Токсичные компоненты отработанных газов бензиновых и дизельных ДВС

В определенный момент расширения происходит "закалка" продуктов догорания окиси углерода. При составе смеси, близкой к стехиометрическому, температура "закалки" равна примерно 1020 К. По мере обогащения смеси температура "закалки" несколько увеличивается, приближаясь при α ≈ 0,7 к максимальной теоретической температуре цикла.

Углеводороды — свыше двухсот различных углеводородов, образующихся в отработавших газах двигателей в результате:

—  реакций цепочно-теплового взрыва — пиролиза и синтеза (полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), альдегиды, фенолы);

—  неполноты сгорания в результате нарушения процесса горения (из-за прекращения реакций окисления углеводородов при низких температурах, неоднородности топливо-воздушной смеси, пропусков зажигания в отдельных циклах или цилиндрах двигателя (несгоревшие компоненты топлива и масла).

В ряде исследований было также установлено, что вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания происходит гашение пламени. Это приводит к замедлению или исключению реакций горения в части смеси, находящейся в зоне гашения. Фотографирование процесса сгорания в четырехтактном бензиновом двигателе через кварцевое окно в головке цилиндра позволило определить толщину зоны гашения в пределах 0,05—0,38 мм. На рис. 3 показана зависимость содержания углеводородов в пробе газа от объема отбираемой за цикл пробы. Видно, что в непосредственной близости от стенок камеры концентрация СН резко возрастает. Таким образом, зона гашения является одним из источников выделения углеводородов. Углеводороды (различного вида) могут образовываться и в зонах, где происходит пиролиз, то есть в переобогащенных зонах. Если доступ кислорода при такте расширения в камере сгорания будет ограничен в эти зоны, то углеводороды попадут в выпускной коллектор. Наиболее токсичными веществами из углеводородов являются полиароматические. Максимальную токсичность из них имеет бенз(α)пирен.

Диоксид углерода не является токсичным веществом. Его вредность связана с постоянным повышением концентрации в атмосфере Земли и его влиянием на изменение климата планеты. В последние десятилетия начали предпринимаются меры по регламентированию его выброса энергетическими, промышленными и транспортными объектами.

Львиная доля образовавшихся в цилиндрах двигателя СО окисляется до , не проникая за пределы камеры сгорания, так как померенная объемная доля двуоксиси углерода в отработавших газах примерно равна 10—15%, т. е. в 300—450 раз больше, чем в нашей атмосфере.

Процесс окисления СО в идет в выпускном трубопроводе и в нейтрализаторах (дожигателях) отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, устанавливающихся на современном автомототранспорте для принудительного окисления СО и несгоревших углеводородов до , дабы соблюдать нормы токсичности.

Величина выбросов зависит от физико-химических и теплофизических свойств топлив и их расхода. При использовании в качестве автомобильного топлива водорода в продуктах сгорания отсутствует.

Оксиды азота представляют набор следующих соединений: , NO, , , и . Преобладает NO (99% в бензиновых двигателях и более 90% в дизелях).

В камере сгорания NO может образовываться:

1)при высокотемпературном  окислении азота воздуха (термический NO);

2)в результате низкотемпературного  окисления азотсодержащих соединений  топлива (топливный NO);

3)из-за столкновения углеводородных  радикалов с молекулами азота  в зоне реакций горения при  наличии пульсаций температуры (быстрый NO).

В процессе сгорания топлив окислы азота (практически лишь окись NO) образуются в результате реакций окисления азота кислородом воздуха. В реакции образования NO может участвовать как азот, содержащийся в топливе, так и азот атмосферного воздуха.

В нефтепродуктах содержится до 5% азотистых соединений (0,3—0,6% по весу чистого азота). Основными азотосодержащими компонентами твердого и жидкого топлив являются пиридин и его производные. Азот топлива легче вступает в реакцию окисления, чем атмосферный азот.

При содержании в топливе азота в количестве 1,4% от веса было зафиксировано в процессе сгорания увеличение выделения NO примерно в 10 раз.

Ряд исследований, выполненных на лабораторных установках с добавкой к топливу азотосодержащих соединений (пиридина, аммиака и др.), показал, что количество образовавшихся окислов азота не зависит от типа азотосодержащего компонента и определяется содержанием чистого азота в топливе.

Исследования Р. А. Липштейна показывают, что при перегонке нефти азотистые соединения остаются в тяжелых фракциях. Фракции с температурой перегонки до 350°С содержат не более 4% всего азота, находящегося в нефти. Поэтому для дизельных топлив, а тем более бензинов, получаемых из нефти, можно не учитывать при анализе образования NO реакции с топливным азотом.

Однако для используемых в тихоходных дизелях моторных топлив (ДТ-1, ДТ-2, ДТ-3), у которых только 15% составляющих топлив перегоняется до температуры 250°С, а также для мазутов нельзя пренебрегать содержанием топливного азота.

 

Сера, которая содержится в автомобильном топливе, во время горения интенсивно окисляется до двуокиси серы по способу, похожему на механизм образования СО. Двуокись серы может окисляться (с намного меньшей скоростью) до .

Свинец в составе твердых частиц (из-за использования этилированных бензинов) присутствует в виде соединений галогенидов свинца, которые образуются по сходному механизму образования сажи.

Альдегиды RCHO

В дизелях альдегиды образуются в период предпламенных реакций, протекающих в период подготовки топливовоздушной смеси к сгоранию, когда процесс окисления протекает при низких температурах (их называют также холодным пламенем). Альдегиды и пероксиды (перекиси) являются типичными продуктами этих реакций. При образовании альдегидов выделяется тепло. В процессе самовоспламенения топлива они активной роли не играют. Как в дизелях, так и в двигателях с искровым зажиганием могут образоваться альдегиды, если часть процесса сгорания протекает при низких температурах, что наблюдается при охлаждении горящей смеси сравнительно холодными поверхностями, ограничивающими камеру сгорания, или при сгорании очень обедненной смеси, характерной для малых нагрузок у дизеля, или сгорание последней порции топлива в бензиновых двигателях, или в конце процесса сгорания в двигателях с послойным смесеобразованием. В процессе сгорания, происходящем при высоких температурах, альдегиды могут сгорать.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Токсичные компоненты отработавших газов газобаллонных ДВС.

Режим работы двигателя определяется выбранными параметрами его

управления, включающих: сочетание командных параметров; параметров

характеризующих состояние двигателя; параметров, определяющих состояние

трансмиссии автомобиля, а также параметров, характеризующих работу системы подачи газового топлива, объединённых единой целью в стратегии управления эффективности рабочего процесса.

Для систем управления под нормы токсичности Евро-1 не требовалось для обеспечения двигателем требуемой эффективной мощности добиваться снижения токсичности отработавших газов на переходных режимах работы и на максимальных нагрузках. Требования норм Евро-2 и выше по токсичности отработавших газов уже невозможно выполнить при таком подходе к системе управления двигателем. Необходимо точно управлять топливоподачей с учётом прогноза его изменения на переходных режимах работы двигателя и показаний датчика кислорода в отработавших газах.

Для бензиновых двигателей это осложняется наличием топливной плёнки на стенках впускной трубы и цилиндрах двигателя, которая переменна во времени в зависимости от многих факторов, например, температуры стенок, воздуха и топлива.

Состав выбросов отработавших газов из автомобилей на природном газе.

Состав выбросов отработавших газов при работе на природном газе практически мало отличается от состава ОГ при работе на бензине (для бензинов химическая формула СmНn, отношение n/m = 2…2,7). Основное отличие, при одинаковых оптимальных условиях сгорания топлив с соответствующей конструкцией двигателя как для бензина, так и для природного газа, заключается в количественном содержании оксида (СО) и диоксида углерода (СО2), которых меньше от 23 до 28% (разброс обусловлен химическим составом бензина и природного газа, наличием в нём более тяжёлых, чем метан, углеводородов) из-за малого содержания углерода в химической формуле метана СН4. Под оптимальной конструкцией двигателя для природного газа понимается повышенная степень сжатия от 12,5 до 15 по сравнению с бензиновым двигателем, где степень сжатия от 9 до 11,5. Под оптимальными условиями сгорания понимается сгорание стехиометрической смеси топлива с воздухом (средние значения: для бензина в массовых долях Lo ≈ 14,6, для природного газа в массовых долях Lo ≈ 16,15 и в объёмных долях lv ≈ 9,53). В связи с тем, что отношение атомов водорода к атомам углерода в летнем бензине может составлять 2 единиц, то и максимальное значение, которое можно достичь по снижению выбросов СО и СО2 при переходе с бензина на метан до 28%. Далее для снижения выбросов СО и СО2 [179] необходимо снижать расход топлива и использовать другие виды топлив (например, чистый водород) и энергий (например, электроэнергию).

Количество выбросов СН для природного газа, по тем же обстоятельствам, так же как и выбросов оксидов и диоксидов углерода меньше на от 23 до 28%, чем при работе на бензине, это показано в работе голландского института TNO

Наибольшее количество СН в отработавших газах проявляется: на режиме пуска, при прогреве двигателя, при низких температурах горения топливной смеси в камере сгорания и из-за не оптимальной организации процессов горения. Из-за того, что температура горения природного газа от 60 до 200º ниже температуры горения бензина, количество выбросов СН в отработавших газах практически соизмеримо с выбросами при работе на бензине. Поэтому для снижения СН рекомендуется, в калибровках электронной системы управления двигателем, при работе на природном газе при пуске и прогреве обеднять воздушно топливную смесь. При этом выбросы NOx растут не значительно из-за ещё не высокой температуры горения, температуры двигателя, впускного воздуха и топлива. На режиме пуска обеднение может составлять до α = 1,1…1,2, при прогреве по температуре двигателя оно снижается до рабочего значения α = 0,985. Повышение температуры горения, таким образом, приводит к ускорению прогрева нейтрализатора и более раннего вступления его в работу. Обеднение более α > 1,25 при работе на природном газе не целесообразно из-за ухудшения процесса горения при приближении к границе порогов его воспламенения от 5 до 15% по объёму в воздухе. Учитывая эти соотношения, при выполнении калибровочных работ на автомобиле по ездовым качествам и токсичности рекомендуется не выходить за границы воспламенения смеси, т.е. поддерживать состав топливной смеси в диапазоне обогащения-обеднения, составляющим α = (0,667…0,702) –(1,246…1,275). (В расчёте принято: стехиометрический объёмный состав 9,53, плотность природного газа с высоким содержанием метана 0,67 кг/м³, плотность природного газа с низким содержанием метана 0,749 кг/м³, плотность воздуха 1,231 кг/м³). Значения рабочего диапазона α = 0,702…1,246 для природного газа с высоким содержанием метана более 98%. Значения рабочего диапазона α = 0,667…1,275 для природного газа с низким содержанием метана от 80 до 85%.

Необходимо отметить, что, если не известно количественное содержание компонентов в природном газе, то при проведении калибровочных работ лучше придерживаться более узкого диапазона, как для газа с высоким содержанием метана, иначе могут возникнуть проблемы при эксплуатации автомобиля. В реальных условиях для конкретного двигателя или его семейства диапазон составов воздушнотопливной смеси может оказаться ещё уже. Это зависит от качества приготовления воздушнотопливной смеси, процессов воспламенения и горения, т.е. от технического уровня разработки и изготовления конкретной модификации двигателя. Обычно диапазон воздушнометановой смеси, при котором двигатель устойчиво работает, составляет α = 0,84…1,15.

Количество окислов азота в ОГ двигателя, работающего на природном газе при стехиометрическом сгорании меньше, чем при работе на бензине, из-за более низкой температуры горения природного газа в смеси с воздухом. При не соблюдении стехиометрии топливной смеси, при одинаковых температурах горения (температура догорания поднимается при обеднениях топливной смеси до α = 1…1,25) природного газа и бензина количество окислов азота примерно одинаково.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

Таким образом, основное ограничение загрязнения атмосферы автотранспортом сводится к совершенствованию двигателя автомобиля и его технического состояния.

Одно из основных мероприятий — совершенствование конструкции современного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием. Наибольшее влияние на токсичность отработанных газов оказывают изменения, вносимые в систему питания и зажигания ДВС, поскольку они определяют процесс воспламенения и сгорания рабочей смеси.

Работы ведутся в следующих направлениях:

- улучшение качества смесеобразования  во впускной системе;

- улучшение распыления  топлива в карбюраторе;

- применение регуляторов  принудительного холостого хода;

- обеспечение равномерного  распределения смеси по цилиндрам.

От работников автомобильного транспорта — водителей, ремонтных рабочих, инженерно-технических работников зависит, насколько полно будут реализованы свойства, заложенные в конструкцию автомобиля. Чем жестче требования к токсичности и топливной экономичности, чем сложнее конструкция двигателя, тем более совершенным должно быть техническое обслуживание автомобиля, тем больше требований предъявляется к квалификации водителей.

Технически грамотно эксплуатировать сложную технику можно лишь при знании основных закономерностей работы двигателя и автомобиля, а выполнение требований к токсичности отработавших газов возможно лишь тогда, когда люди, от которых это зависит, будут выполнять свою работу осознанно.

Список используемой литературы.

1. Амбарцумян В. В., Носов В. Б., Тагасов В. И., Сарбаев В. И. Экологическая безопасность автомобильного транспорта. – М.: Научтехлитиздат, 1999.
2. Беднарский В. В. Экологическая безопасность при эксплуатации и ремонте автомобилей. – Ростов н/Дону: Феникс, 2003.
3. Иларионов В. А. Эксплуатационные свойства автомобиля. – М.: Машиностроение, 1996.
4. Звонов В.А. "Токсичность двигателей внутреннего сгорания", 1981г.
5. Кульчикий А.Р. "Токсичность автомобильных и транспортных двигателей", 2004г.