2. Аналіз існуючих видів двигунів внутрішнього згорання

Двигуном внутрішнього згорання (ДВЗ) називають таку теплову машину, в якій перетворення хімічної енергії палива в теплову, а потім в механічну енергію, відбувається усередині робочого циліндра. Перетворення теплоти в роботу в таких двигунах пов'язано з реалізацією цілого комплексу складних фізико-хімічних, газодинамічних і термодинамічних процесів, які визначають відмінність робочих циклів і конструктивного виконання. Двигуни класифікують по роду палива, на якому працює двигун. Газоподібним паливом для ДВЗ служать природний, зріджений і генераторний гази. Рідке паливо є продуктами переробки нафти: бензин, гас, дизельне паливо та ін. Газорідинні двигуни працюють на суміші газоподібного і рідкого палива, причому основним паливом є газоподібне, а рідке використовується як запальне в невеликій кількості. Багатопаливні двигуни здатні тривало працювати на різних паливах в діапазоні від сирої нафти до високооктанового бензину. Елементний склад різних видів палива наведений в табл. 1.

Таблиця 1 — Склад палива, що використовується транспортом.

Так само двигуни внутрішнього згорання діляться за способом заповнення циліндра свіжим зарядом — на 4-тактні та 2-тактні. За засобом приготування горючої суміші з палива і повітря — на двигуни із зовнішнім і внутрішнім сумішеутворенням. До двигунів із зовнішнім сумішеутворенням відносяться карбюраторні, в яких горюча суміш з рідкого палива і повітря утворюється в карбюраторі, і газозмішувачі, в яких горюча суміш з газу і повітря утворюється в змішувачі. В ДВЗ із зовнішнім сумішеутворенням запалення робочої суміші в циліндрі проводиться електричною іскрою. В двигунах з внутрішнім сумішеутворенням (дизелях) паливо займається при уприскуванні його в стисле повітря, нагріте до високої температури [3].

Перетворення хімічної енергії палива, спалюваного в циліндрі двигуна, в механічну роботу виконується за допомогою газоподібного тіла — продуктів згорання рідкого або газоподібного палива. Під дією тиску газів поршень скоює поворотно-поступальний рух, який перетворюється в обертальний рух колінчастого валу за допомогою кривошипно-шатунного механізму ДВЗ.

В камері згорання автомобільного двигуна відбувається хімічне з'єднання елементів, що входять до складу палива, з киснем повітря, що супроводжується інтенсивним виділенням тепла, яке і перетвориться в роботу. Для повного згорання одного кг бензину потрібна стехіометрична для цього процессу кількість повітря (14,8 кг). Проте за тисячні частки секунди, що відводяться на процес згорання в циліндрі, не відбувається повного перемішування палива з повітрям, а продукти згорання, що залишаються від попереднього циклу перешкоджають доступу кисню до часток палива. В результаті не все паливо встигає з'єднатися з киснем повітря, і частина його у вигляді токсичних оксиду вуглецю і вуглеводнів викидається в атмосферу.

Основна маса сучасних автомобілів працює на паливах нафтового походження, що складаються з ряду вуглеводневих з'єднань. В ідеалі, вихлопні гази повинні складатися з діоксиду вуглецю, пари води, азоту і інших менш небезпечних речовин. Але на практиці це не так. В таблиці 2 приведені дані про споживання кисню і виділення діоксиду вуглецю, пари води в результаті повного згорання палив.

Таблиця 2 — Споживання кисню повітря і виділення різних речовин при повному згорання 1 кг палива, кг.

Неповне згорання палива призводить до того, що у відпрацьованих газах містяться більше 200 різних хімічних речовин, серед них:

• продукти неповного згорання у вигляді оксиду вуглецю, альдегідів, кетонів, вуглеводнів, водню, перекисних сполук, сажі;

• продукти термічних реакцій азоту з киснем – оксиди азоту;

• з'єднання неорганічних речовин, які входять до складу палива, — свинцю і інших важких металів, діоксид сірки і ін.;

• надмірний кисень.

Кількість і склад відпрацьованих газів визначаються відношенням суміші повітря — паливо, конструктивними особливостями двигунів, їх режимом роботи, технічним станом, якістю дорожніх покриттів, метеоумовами [4].

Склад і об'єм викидів залежать також від типу двигуна. В таблиці 3 показані дані по ряду забруднюючих речовин, що викидаються двигунами карбюраторного і дизельного типу.

Таблиця 3 — Викиди (% за об'ємом) забруднюючих речовин при роботі дизельних і карбюраторних двигунів.

Як видно з даних таблиці, викиди основних забруднюючих речовин значно нижче в дизельних двигунах. Тому прийнято вважати їх більш екологічно чистими. Проте дизельні двигуни відрізняються підвищеними викидами сажі, що утворюється унаслідок перевитрати палива, яке виступає абсорбентом для канцерогенних поліциклічних ароматичних вуглеводнів, серед яких діоксин (циклічний ефір) і бенз(а)пірен, а так свинець і інші з'єднання, що відносяться до першого класу небезпеки забруднюючих речовин.

Крім того, робота дизельних двигунів на певних режимах характеризується димністю. Чорний дим є продуктом неповного згорання і складається з частинок вуглецю (сажі) розміром 0.1–0.3 мкм. Білий дим, що утворюється в основному при роботі двигуна на холостому ходу, складається, головним чином, з альдегідів, що мають подразливу дію, частинок палива, що випарувалося, і крапельок води. Голубий дим утворюється при охолоджуванні на повітрі відпрацьованих газів. Він складається з крапельок рідких вуглеводнів.

Автомобільний транспорт забруднює не тільки атмосферне повітря. Придорожні території забруднюються продуктами зносу шин, антифрикційних матеріалів і дорожнього покриття. Протоки змащувальних матеріалів, палива і експлуатаційних рідин забруднюють грунт, а так всього лише 300 г бензину, пролитого при заправці автомобіля, забруднюють 200 тисяч кубічних метрів повітря [5].