Влияние эксплуатационных факторов на токсичность двигателя внутреннего сгорания

УДК 665.7

ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ТОКСИЧНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Худашова Анастасия Ивановна, магистрант, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К. А. Тимирязева», г. Москва, РФ.

Аннотация: В статье рассмотрено влияние различных эксплуатационных факторов на экологичность бензиновых и дизельных двигателей.

Ключевые слова: моторное топливо; моторное масло; экология двигателя; концентрация вредных веществ; экологичность.

INFLUENCE OF OPERATIONAL FACTORS ON TOXICITY OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE Khudashova Anastasiya Ivanovna, the undergraduate, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Russian Timiryazev State Agrarian University», Moscow, Russia.

Summary: In article influence of various factors on environmental friendliness of gasoline and diesel engines is considered.

Keywords: motor fuels; engine oil; engine ecology; concentration of harmful substances; environmental friendliness.

Сгорание топлива в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания сопровождается образованием большого количества различных токсичных веществ, которые состоят из продуктов неполного сгорания и термического разложения топлива, оксидов азота, соединений серы и свинца.

Оксид углерода (СО) - образуется во время сгорания при недостатке кислорода, в ходе холоднопламенных реакций в дизелях или при диссоциации СО2.

В двигателях с искровым зажиганием основное влияние на образование СО оказывает состав топливной смеси, чем она богаче, тем выше концентрация СО.

В дизелях концентрация СО в отработавших газах не велика и зависит в основном от качества процесса смесе-

образования, чем оно лучше, тем меньше образуется СО [1].

Исходя из этого можно предположить, что углерод, входящий в состав молекул масла, которое забрасывается в камеру сгорания, при его реакции с кислородом будет влиять на выброс СО особенно при завышенном расходе масла.

Углеводороды (СН) - состоят из исходных или распавшихся молекул топлива, которые не принимали участие в горении. Углеводороды появляются в отработавших газах вследствие гашения пламени вблизи относительно холодных стенок камеры сгорания.

Для осуществления реакции горения топлива к реагирующим веществам должно быть подведено определенное количе-

ство тепла. Таким первоначальным источником тепла является искра в двигателе с воспламенением от постоянного источника или нагретый воздух в двигателе с воспламенением от сжатия. Далее реакция развивается самостоятельно. В том случае, если количество тепла, выделившегося при сгорании принудительно воспламененных частиц топлива, достаточно для активации молекул в соседних слоях смеси, то завершающая фаза реакции происходит, как правило, в пристеночном слое, где теплоотвод наиболее интенсивен, а в смеси содержится максимальное количество инертных (прореагировавших) веществ. При этом выделившегося тепла недостаточно для полного разложения молекул топлива и завершения процесса окисления.

Как следствие некачественного смесеобразования и проникновения в цилиндры частиц смазочного масла является полимеризация углеводородных молекул, которая происходит в достаточно крупных каплях топлива и масла, окруженных в объеме камеры сгорания при высоком давлении и температуре, а также слоем продуктов сгорания, ограничивающих доступ воздуха. Именно в этих условиях образуются высокомолекулярные углеводороды.

В ряде работ утверждается, что значительная часть углеводородов выбрасывается в результате того, что в такте впуска и сжатия пары топлива поглощаются масляной пленкой, находящейся на стенках цилиндра (адсорбция). В такте расширения парциальное давление паров топлива в заряде снижается практически до нуля и происходит их выделение из пленки (десорбция) [2-5].

Оксиды азота. Если температура в цилиндре превышает 1500 К, то азот и кис-

лород воздуха вступают в химическое взаимодействие по цепному механизму. В реакцию окисления может вступить примерно сотая доля молекул азота. Вернее, эта доля оказывается окисленной в то время как число активных центров ассоциаций и диссоциацией молекул может быть значительно большим. Для окисления молекул азота необходимы: высокая температура, высокое давление и местный избыток кислорода.

Опыты показывают, что максимальное выделение окислов азота наблюдается на оптимальном, с точки зрения условий сгорания смеси, режиме работы двигателя. При этом окислы азота, образующиеся в средних зонах камеры сгорания и в условиях, когда теплоотвод от очага реакции максимален. Активация процесса сгорания, обеспечивающая уменьшение содержания углеводородов, альдегидов и СО, приводит к увеличению окислов азота.

Также известно, что образование СОх сильно увеличивается с ростом температуры газов и концентрации кислорода и не зависит от углеводородного состава топлива.

На токсичность отработавших газов также оказывают большое влияние окис-ные соединения примесей и присадок (окислы свинца, серы, бария и так далее) [6, 7]. Так количество токсичных компонентов в отработавших газах предопределяет наличие в топливе присадок или примесей. К этой группе относятся окислы бария при добавлении антидымных присадок. Источником токсичных веществ этой группы являются также присадки к маслу, попадающие в цилиндр двигателя вместе с маслом [8].

Учитывая все вышесказанное, можно сделать вывод, что моторное масло может служить при его угаре в двигателе, источ-

ником увеличения выброса различных углеводородов и, в частности, полициклических ароматических углеводородов, а также оксида углерода. И справедливо будет заметить, что чем больше угорает масла в двигателе, тем в большей степени оно будет влиять на токсичность отработавших газов.

На выделение токсичных веществ двигателями влияет большое число различных факторов: режим работы, температура деталей камеры сгорания, нагаро-образование, износ цилиндропоршневой группы, состояние топливоподающей системы и системы зажигания, качество топлива и масла [9].

Соответствующими испытаниями двигателей фирмы Крайслер (не оборудованных специальными устройствами для снижения токсичности) при работе на различных режимах калифорнийского цикла было установлено, что максимальные концентрации СН и СО в отработавших газах соответствуют режимам замедления (принудительный холостой ход) и холостого хода. По мере прогревания двигателя концентрация СО и СН снижается. Увеличенное содержание СН при замедлении автомобиля объясняется тем, что на этом режиме двигатель работает при закрытой дроссельной заслонке и разряжение во впускном трубопроводе может достигать 0,084 МПа. При таких условиях протекания процесс сгорания ухудшается.

Наиболее простой и доступный метод уменьшения выделения окиси углерода на холостом ходу двигателя заключается в подборе соответствующей регулировки системы холостого хода.

Кроме того, на процесс образования СО и СН оказывает процесс нагарообра-зования.

Значительное влияние на экологические показатели двигателя внутреннего сгорания оказывает температура стенок камеры сгорания, которая зависит от способа охлаждения двигателя (жидкостное или воздушное) и от наличия или отсутствия охлаждения поршня. Кроме того, на нее влияют особенности конструкции упомянутых деталей, а также температура охлаждающей жидкости, условия окружающей среды, регулировки двигателя и режим его работы. Так, при повышении температуры стенок улучшаются условия протекания реакции окисления топлива в пристеночных зонах (зонах гашения) и возрастает температура газа в цилиндре (уменьшается отвод тепла в стенки). При повышении температуры охлаждающей жидкости в карбюраторном двигателе концентрация СН снижается, причем тем сильнее, чем богаче смесь (больше углеводородов в объеме зоны гашения).

Специальное исследование позволило установить, что уменьшение концентрации углеводородов при увеличении индикаторной мощности одноцилиндрового карбюраторного двигателя от 1,5 до 9 кВт в значительной мере следует отнести за счет повышения температуры стенок камеры сгорания. Очевидно, что температура в зоне гашения пламени существенно влияет на выделение углеводородов. Концентрация окислов азота с повышением температуры стенок возрастает. Это связано, как с повышением максимальных температур цикла, так и с влиянием пограничного слоя [3].

Также на изменение токсичности оказывают влияние нарушение регулировок двигателя по углу опережения зажигания в процессе эксплуатации. Так отклонение угла опережения зажигания (от паспортных данных) от 10 до 6°, при минималь-

ной частоте холостого хода, увеличивает концентрацию СН на 6 %, а СО на 13 %.

Параметры искрового разряда системы зажигания позволяют на режимах частичных нагрузок за счет увеличения энергии и продолжительности искры сдвигать предел эффективности обеднения по составу смеси в сторону более бедных смесей. Такой сдвиг позволяет определенным образом воздействовать на количество окиси углерода и углеводородов, выбрасываемых в атмосферу.

Испытания одноцилиндрового двигателя с различными системами зажигания показали, что продолжительность искрового разряда не оказывает влияние на содержание СО, но очень сильно влияет на выброс СН, особенно в области бедных смесей. При длительности искрового разряда 1500 мкс и а=1,1 выделяется 75 млн. долей СН, в то время как при длительности искрового разряда 500 мкс и а=1,1 -500 млн. долей.

Установить влияние частоты вращения коленчатого вала на выброс токсичных веществ при испытании многоцилиндровых серийных двигателей не представлялось возможным. Это связано с тем, что при работе двигателя по скоростным характеристикам изменяется ряд параметров, определяющих протекание рабочего процесса, и в частности, качество процесса наполнения, теплообмен, турбулизация заряда в цилиндре, опережение зажигания (впрыска топлива), скорость воздуха в диффузоре карбюратора и тому подобное.

Однако, в основном для всех двигателей наблюдается тенденция к увеличению выброса окиси углерода при малой частоте вращения. Это можно связать с ухудшением смесеобразования при уменьшении расхода воздуха через карбюратор,

которое приводит к повышению неравномерности распределения топлива по цилиндрам к увеличению выделения СО.

Специальное исследование показало, что концентрация углеводородов в отработанных газах уменьшается с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Возможными причинами может быть улучшение качества смесеобразования, увеличения температуры деталей и тур-булизация заряда.

На выделение токсичных веществ оказывает влияние количество остаточных газов в цилиндре двигателя. Так как разбавление свежей топливовоздушной смеси продуктами сгорания влияет на пределы ее воспламеняемости, то при значении коэффициента остаточных газов у>0,4 пределы воспламенения узки в зависимости от коэффициента избытка воздуха, поэтому при у>0,4 возможны пропуски зажигания.

Изменение параметров воздуха на впуске (температура и давление) влияет на процесс, а, следовательно, и на выделение токсичных веществ. С увеличением возрастает температура заряда в цилиндре и уменьшается количество поступающей в цилиндр топливовоздушной смеси, увеличивается относительное разбавление смеси токсичными газами. Совместное действие этих двух факторов приводит к тому, что концентрация окислов азота при работе двигателя на бедных смесях заметно возрастает при увеличении температуры до К, а затем начинает уменьшаться. При работе двигателя на небогатой смеси выделения СОх практически не зависят от Та, что является еще одним подтверждением термической природы образования.

Изменение температуры воздуха на впуске заметно влияет на выделение угле-

водородов при работе двигателя внутреннего сгорания только на очень богатых смесях.

Концентрация СО в отработанных газах двигателя с искровым зажиганием практически не зависит от температуры воздуха на впуске. Источником токсичности отработавших газов являются режимы холостого хода, когда из-за прикрытия дроссельной заслонки процесс образования топливовоздушной смеси резко ухудшается. В этом случае предварительный прогрев воздуха существенно улучшает смесеобразование и качество сгорания, а, следовательно, уменьшает выделение СО.

При уменьшении давления во впускном трубопроводе концентрация СН возрастает. Это можно объяснить как ухудшением сгорания при больших разряжениях, так и уменьшением окисления СН в выпускной системе из-за снижения температуры газов.

Параметры воздуха на впуске в дизель при неизменной подаче топлива влияют на коэффициент избытка воздуха при сгорании. Это приводит к тому, что при работе дизеля на больших высотах над уровнем моря концентрация СО резко увеличивается. Для уменьшения токсичности отработавших газов подачу топлива необходимо регулировать в зависимости от условий на впуске.

Влажность воздуха, поступающего в двигатель, влияет на температуру в процессе сгорания (из-за большей теплоемкости водяного пара по сравнению с теплоемкостью воздуха). Это приводит к уменьшению температуры. На выделения СН и СО показателе влажности практически не влияет.

Противодавление на впуске также оказывает влияние на токсичность отработавшие газы. При увеличении давления

на впуске, при неизменной эффективной мощности наблюдается увеличение концентрации азота, уменьшение концентрации сгоревших углеводородов, а дым-ность отработавших газов увеличивается. Такой характер изменения концентрации окислов азота, углеводородов и дымно сти можно объяснить увеличением давления газов на выходе, что приводит к повышению насосных потерь при выталкивании. При сохранении неизменной мощности это уменьшает коэффициент избытка воздуха при сгорании. Температура заряда цилиндра в конце процесса сжатия возрастает по мере увеличения противодавления, сокращается период задержки воспламенения топлива, что вызывает увеличение дымности отработавших газов.

Возрастание максимальных температур цикла при достаточном избытке кислорода приводит к увеличению концентрации.

Появлению в отработавших газах несгоревших углеводородов способствуют зоны горения с низкой температурой и недостатком кислорода. С увеличением противодавления температура цикла возрастает и изменяется не очень существенно. Кроме того, увеличивается температура отработавших газов. Так, при увеличении противодавления от 1,06^105 до 1,20^105 Па, температура газов для исследованного двигателя повышалась от 365 до 423°С. Последнее способствует протеканию окислительных реакций в выпускной системе.

На основании вышеизложенного можно предположить, что токсичность двигателя внутреннего сгорания зависит не только от процесса сгорания топлива, но и моторного масла, которое, угорая, оказывает влияние на изменение токсичности отработавшие газы и их канцерогенность,

что вызывает необходимость в разработ- масла по экологическим показателям. ке требований к применению моторного

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Балака М. Н., Слободчиков В. В., Аржаев Г. А. Выброс вредных веществ с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания // Транспортные и транспор-тно-технологические системы: материалы Междунар. науч.-техн. конф., 16 апр. 2014 г. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2014. - С. 18-22.

2. Приваленко А. Н., Наметкин О. П., Бордюговская Л. Н., Пуляев Н. Н. Основные проблемы обеспечения сохранения и контроля качества горюче-смазочных материалов на предприятиях нефтепродуктообеспечения // Международный научный журнал.

- 2011. - № 4. - С. 83-88.

3. Александров А. А., Архаров И. А., Девянин С. Н. и др. Нефтяные моторные топлива: экологические аспекты применения. - М. : ООО НИЦ «Инженер», 2014. - 691 с.

4. Гамаюнов П. П., Алексеев С. А., Каймульдин К. Н. Основные способы снижения токсичности отработавший газов двигателей // Научное обозрение. - 2014. - № 3. - С. 125-129.

5. Марков В. А., Савельев М. А., Селиванов А. В. Улучшение экологических показателей дизеля путем совершенствования системы топливоподачи // Известия Волгоградского ГТУ. - 2014. - № 18 (145). - С. 14-18.

6. Орешенков А. В., Приваленко А. Н., Балак Г. М., Пуляев Н. Н. Прогнозирование изменения химической стабильности автомобильных бензинов с антидетонационными добавками и присадками // Международный технико-экономический журнал.

- 2014. - № 2. - С. 107-113.

7. Пуляев Н. Н., Коротких Ю. С. Влияние цетаноповышающих присадок на работу двигателей, работающих на дизельных топливах // Технические науки: проблемы и перспективы: материалы IV Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, июль 2016 г.). - СПб.: Свое издательство, 2016. - vi, 134 с. - С. 91-93.

8. Шаталов К. В., Приваленко А. Н., Пуляев Н. Н., Дунаев С. В. Оценка уровня эксплуатационных свойств смазочных материалов // Международный научный журнал. - 2012. - № 3. - С. 103-106.

9. Коваленко В. П., Пуляев Н. Н., Коротких Ю. С. Оптимизация процессов перевозки жидких грузов в АПК. - М. : ООО «УМЦ «Триада», 2016. - 110 с.

REFERENCES

1. Balaka M. N., Slobodchikov V. V., Arzhaev G. A. Vybros vrednykh veshchestv s otrabotavshimi gazami dvigateley vnutrennego sgoraniya // Transportnye i transportno-tekhnologicheskie sistemy: materialy Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf., 16 apr. 2014 g. -Tyumen': TyumGNGU, 2014. - S. 18-22.

2. Privalenko A. N., Nametkin O. P., Bordyugovskaya L. N., Pulyaev N. N. Osnovnye problemy obespecheniya sokhraneniya i kontrolya kachestva goryuche-smazochnykh materialov na predpriyatiyakh nefteproduktoobespecheniya // Mezhdunarodnyy nauchnyy

zhurnal. - 2011. - № 4. - S. 83-88.

3. Aleksandrov A. A., Arkharov I. A., Devyanin S. N. i dr. Neftyanye motornye topliva: ekologicheskie aspekty primeneniya. - M. : OOO NITs «Inzhener», 2014. - 691 s.

4. Gamayunov P. P., Alekseev S. A., Kaymul'din K. N. Osnovnye sposoby snizheniya toksichnosti otrabotavshiy gazov dvigateley // Nauchnoe obozrenie. - 2014. - № 3. - S. 125-129.

5. Markov V. A., Savel'yev M. A., Selivanov A. V. Uluchshenie ekologicheskikh pokazateley dizelya putem sovershenstvovaniya sistemy toplivopodachi // Izvestiya Volgogradskogo GTU. - 2014. - № 18 (145). - S. 14-18.

6. Oreshenkov A. V., Privalenko A. N., Balak G. M., Pulyaev N. N. Prognozirovanie izmeneniya khimicheskoy stabil'nosti avtomobil'nykh benzinov s antidetonatsionnymi dobavkami i prisadkami // Mezhdunarodnyy tekhniko-ekonomicheskiy zhurnal. - 2014. -№ 2. - S. 107-113.

7. Pulyaev N. N., Korotkikh Yu. S. Vliyanie tsetanopovyshayushchikh prisadok na rabotu dvigateley, rabotayushchikh na dizel'nykh toplivakh // Tekhnicheskie nauki: problemy i perspektivy: materialy IV Mezhdunar. nauch. konf. (g. Sankt-Peterburg, iyul' 2016 g.). -SPb.: Svoe izdatel'stvo, 2016. - vi, 134 s. - S. 91-93.

8. Shatalov K. V., Privalenko A. N., Pulyaev N. N., Dunaev S. V. Otsenka urovnya ekspluatatsionnykh svoystv smazochnykh materialov // Mezhdunarodnyy nauchnyy zhurnal. - 2012. - № 3. - S. 103-106.

9. Kovalenko V. P., Pulyaev N. N., Korotkikh Yu. S. Optimizatsiya protsessov perevozki zhidkikh gruzov v APK. - M. : OOO «UMTs «Triada», 2016. - 110 s.

Материал поступил в редакцию 23.11.2016

© Худашова А. И., 2016