6. Экологические показатели автомобильных двигателей. Основные способы снижения токсичности и дымности отработавших газов.

В результате протекания химических реакций углеводородов топлива с воздухом, наряду с основными составляющими продуктов полного сгорания, образуется ряд токсических компонентов: оксиды азота NO_x, оксид углерода CO, сажа, углеводороды CH, альдегиды, канцерогенные вещества, соединения серы, свинца. Состав и количество токсичных веществ зависят от характера осуществления процесса подготовки топливовоздушной смеси и ее сгорания в цилиндре.

Кроме токсических составляющих отработавших газов в атмосферу в двигателях с искровым зажиганием выбрасываются картерные газы, а также пары бензина из бака и карбюратора, что увеличивает количество удаляемых в атмосферу углеводородов.

Количество оксидов азота, образующихся при сгорании горючей смеси, определяется концентрацией атомарного кислорода и азота, а также температурой, поэтому росту концентрации NO_x в ОГ способствует: применение неразделенных камер сгорания в дизелях, увеличение степени сжатия двигателя, увеличение угла опережения впрыскивания (зажигания) и др. факторы повышающие температуру сгорания и коэффициент избытка воздуха.

Оксид углерода образуется главным образом при сгорании топлива с недостатком кислорода. Так как дизельные двигатели на номинальных режимах работают при α > 1, выбросы CO у них незначительны. К росту CO в частности приводит: переобогащение смеси в бензиновых двигателях из-за нарушения регулировки карбюратора, увеличение нагрузки двигателя и низкая частота вращения коленчатого вала из-за ухудшения смесеобразования и сгорания.

Сажа представляет собой частицы твердых углеродистых продуктов с содержанием чистого углерода до 99%. Сажа образуется при температурах выше 1500 К в результате процесса термического разложения топлива (пиролиза) при сильном недостатке кислорода (α < 0,3–0,7). Такие условия возникают в дизелях вследствие неоднородности состава смеси, когда к зонам пламени с высокой температурой примыкают зоны с малой концентрацией кислорода . На такте расширения часть образовавшейся сажи выгорает в турбулентном пламени.

Поскольку в цилиндре карбюраторного двигателя сгорает гомогенная смесь при α > 0,7, сажа образуется в ничтожных количествах.

Дымность дизелей увеличивается при применении неразделенных камер сгорания, увеличении нагрузки, уменьшении угла опережения впрыска, а также резко возрастает при разгоне двигателя.

Углеводороды являются продуктами неполного сгорания или разложения молекул топлива, поэтому факторы, влияющие на содержания CO в основном влияют и на CH. В двигателях с воспламенением от искры концентрация CH растет так же при наличии пропусков воспламенения. В дизелях молекулы CH образуются при пиролизе.

Уменьшению токсичности и дымности ОГ поршневых двигателей внутреннего сгорания способствуют различные технические мероприятия, проводимые как на этапе конструирования так и эксплуатации двигателей:

– совершенствование процессов смесеобразования и сгорания на основе применения систем впрыска бензина и дизельного топлива с микропроцессорным управлением;

– установка в системе выпуска трехкомпонентных нейтрализаторов, которые нейтрализуют NO_x, CO, CH в бензиновом двигателе;

– введение рециркуляции отработавших газов посредством перепуска ОГ из системы выпуска во впускную систему, что снижает выбросы NO_x в бензиновых и дизельных двигателях; в современных дизелях с аккумуляторной системой впрыскивания этот прием совместно с охлаждением рециркулирующих газов снижает NO_x и дымность ОГ при неизменном расходе топлива;

– введение системы улавливания паров бензина;

– управление углом опережения зажигания и углом опережения впрыскивания дизельного топлива;

– применение плазменных дожигателей в системе выпуска дизельных двигателей;

– улучшение состава топлива и добавление к нему специальных присадок;

– поддержание технического состояния двигателя и его регулировок по рекомендации завода-изготовителя.

Наряду с загрязнением атмосферы следствием автомобилизации стал транспортный шум, основным источником которого является двигатель.

Шум двигателя складывается из шума процессов впуска, сгорания и выпуска, шума от колебания наружных стенок двигателя и колебаний двигателя на подвеске, шума агрегатов (вентилятор, насосы и др.).

На шум двигателя существенно влияет организация рабочего процесса и такие показатели, как максимальное давление цикла и скорость нарастания давления. Шум впуска и выпуска снижают установкой глушителей. Применение конструкционных материалов с наличием внутреннего трения снижает шум при деформациях стенок. В современных силовых установках применяют также звукоизолирующие экраны и капсулы.