Уменьшение загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами, выделяемыми промышленными предприятиями и автомобильным транспортом, является одной из важнейших технических проблем для большинства индустриально развитых стран. При этом наибольшее внимание уделяется автомобильному транспорту, в котором в качестве силового агрегата используется дизель или бензиновый двигатель, являющиеся источниками повышенного загрязнения атмосферного воздуха, водных источников и почвы вредными веществами. Выбросы ДВС вносят заметный вклад в создание напряженной экологической обстановки в России, которая имеет тенденцию к ухудшению. В связи с возрастающим количеством автомобилей в крупных городах, в местах сосредоточения автомобильного транспорта концентрация в воздухе вредных веществ, выбрасываемых с отработавшими газами, превышает санитарные нормы в десятки раз. Поэтому перед двигателестроением стоит задача резкого уменьшения вредных выбросов, выделяемых установками с ДВС.

Одним из путей оценки количества вредных веществ в продуктах сгорания на стадии проектирования двигателя является расчет рабочего процесса с учетом равновесного состава продуктов горения. Существующие методы расчета равновесного состава продуктов горения основаны на законе сохранения энергии, выраженном равенством полных энтальпий исходных веществ и продуктов реакции. Точность, но одновременно и сложность метода расчета зависят прежде всего от способа вычисления энтальпий. В литературе описываются различные методы решения уравнений термодинамики при определении характеристик равновесного состояния продуктов сгорания. Однако соответствующие математические модели процесса для двигателя с искровым зажиганием отсутствуют или малодоступны. Нами предпринята попытка восполнить этот пробел с привлечением новых термодинамических данных.

В двигателе с искровым зажиганием в процессе сгорания повышается давление в цилиндре и температура свежей смеси и продуктов горения. При этом градиент температуры в продуктах в результате Махе-эффекта может достигать нескольких сотен градусов. Поэтому химические процессы в двигателе не ограничиваются фронтом пламени и продолжаются в продуктах горения. Прежде всего к ним относятся процессы диссоциации продуктов фронтального горения составляющих атмосферного воздуха и окисления азота. В результате имеем целый набор выбросов вредных веществ в атмосферу, количество которых, по-видимому, слабо зависит от состава продуктов фронтального горения, а определяется дальнейшей эволюцией продуктов горения, вплоть до момента их выброса в атмосферу.

Математическая модель включает уравнения: объема системы и его динамики, состояния свежей смеси и продуктов горения в зонах, сохранения массы и объема системы, энергии продуктов горения в зонах, динамики давления (энергии всей системы), массовой скорости горения на фронте пламени и функции площади и координаты пламени с учетом реальной геометрии камеры сгорания. Продукты горения разбиваются на три, шесть или девять зон, внутри которых температура усредняется по объемам. Для каждой из зон в процессе фронтального горения и эволюции заряда вплоть до момента выброса рассчитывается равновесное состояние продуктов, содержащих С-Н-N-О элементы, где учитываем 20 компонентов: О₂, N₂, H₂O, Ar, CO₂, CH₄, H₂, C, O₃, O, N, H, OH, CO, NO, NO₂, HCN, NH₃, HNO₃, C₂₀H₁₂. За независимые выбраны пятнадцать реакций диссоциации, константы равновесия для которых записаны через мольные доли. В качестве модельных топлив приняты водород H₂, метан CH₄, пропан C₃H₈, гептан C₇H₁₆ и изооктан C₈H₁₈. В расчетах варьируются начальное давление смеси , степень сжатия , угол зажигания и коэффициент избытка воздуха .