют в процентах. Концентрацию углеводородов СН и оксидов азота NO_x выражают для удобства в миллионных долях; например, для углеводородов СН

где r_CH — объемная концентрация СН в отработавших газах, млн^-1; Vch — парциальный объем СН, м³; V_CM — объем отработавших газов, поступивших в газоанализатор, м³.

Между процентами и миллионными долями существует соотношение: 1% соответствует 10⁴ млн^-1.

Отработавшие газы при большом содержании сажи вытекают из выпускной трубы автомобиля в виде черного дыма, который ограничивает видимость на дорогах. Поэтому сажу относят к токсичным веществам, хотя она не обладает токсическим действием. Сажа, кроме того, адсорбирует и выносит из цилиндра в атмосферу бензопирен — полициклический углеводород ароматического ряда, обладающий канцерогенным действием. Концентрацию сажи в отработавших газах измеряют двумя способами. Дымомером измеряют относительную оптическую плотность газов в процентах путем просвечивания. Фильтрованием отработавших газов получают массу сажи в единице объема (г/м³).

Чтобы оценить степень загрязнения атмосферного воздуха выбросами токсичных веществ, следует определить суммарное количество выбросов с отработавшими газами в конкретных условиях эксплуатации автомобиля и оценить объем атмосферного воздуха, с которым перемешиваются токсичные вещества.

Во многих странах действуют ограничения на выбросы токсичных веществ автомобильными двигателями. В нашей стране соответствующие нормы введены с 1 января 1975 г. Важную роль в деле охраны окружающей среды в нашей стране играет принятый в 1980 г. Закон об охране атмосферного воздуха.

Предельные концентрации токсичных веществ в атмосферном воздухе городов ограничены санитарными нормами, которые принято выражать в г/м³ (мг/м³; мг/л).

Нормы на выбросы токсичных веществ автомобильными двигателями назначают, учитывая санитарные нормы, суммарный объем выбросов токсичных веществ и закономерности воздухообмена на улицах городов, которые зависят от городского ландшафта и планировки улиц, климата, направления и силы ветра и т.п. Учитывают также технические и экономические возможности уменьшения токсичных выбросов до установленных норм.

В промышленно развитых странах действуют нормы на выбросы токсичных веществ: оксида углерода СО, углеводородов СН и оксидов азота NO_x с отработавшими газами автомобильных двигателей с принудительным воспламенением. С целью уменьшения выбросов свинца в несколько раз уменьшена предельная концентрация этиловой жидкости — антидетонационной присадки в бензине, а в крупных городах применение этилированного бензина запрещено.

Токсичность выбросов дизелей значительно ниже (табл. 1), для автомобилей с такими двигателями нормированы лишь выбросы сажи. Выбросы токсичных веществ СО, СН и NO_x нормированы для дизельных автомобилей, которые работают на открытых рудниках, в карьерах и в шахтах, где воздухообмен ограничен.

Объем выбросов токсичных веществ с отработавшими газами двигателей легковых автомобилей определяют при испытаниях на стендах с беговыми барабанами. Испытания проводят по ездовому циклу, имитирующему условия эксплуатации автомобиля в городе. В ездовом цикле регламентированы вид и продолжительность каждого из режимов движения автомобиля. Нормы на выбросы токсичных веществ назначают для тех же условий испытаний. В СССР и западноевропейских странах испытания проводят по европейскому ездовому циклу. Объем токсичных выбросов определяют за одно испытание, состоящее из четырех идентичных ездовых циклов общей продолжительностью 13 мин.

Нормы выброса токсичных веществ с отработавшими газами распространяются в СССР на бензиновые автомобильные двигатели с принудительным воспламенением.

Нормы зависят от массы автомобиля, например, для автомобилей массой 850...1020 кг они следующие: 70г СО; 7г СН; 10,5г NO_x. Установлена также норма на концентрацию оксида углерода СО в отработавших газах при работе прогретого двигателя на режиме холостого хода.

Объем токсичных выбросов дизелями грузовых автомобилей и тракторов определяют при испытаниях на моторном стенде по циклу, в котором регламентируются нагрузка, частота вращения коленчатого вала и длительность каждого режима. Суммарную за испытательный цикл массу выбросов токсичных веществ относят к произведенной за испытания работе, выражаемой произведением мощности на время каждого режима, и определяют удельные выбросы каждого токсичного вещества в граммах на 1 кВтч.