Токсичные компоненты отработанных газов бензиновых и дизельных ДВС

Содержание.

 

Введение. 3

1. Токсичные компоненты отработанных газов бензиновых и

дизельных ДВС. 4

2. Токсичные компоненты отработавших газов газобаллонных

ДВС. 16

Заключение. 20

Список используемой литературы. 21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

В последнее время уменьшение загрязнения воздуха токсичными веществами, которые выделяются промышленными предприятиями и автомототранспортом, является одной из серьезнейших задач всех промышленно и экономически развитых стран. Загрязненный воздух оказывает вредное влияние на человека, растения, животных, здания и другие сооружения. Материальный ущерб, наносимый загрязнением атмосферы, трудно оценить, так как для этого необходимы многочисленные сведения из различных отраслей народного хозяйства страны.

Значение автомобильных двигателей внутреннего сгорания в загрязнении атмосферного воздуха отдельных стран или районов довольно велика.

В крупных городах автомобильные двигатели являются одним из основных причин загрязнения воздушного бассейна. Решающую роль в загрязнении воздуха в настоящее время играют бензиновые двигатели внутреннего сгорания. Тем не менее, уменьшение токсичности транспортных дизелей также заслуживает серьезного внимания. При концентрации дизельного транспорта или оборудования в ограниченных пространствах (карьерах, рудниках, шахтах и т. д.) дизели могут стать основной причиной загрязнения воздушного бассейна токсичными веществами.

Токсичные вещества при использовании подвижных транспортных средств попадают в атмосферу с выхлопными газами, испарениями из топливных систем и при заправке, а так же с картерными газами.

 

 

 

1. Токсичные компоненты отработавших газов бензиновых и дизельных ДВС.

 

Содержание веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, % по объему: 

Компонент	Бензиновый двигатель	Дизельный двигатель
Азот	74…77	74…78
Кислород	0.3…10.0	2…18
Водяной пар	3.0…5.5	0.5…9.0
Углекислый газ (диоксид углерода)	5…12	1…12
Оксид углерода (угарный газ)	0.5…12.0	0.005…0.4
Оксид азота	0.01…0.80	0.004…0.5
Углеводороды	0.2…3.0	0.009…0.3
Альдегиды	До 0.2	0.001…0.009
Сажа, г/	До 0.004	0.01…1.1
Бенз(а)пирен, мгк/	До 25	До 10
Оксид серы	До 0.008	0.002…0.02
Оксиды свинца	До 0.02	Отсутствуют

   

Примечание: в ОГ двигателей содержатся также: свинец, кремний, медь, кальций, цинк, фосфор, марганец, хром, натрий, барий, железо, никель и ряд других веществ, входящие в состав присадок смазочного масла либо являющиеся продуктами износа деталей двигателя, попадающие в КС вместе с маслом.

Рассмотрим подробнее механизмы образования тех из веществ, содержание которых в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания нормируется или предполагается нормировать в будущем.

Образование токсичных веществ.

Сажа. При сгорании углеводородных топлив в различных горелках и двигателях внутреннего сгорания в отработавших газах может содержаться твердый углеродный продукт в дисперсном состоянии (сажа). Другие твердые углеродистые соединения (пироуглерод и нитевидный углерод) обычно в отработавших газах не содержатся, так как образование их происходит на твердых поверхностях.

Частица сажи — это агломерат пакетов (кристаллитов), которые, в свою очередь, состоят из набора отдельных сеток (пластинок) графитовых шестиугольников. Кроме углерода сажа содержит 1—3% по массе (т. е. 10—30% по числу атомов) водорода, который может быть химически или физически связан с углеродом.

Образование сажи представляет собой объемный процесс термического разложения (пиролиза) углеводородов в газовой (паровой) фазе в условиях сильного недостатка (отсутствия) окислителя (кислорода).

Реакция пиролиза углеводородов может быть выражена уравнением

которое не описывает действительного механизма, приводящего к образованию твердого углерода. Существуют различные точки зрения на процесс образования сажи.

Наиболее общая схема включает гидрогенизацию, дегидрогенизацию, крекинг (т. е. расщепление молекул), полимеризацию, конденсацию (т. е. присоединение молекул, приводящее к образованию очень больших молекул другого типа).

Механизм образования включает несколько стадий:

—  образование зародышей;

—  рост зародышей до первичных частиц (шестиугольных пластинок графита);

—  увеличение размеров частиц (коагуляция) до сложных образований — конгломератов, включающих 100—150 атомов углерода;

—  выгорание.

Скорость образования сажи определяется скоростью химических процессов, приводящих к возникновению зародыша (т. е. кинетикой процесса).

При относительно низких температурах (менее 1500 К) реакции полимеризации и конденсации преобладают над реакциями гидрогенизации. В этих условиях зародышами могут быть ароматические или полициклические соединения. При температурах 2000— 3500К, соответствующих процессу сгорания в двигателях, происходит распад молекул или даже их расщепление.

Необходимо отметить, что образование сажи в предварительно перемешанном и диффузионном пламени (ламинарном и турбулентном) также происходит через пиролиз молекул углеводорода.

Многочисленными экспериментальными исследованиями установлены концентрации окислителя, при которых начинается выделение сажи из пламени. Эти концентрации оценивают коэффициентом избытка воздуха при сгорании α.

Концентрационный предел начала образования сажи зависит от многих факторов (температуры, давления, вида топлива, типа горелки) и по α составляет 0,33—0,7. С увеличением температуры начало образования сажи сдвигается в сторону более богатых топливовоздушных смесей, с увеличением давления — в сторону более бедных смесей. Максимум сажесодержания при повышении температуры процесса также сдвигается в сторону богатых смесей. Необходимо отметить, что на образование сажи в пламени (горелка или цилиндр двигателя внутреннего сгорания) коэффициент избытка воздуха влияет не непосредственно, а через физические факторы (температура пламени; появление зон смеси с концентрациями, благоприятными для термического разложения).

Количество образовавшейся сажи в большой степени зависит от температуры в зоне пиролиза углеводородов. С ростом температуры это количество резко увеличивается, так как скорость реакции (1) контролируется ее кинетикой. Подобным образом влияет и увеличение давления.

В исследованиях сажеобразования на модельной установке (при впрыске вторичного жидкого топлива в продукты сгорания) установлено существование равновесной температуры процесса, т. е. температуры, при которой процесс характеризуется равновесием между скоростями горения и распада топлива в тепловом выражении.

Максимальное сажесодержание в продуктах горения соответствует равновесной температуре. Уменьшение или увеличение температуры по сравнению с равновесной уменьшает сажесодержание. Равновесная температура зависит от условий эксперимента и вида топлива.

Установлено, что образование сажи зависит от свойств топлива. Чем выше молекулярный вес предельных и непредельных углеводородов с прямыми цепями, тем выше скорость образования сажевых частиц. Это можно объяснить тем, что прочность одной и той же связи зависит от длины молекулы. Так, при увеличении числа атомов углерода в молекуле от 2 до 5 прочность связи между группами СН у алканов уменьшается от 333 до 268 кДж/моль. Выявлено также, что концентрации сажи тем больше, чем выше отношение С/Н в топливе.

Различные углеводороды (с одинаковым числом атомов С) по степени увеличения склонности к образованию сажи располагаются следующим образом: нормальные парафины, изопарафины, циклопарафины, олефины, циклоолсфнни, деолефины, ароматики.

В дизеле можно наблюдать явление, когда при большой нагрузке топливо, содержащее ароматические углеводороды, меньше образует дыма, чем топливо, имеющее в своем составе парафины. Это происходит из-за более длительного периода индукции в случае сгорания топлива с ароматическими углеводородами, вследствие чего смесь в камере сгорания имеет больше возможностей стать гомогенной до начала горения.

В процессе образования и после образования сажевых частиц может происходить выгорание их в реакциях с радикалами ОН или кислородом. В основном при составах смеси беднее стехиометрического (в дизелях) происходит прямое окисление сажи кислородом. Скорость выгорания сажи значительно меньше скорости выгорания газообразных продуктов неполного сгорания (например, СО). Скорость выгорания сажи существенно зависит от размеров частиц (поверхности). Было определено, что вся образовавшаяся в пламени сажа может выгореть только в том случае, если размеры частиц не будут превышать 100 А. Все это позволяет объяснить особенности выделения сажи в процессах сгорания в двигателях.

При сгорании гомогенных топливовоздушных смесей концентрационные пределы начала образования сажи выходят за границы диапазона α, при которых нормально работают карбюраторные двигатели с искровым зажиганием. В карбюраторных двигателях, имеющих в цилиндре перед началом сгорания гомогенную (или близкую к ней) топливовоздушную смесь, содержание сажи в отработавших газах незначительно. В цилиндре дизеля происходит диффузионное горение гетерогенной смеси. При этом в самой зоне пламени состав смеси близок к стехиометрическому, и температуры соответственно высоки. К этим высокотемпературным зонам примыкают зоны со значительно более богатой смесью (до α = 0); здесь создаются благоприятные условия для пиролиза с очень малым доступом кислорода. Таким образом, характер смесеобразования и сгорания в дизелях предопределяет значительно большее, по сравнению с двигателями с искровым зажиганием, образование сажи.

Первичные структуры, из которых состоит сажа, образующаяся в дизелях, представляют собой частицы сферической формы диаметром 150—1700 А с удельной поверхностью до 76 м2/г. Однако еще в процессе сгорания происходит коагуляция частиц сажи, приводящая к образованию вторичных и третичных структур. Сажа в отработавших газах дизелей представляет собой образования неправильной формы с линейными размерами 0,3—100 мкм. Большая часть сажевых образований имеет размеры 0,4—5 мкм. В процессе расширения газов в цилиндре дизеля к частицам сажи поступает кислород (вследствие движения газов и диффузии кислорода), т. е. создаются условия, благоприятные для выгорания сажи. Исследования образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля, выполненные методом спектрального анализа, показали, что значительная часть сажи выгорает в процессе расширения. Выделение сажи с отработавшими газами дизеля зависит, следовательно, как от процесса образования, так и от процесса выгорания ее. Однако некоторые исследователи процессу выгорания сажи при расширении придают меньшее значение.

Исследование образования сажи в цилиндре дизеля 12/14 с камерой сгорания в поршне, выполненное с использованием газоотборного клапана стробоскопического типа, показало, что выгорание сажи в процессе расширения может быть значительно.

При турбулентном перемешивании горящей смеси образование сажи уменьшается, а выгорание ее увеличивается. Интересно сопоставить экспериментальные данные с концентрацией С, полученной расчетом из условий равновесия для средних параметров газа в цилиндре. Равенство нулю равновесной концентрации С является дополнительным подтверждением того, что образование сажи происходит в местных переобогащенных топливом зонах.

Образование сажи в дизелях может происходить также при попадании струй топлива на сравнительно холодные стенки цилиндра.

Моноксид углерода СО. В двигателях внутреннего сгорания образование окиси углерода может происходить в ходе холоднопламенных реакций, при сгорании топливовоздушных смесей с некоторым недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации двуокиси углерода, происходящей при высоких температурах (более 2000 К). В процессе последующего сгорания и расширении при наличии кислорода возможно горение окиси углерода. Оно происходит по цепному механизму, который установлен на основе работ советских ученых (Я. Б. Зельдовича, Н. Н. Семенова, В. Н. Кондратьева) и который может быть представлен следующими элементарными стадиями.

Скорость процесса определяет наиболее медленная реакция (4). Таким образом, окисление СО зависит от концентрации водорода и гидроксила в продуктах сгорания.

В дизелях, работающих при α> 1, вероятность указанных превращений во фронте пламени мала и в отработавших газах содержится меньше СО, но в цилиндрах находятся дополнительные источники его появления:

—  низкотемпературные участки пламени стадии воспламенения топлива;

—  капли топлива, поступающие в камеру на поздних стадиях впрыска и сгорающие в диффузионном пламени при недостатке кислорода;

—  частицы сажи, образовавшейся в период распространения турбулентного пламени по гетерогенному заряду, в котором при общем избытке кислорода могут создаваться зоны с его дефицитом.

Так как при нормальной эксплуатации дизелей концентрация СО в отработавших газах обычно не велика (не превышает 0,1—0,2%), то основное внимание в последние годы было уделено анализу механизма образования и сгорания окиси углерода в бензиновых двигателях

Сравнение равновесных концентраций СО, подсчитанных для идеального цикла с подводом тепла при постоянном объеме в зависимости от расширения смеси, с опытными данными о концентрациях СО в отработавших газах показало, что последние значительно выше равновесных при температуре конца расширения. При частоте вращения коленчатого вала n=1500 об/мин процесс расширения в четырехтактном двигателе длится около 20 мс. За это время температура изменяется примерно на 1200 К, т. е. скорость изменения температуры составляет около 60 К/(м∙с).