Тепловой баланс двигателя
Распределение теплоты, подведенной к двигателю с топливом, на полезно использованное и потери, дает тепловой баланс двигателя, который называется внешним тепловым балансом. Обычно он составляется для 1 кг жидкого или 1 м3 газообразного топлива. В общем виде тепловой баланс двигателя можно записать следующим образом:
Qir= Qe+ Qг + Qохл + Qост (123)
где Qe — теплота, превращенная в эффективную работу; Qг — теплота, унесенная отработавшими газами; Qoxл — теплота, отведенная охлаждением двигателя; Qост — остаточные, трудноопределимые потери (от химической и механической неполноты сгорания и др.).
В уравнении отсутствует слагаемое, учитывающее затраты теплоты топлива на механические потери Qмех. Это объясняется тем, что основное количество теплоты механических потерь (трения) отводится охлаждающей водой и маслом и входит в Qoxл, анекоторая ее часть включается в остаточные потери.
Отдельные составляющие теплового баланса зависят от нагрузки двигателя. По мере снижения нагрузки от полной до 50 % эффективный КПД меняется незначительно, на 2 — 3 % своего максимального значения, но затем резко падает (до нуля на холостом ходу).
Значительная часть теплоты (до 70 %) теряется с отработавшими газами и с охлаждающей водой (или с воздухом при воздушном охлаждении). Экономичность ДВС можно значительно повысить, если использовать эту теплоту, например, для горячего водоснабжения.
Двигатели внутреннего сгорания сегодня являются основными загрязнителями воздушного бассейна. В ФРГ, например, автомобильный транспорт, потребляя 12 % общего расхода топлива в стране, дает 50 % общего количества вредных выбросов. Особенно плохо, что основная масса выхлопных газов от автомобилей выбрасывается в местах с высокой концентрацией людей (городах), причем на уровне роста человека (особенно детей), где газы не рассеиваются на большие расстояния. В выхлопных газах ДВС содержатся твердый углерод (сажа), который является адсорбентом токсичных, в том числе канцерогенных веществ, оксиды азота NOx, углеводороды СnНm оксид углерода СО и альдегиды, а при работе на этилированном бензине — и крайне токсичные соединения свинца. Содержание указанных соединений в выхлопных газах зависит от типа двигателя, его состояния и регулировки, режима работы, применяемого топлива и др. Например, содержание NOx в отработавших газах дизелей и карбюраторных двигателей практически одинаково (до 2,5 г/м3), в то время как выброс СО в карбюраторных двигателях (до 14 г/м3) в 4 раза выше, a CnHm (до 1,4 г/м3) в 2 раза ниже, чем в дизелях.
Сажа, углеводороды, оксид углерода и альдегиды образуются в результате неполного сгорания топлива, связанного либо с недостатком кислорода в рабочей смеси, либо с плохим смесеобразованием. Первое особенно характерно для бензиновых двигателей, когда карбюратор вырабатывает богатую смесь на режимах холостого хода и торможения. Дизели всегда работают со значительным избытком воздуха, поэтому выброс СО у них невелик, зато в отработавших газах много углеводородов, и особенно сажи, обусловливающих дымность газов.
В различных странах мира введены стандарты на выделение двигателями токсичных веществ. Например, согласно ГОСТ 17.2.2.03—77 содержание оксида углерода в отработанных газах бензиновых двигателей не должно превышать 1,5—2 % на минимальных оборотах. В ближайшее время следует ожидать расширения номенклатуры нормируемых вредностей вотработавших газах, и прежде всего канцерогенных веществ.
Совершенствование рабочего процесса и конструкции ДВС направлено прежде всего на качественную подготовку рабочей смеси, равномерное распределение ее по цилиндрам и полное сжигание. Так, в последнее время появилось регулирование карбюратора по параметрам отработавших газов с помощью электронных компьютеров.
Все более широкое применение находят устройства для нейтрализации токсичных компонентов в выпускной системе двигателя, тем более что их можно применить на действующем парке машин. Наибольшее распространение получает каталитическое «дожигание» отработавших газов, обеспечивающее высокую степень нейтрализации СО и CnHm.
Сегодня на нашей планете имеется свыше 400 млн. автомобилей, их число постоянно растет и, по прогнозу, к 2000 г. достигнет 700 млн. единиц. В связи с возрастающим потреблением горючего из нефти, запасы которой ограничены, сейчас ведется интенсивный поиск заменителей нефтяного топлива, которое к тому же сильно загрязняет среду обитания человека.
Хорошие перспективы с точки зрения снижения загрязнения окружающей среды имеет газовое топливо: пропан-бута-новая смесь, получаемая при нефтепереработке, и сжиженные природные газы.
Газовоздушная смесь сгорает в цилиндре двигателя более полно, чем бензиновоздушная, и при этом образуется меньше вредных веществ, в частности оксида углерода.
Газовое топливо не требует радикальной переделки конструкции двигателя, а требует лишь его дооборудования специальной аппаратурой. Запас газа в сжиженном или сжатом состоянии находится на автомобиле в специальных баллонах, размещаемых обычно под кузовом.
Вопросы для самопроверки
1. Написать формулу для внешнего теплового баланса?
2. Что такое эффективная мощность?