Однако следует избегать больших потерь свежего заряда через систему выпуска. Волновые явления, имеющие место в продувочных каналах, цилиндре и системе выпуска, должны способствовать улучшению наполнения цилиндра свежим зарядом и уменьшению потерь топлива с ОГ.

Основная часть свежего заряда поступает в цилиндр в первый период продувки (от точки С до НМТ), второй период продувки (от НМТ до точки D) заканчивается в момент закрытия продувочных окон. Во втором периоде продувки в зависимости от режима работы двигателя могут наблюдаться: обратный заброс смеси и ОГ в кривошипную камеру на малых и средних частотах вращения вала, когда давление в кривошипной камере и инерция потока смеси в продувочных каналах малы; «дозарядкая и обратный заброс на средних частотах; «дозарядка» цилиндра на больших частотах; прямой выброс смеси при продувке и выпуске ОГ во всем диапазоне частот и нагрузок.

Эти эффекты оказывают значительное влияние на показатели двигателя. Устранение нежелательных явлений при продувке и выпуске ОГ в большой степени зависит от правильной организации процессов и конструкции систем продувки, наполнения и выпуска. Возможные усовершенствования этих систем рассмотрены выше.

Период от закрытия продувочных окон (точка Я) и до закрытия выпускных окон (точка Н) оказывает влияние на процесс наполнения цилиндра. Объем цилиндра уменьшается,и топливовоздушная смесь выталкивается через выпускное окно в систему выпуска, увеличивая прямой выброс смеси с ОГ. При использовании настроенной системы выпуска с помощью отраженной волны давления ОГ удается возвратить в цилиндр некоторую часть смеси, попавшей в выпускную систему.

СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСА ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ

Исследованиями установлено, что отработавшие газы двигателей состоят более чем из пятидесяти компонентов, 95 % которых в.той или иной степени токсичны. Данные по ориентировочному составу ОГ двухтактных карбюраторных двигателей приведены в табл. 4.1. Основными токсичными компонентами ОГ являются окись углерода СО, оксиды азота N0 и несгоревшие углеводороды СН. Исследования показали, что в ОГ двухтактных карбюраторных ДВС содержится N0 меньше, чем в ОГ четырехтактных. Однако объемная доля CHj:, СО и других примесей от сгорания смазочного масла, добавляемого к бензину, оказывается достаточно большой и может достигать 10...20 % всех выделений токсичных веществ, т. е. в десятки раз превышать эти же показатели в четырехтактных двигателях.

Так как наибольшую опасность представляют выделения углеводородов, окиси углерода, оксидов азота, то ограничимся рассмотрением условий образования этих веществ. 108

4.1. Примерный состав ОГ двухтактных карбюраторных ДВС

Компоненты

Объемная доля, %

Удельное количество выделенной теплоты, гДкВт.ч)

RCHO

Сажа 3,4-бензо-

пирен Соединения

свинца

74 ... 77 0.3 ... 8,0 3,0 ... 5,5

О ... 5,0 5,0 ... 12,0 0,5 ... 10,0

О... 0,8

0,2 ... 3,0 О ... 0,2

0,04 » До 10 ...

20 ** О ... 0,06

Допустимая массовая коицен-трация в воздухе, мг/м»

максимальная разовая

среднесуточная

70 ... 180

30 (в пересчете на NA)

15... 150 (в пересчете на С) 3,5 (в пересчете на 9кроленв) 0,4 20 *♦*

1 % 3

0,085

0,035

0,15 Канцерогенен То же

Взрывоопасен Не более 0,7 % 1

0,085 (в пересчете на NOa) 0,8

0,012

0,05

• Дана массовая коцентрация, г/м • »• Дана массовая концентрация, млн /и . Единица, млн->/(кВт.ч).

Окись углерода является результатом сгорания рабочей смеси с недостатком кислорода и реакций диссоциации двуокиси углерода при высокой температуре. В процессе сгорания топлива и последующего расширения газа при наличии кислорода может происходить горение окиси углерода. СО образуется при расширении, выпуске и, главным образом, при сгорании богатых смесей. Поскольку для работы двигателя на больших нагрузках, а также для улучшения динамики движения на неустановившихся режимах требуется богатая смесь, устранить выбросы СО довольно трудно.

Углеводороды (из условий равновесия) при сгорании топливо-воздушной смеси образоваться не могут. Причины, определяющие содержание углеводородов в ОГ, можно разделить на две группы, влияющие на содержание СН: уносимых с ОГ при продувке цилиндров в результате прямого выброса; не сгоревших в цилиндре двигателя.

Первая группа причин зависит от организации процесса газообмена, настройки систем впуска, продувки, наполнения цилиндра и выпуска, гомогенности состава топливовоздушной смеси, локального распределения зон с высокой концентрацией углеводородов, обратного заброса смеси из кривошипной камеры в систему впуска и из системы выпуска в цилиндр, догорания в выпускной системе. Вторая группа причин обусловлена следующим: относительной

6 «

0,S 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 а.

СНМх, % 1,0

\o,s

0,6 0,1{-0,2 О

Рис. 4.5. Изменение состава ОГ двигателя в зависимости от коэффициента а избытка воздуха

площадью поверхности камеры сгорания, концентрацией остаточных ОГ в цилиндре, параметрами процесса сгорания, турбулентностью струй в объеме цилиндра, составом топливовоздушной смеси, догоранием после гашения пламени.

Пути устранения причин первой группы те же, что и при улучшении топливной экономичности (рассмотренной выше). Причины второй группы связаны с неполнотой сгорания топливовоздушной смеси, главным образом в тонком слое, расположенном у стенок камеры сгорания. Около стенок реакции горения прекращаются вследствие интенсивного отвода теплоты к стенкам, вызывающего охлаждение газов перед фронтом пламени.

Оксиды азота образуются в результате термически обратимой реакции окисления азота воздуха при высоких температуре и давлении в цилиндре двигателя. Анализ причин образования оксидов азота показывает, что на выделение их с ОГ влияют такие факторы: высокая температура процесса сгорания в цилиндре (при Гц < 1700 К они практически не образуются); массовая концентрация азота и кислорода в ОГ (окисление азота происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания); скорость охлаждения продуктов сгорания; неравномерное распределение температуры в зоне продуктов сгорания.

Повышение температуры сгорания, характерное для смесей, близких к стехиометрическим, определяет максимальную концентрацию NOx при коэффициенте избытка воздуха а = 1,05... 1,1. Таким образом, оптимальные условия образования оксидов азота противоположны условиям образования большого количества оксида углерода и углеводородов. Бедные смеси способствуют появлению оксидов азота, а богатые - углеводородов и окиси углерода. Процесс образования NOx в отличие от процесса образования СО и СН в ОГ усиливается при больших значения и малых значениях ge, поэтому мероприятия, снижающие выделения N0, не совпадают с мероприятиями, направленными на совершенствование топливной экономичности.

Изменение состава ОГ в зависимости от коэффициента а избытка воздуха, характерное для двухтактных карбюраторных ДВС, показано на рис. 4.5.

4.2. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ

Для оценки токсичности ДВС используются два основных метода испытаний: на электротормозном стенде по методике, рекомендованной SAE; на мотоцикле по ездовому циклу, имитирующему условия дорожного движения.

Первый метод предназначен для сравнительной оценки влияния различных конструктивных, регулировочных и режимных факторов на выбросы токсичных веществ с ОГ при проведении исследований. Второй метод испытаний обеспечивает проверку на соответствие нормам и ограничениям на токсичность мотоциклов. Для испытания автомобилей рекомендован Европейский ездовой цикл, регламентированный Правилами № 17 ЕЭК ООН (испытание типа I). Европейский ездовой цикл реализуется при испытании мотоцикла на стенде с беговыми барабанами, снабженными нагрузочным (тормозным) устройством. Тормозной барабан регулируется таким образом, чтобы при скорости движения мотоцикла 50 км/ч вакуум за карбюратором был таким же, как и при движении мотоцикла по дороге с такой же скоростью. Предварительно вакуум за карбюратором измеряют в специальном эксперименте, проведенном в дорожных условиях.

Для контроля программы движения на оси беговых барабанов устанавливают датчик частоты вращения, вырабатывающий сигнал, пропорциональный частоте, а следовательно, скорости движения мотоцикла. Сигнал от датчика поступает на регистрирующий прибор, находящийся в поле зрения водителя, который проводит испытания. Испытание по типу I Правил № 17 ЕЭК ООН предусматривает четырехтактное проведение цикла. Продолжительность испытания 13 мин. В течение этого времени испытания выпускные газы от двигателя через гибкий металлический шланг поступают в пробоотборную систему.

Результаты исследований двухтактных карбюраторных ДВС на мотоциклах по Европейскому циклу рассмотрены ниже. Здесь остановимся только на результатах исследований токсичности ОГ по первому методу.

СПОСОБЫ ОТБОРА ПРОБЫ ГАЗА

Сравним различные способы отбора ОГ.

Способ непосредственного отбора. При этом способе ОГ после глушителя проходят водяной холодильник для удаления излишек влаги в них, а затем фильтр твердых частиц. Пары воды и посторонние примеси сильно влияют на чувствительность инфракрасных газоанализаторов и могут вывести их из строя. Способ непосредственного отбора применяют тогда, когда не требуется высокой точности измерений.

Способ «сборного мешказ». Если при проведении испытаний по Европейскому ездовому циклу весь газ направить в специальный объем, а затем из него отобрать необходимое количество для

анализа, то без каких-либо пересчетов можно сразу же получить среднюю концентрацию отдельных компонентов в ОГ автомобиля или мотоцикла. Кроме того, можно определить объем собранного ОГ, поскольку воздуходувка откачивает ОГ через газометр. По средней концентрации отдельных компонентов ОГ и объему собранного газа находят массу выбрасываемых вредных веществ. Мешки для сбора ОГ сваривают из синтетической пленки.

Способ «сборного мешка» отличается практически теми же недостатками, что и способ непосредственного отбора. Как показали исследования, в мешках, выполненных из новой полиэтиленовой пленки, после 10 и 30 мин хранения газа было отмечено снижение концентрации углеводородов соответственно на 6...7 % и 13... 14 %.

Правилами № 17 ЕЭК ООН строго ограничено время нахождения отобранной пробы ОГ в сборных мешках: не более 20 мин от момента окончания отбора пробы ОГ до начала анализа.

Способ отбора пробы с разбавлением до постоянного объемного расхода (CVS). Сущность способа заключается в использовании сухого газа (чаще воздуха) для разбавления выходящего из двигателя ОГ. При этом способе отбора пробы ни в одной точке системы не происходит конденсации паров воды. Поэтому можно предположить, что тяжелые углеводороды и кислородосодержащие компоненты ОГ, которые могут быть удалены из пробы вследствие растворения в воде при таком способе отбора пробы, останутся в газе [ 16 ].

В ОГ двухтактных двигателей мотоциклов содержится много углеводородов. Поэтому основным условием правильной работы пробоотборной системы является предотвращение конденсации влаги в газовом тракте и связанные с этим растворение и вымывание углеводородов с высокой температурой кипения. Этому условию в достаточной мере отвечает система отбора пробы газа - способ CVS.

МЕТОДЫ АНАЛИЗА ПРОБ ОГ

При проведении анализа ОГ двухтактных двигателей обычно определяют лишь суммарное содержание углеводородов СН и окиси углерода СО. Среди известных химических, физических и физико-химических методов анализа газовых смесей и установления их качественного и количественного состава широкое применение получили методы газоадсорбционной (газотвердой) хроматографии, спектральные и кондуктометрические [161.

Для анализа СО и суммарных углеводородов СН двухтактных карбюраторных ДВС применяют в основном приборы, работающие по методу инфракрасной спектроскопии (ИКС). Метод ИКС базируется на селективном поглощении инфракрасного излучения в области длин волн 4,7 мкм. ИКС-анализаторы обладают высокими селективностью, стабильностью, надежностью показаний, быстродействием, относительно невысокой стоимостью. Основным и± 112

4.2. Характеристика основных И КС-анализаторов

Модель

Компоненты ОГ

Обхемноя доля, %

Относительная под-реш-

hoct-t,,

Примечание

ЮА-2109» (СССР »OA-550U (СССР)

*ГАИ-!» (СССР) «Инфралит-Т» (ГДР) «Бекман-864» (США) «Мекса-200» (Япония) i:MeKca-300» (Япония)

«Мекса-322> (Япония)

*Мекса-2000» (Япония)

«САН-1020/11201 (США)

СОг,

СпНт СО,

С„Н„»*, СО,

СпНщ

о... 10 о ...0,5

О . о. 0,1 . о. о. о. о, о. о. о,

10 100 2 2

12 10 10

2000

млн"!

(11 диапаз) О ... 10 О ... 2000 млн"*

5 10

Стационарный

Перекосной (12 В) То же

Стационарный Перекосной

Аналитический комплекс

Диагностический комплекс

• Хемилюминесцентный метод регистрации окислов азота.

недостатком является достаточно большая погрешность измерения, обусловленная нестабильностью состава углеводородов в ОГ. Поскольку отдельные углеводороды характеризуются определенной полосой поглощения, создать универсальный детектор на углеводороды С„Нт не удается. Обычно ИКС-анализаторы калибруют по л-гексану или -пропану - наиболее характерным углеводородам, входящим в состав ОГ.

Основные модели ИКС-анализаторов, применяемых в нашей стране, представлены в табл. 4.2 [16]. В исследованиях, проводимых авторами, для анализа ОГ использовался главным образом газоанализатор «МЕКСА-322» фирмы Хариба (Япония), созданный специально для анализа ОГ двухтактных карбюраторных двигателей.

ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗА ОГ

Экономичный режим работы двигателя обусловлен наиболее полным сгоранием топлива. Для уменьшения содержания токсичных компонентов в ОГ необходим также оптимальный рабочий процесс, поскольку сократить выход токсичных компонентов СО и СН легче на стадии их образования, чем в выпускной системе с применением дожигателей.