Экология автотранспорта

Содержание

Введение

 
 
Все виды современного транспорта наносят  большой ущерб биосфере, но наиболее опасен для нее автомобильный  транспорт. В глобальном балансе  загрязнения атмосферы доля автотранспорта составляет 13,3%, но в городах она  возрастает до 80%.  
 
По данным Минтранса России ежегодный ущерб от негативного воздействия на окружающую среду в результате эксплуатации автотранспорта составляет 45 млрд. долларов. 
 
В настоящее время уменьшение загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами, выделяемыми автомобильным транспортом, является одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством. Путь ее решения только один - автомобиль должен стать экологически чистым. Важное место здесь принадлежит системам нейтрализации, способным в несколько раз снизить токсичность выхлопных газов. Это и объясняет актуальность выбранной мною темы реферата. 
 
Загрязнения окружающей среды при работе двигателей внутреннего сгорания, связанны с загрязнением воздуха и обусловлены выбросами в окружающую среду окислов азота, углерода, серы, альдегидов и углеводородов, а также взвешенных частиц - аэрозолей. Основные принципы снижения вредных выбросов от двигателей внутреннего сгорания приведены в работе. Среди них выделяется, как наиболее эффективный, система очистки отработавших газов, о чем подробно раскрывается в реферате.  
 
Целью работы было выяснить способы нейтрализации вредных веществ в отработавших газах. Для этого была поставлена следующая задача: рассмотреть способы нейтрализации вредных веществ в системе бензиновых и дизельных двигателей, а также их реализацию. 
 
 
1. Вредные выбросы и их воздействие на живую природу  
 
Из общего количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу крупных городов, большая часть приходится на автомобильный транспорт- 60%. Промышленные предприятия выбрасывают 18%, электростанции 13%, системы городского отопления 6% и другие источники-3%.  
 
Следует отметить, что вредные вещества, выбрасываемые производственными предприятиями, концентрируются по огромному радиусу в определенной зоне, а отработавшие газы автомобилей распространяются по всей территории населенного пункта. При этом автомобили загрязняют атмосферу углеводородами и оксидами азота на 30%, оксидами углерода на 90%. При неблагоприятных условиях в приземных слоях атмосферы образуются ядовитые туманы, так называемые смоги, содержащие токсичные составляющие отработавших газов - углеводороды и оксиды азота.  
 
 

Табл. 1. Состав отработавших газов бензиновых двигателей и дизелей 
 
В отработавших газах автомобильных двигателей насчитывается свыше 100 различных компонентов, большинство из которых токсичны. Примерный состав отработавших газов бензиновых и дизельных двигателей приведен в табл.1.

 
 
И таблицы видно, что бензиновые двигатели по сравнению с дизельными обладают большей токсичностью. Наиболее токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей являются: оксид углерода ( СО ), оксиды азота ( NОx ), углеводороды ( СnHm ), а в случае применения этилированного бензина - свинец. В отработавших газах обнаружен также акреолин, который поступает в окружающую среду (особенно при работе дизельных двигателей). Он имеет запах пригорелых жиров (при содержании более 0,004 мг/л), вызывает раздражение верхних дыхательных путей, а также воспаление слизистой оболочки глаз.  
 
Оксид углерода образуется в бензиновых двигателях при сгорании топливовоздушных смесей с некоторым недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода, возникающей при высоких температурах. В обычных условиях СО- бесцветный газ без запаха, он легче воздуха и поэтому может легко распространятся в атмосфере. Механизм токсического действия СО определяется способностью превращать часть гемоглобина крови в карбоксигемоглобин, вызывающий нарушение тканевого дыхания. Наряду с этим СО оказывает прямое влияние на тканевые биохимические процессы, влекущие за собой нарушение жирового и углеводного обмена, витаминного баланса и т.д. Токсический эффект СО связан также с его непосредственным влиянием на клетки центральной нервной системы. При действии на человека СО вызывает головную боль, головокружение, быструю утомляемость, раздражительность, сонливость, боли в области сердца. Острые отравления наблюдаются при вдыхании воздуха с концентрацией СО более 2,5 мг/л в течение 1 ч.  
 
Оксиды азота в отработавших газах образуются в результате обратимой реакции окисления азота кислородом воздуха под воздействием высоких температур и давления в цилиндрах двигателя. Повышение максимальной температуры рабочего цикла и избыток кислорода - основные факторы, способствующие образованию оксидов азота. По мере охлаждения отработавших газов и разбавления их воздухом оксид азота превращается в диоксид и т.д.  
 
Оксид азота NO - бесцветный газ, диоксид азота NO₂ - газ красно-бурого цвета с характерным запахом. Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта. Воздействие NO₂ cпособствует развитию заболеваний легких. Симптомы отравления проявляются только через 6 ч. в виде кашля, удушья, возможен нарастающий отек легких.  
 
Причиной образования углеводородов СН является неоднородность состава горючей смеси в камере сгорания двигателя, а также неравномерность температуры и давления в различных ее частях. В некоторых зонах сгорания топливо практически не сгорает, так как происходит обрыв цепной реакции окисления углеводородов.  
 
Тем временем в низко нависших над асфальтом облаках СН и NО_x под воздействием света происходят химические реакции. Разложение оксидов азота приводит к образованию озона (О3). Вообще-то озон не стоек и быстро распадается, но только не в присутствии углеводородов ( СН ) - они замедляют процесс распада озона, и он активно вступает в реакции с частичками влаги и другими соединениями. Образуется стойкое облако мутного смога, которое зловеще висит над городом. Причем смог активнее формируется под воздействием прямого света, поэтому для таких городов, как Токио или Лос-Анджелес, проблема смога была и остается очень актуальной.  
 
Помимо этого, некоторые углеводороды СН являются сильнейшими канцерогенными веществами (бенз-а-пирен), переносчиками которых могут быть частички сажи, содержащиеся в отработавших газах. Озон разъедает глаза и легкие, а выбросы NОх участвуют в формировании кислотных дождей.  
 
В отработавших газах дизельного двигателя обнаружено канцерогенное вещество - диоксин (циклический эфир), представляющий собой бесцветную горючую жидкость. Диоксины и близкие им соединения во много раз токсичнее таких ядов, как кураре и цианистый калий.  
 
В случае применения этилированных бензинов около 50% свинца осаждается в виде нагара на деталях двигателя и в выхлопной трубе, остаток уходит в атмосферу. Свинец присутствует в отработавших газах в виде мельчайших частиц размером 1-5 мкм, которые долго сохраняются в атмосфере. Концентрация свинца в атмосфере придорожной полосы в 2-20 раз больше, чем в других местах. Присутствие свинца в воздухе вызывает серьезные поражения органов пищеварения, центральной и периферической нервной системы. Воздействие свинца на кровь проявляется в снижении количества гемоглобина и разрушении эритроцитов. 
 
За долгое время существования проблемы автомобильных выбросов и загрязнения ими атмосферного воздуха было разработано множество методов и способов, позволяющих уменьшить количества выхлопов или снизить их токсичность, приняты стандарты токсичности выхлопных газов (Прил.1). В настоящее время разрабатываются и претворяются в жизнь мероприятия по снижению загрязнения атмосферы выбросами автомобильных двигателей, включающие в себя:  
 
1.усовершенствование конструкций двигателей и повышение качеств изготовления; 
 
2.поиск новых видов топлива, применение различных присадок к нему;  
 
3.создание энергосиловых установок для автомобилей, выбрасывающих меньшее количество вредных веществ; 
 
4.разработка устройств, снижающих содержание вредных компонентов в отработавших газах. 
 
Практика показала, что при этом достичь уровня токсичности отработавших газов, требуемого законодательством развитых стран, первыми тремя способами нельзя. Поэтому получила широкое распространение нейтрализация отработавших газов в системе выпуска. В этом случае токсичные пары, вышедшие из цилиндров двигателя, нейтрализуются до выброса их в атмосферу. 
 
 
2. Способы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе 
 
Существует несколько способов нейтрализации отработавших газов в выпускной системе автомобиля: 
 
1.Окисление отработавших газов путем подачи к ним дополнительного воздуха в термических реакторах. Термические реакторы устанавливают на многих японских и американских двигателях. Термический реактор представляет собой теплоизолированный объем со специальной организацией течения отходящих газов, устанавливаемый в выпускной системе двигателя и осуществляющий термическое доокисление токсичных компонентов за счет собственного тепла отходящих газов. Термическая нейтрализация не зависит от вида сжигаемого топлива, наличия присадок и позволяет использовать в двигателях этилированный бензин. Повысить температуру отработавших газов в реакторе можно, уменьшив теплопотери применением проставок-экранов, теплоизоляцией корпуса реактора, использованием тепла реакции окисления, а также кратковременным уменьшением угла опережения зажигания. Реакторы особенно эффективны на режимах богатой смеси при больших нагрузках, не выходят из строя со временем, однако не дают полного окисления СО и СН и не восстанавливают NO_x, поэтому применяются как дополнительные устройства перед каталитическим нейтрализатором.  
 
2.Поглощение токсичных компонентов жидкостью в жидкостных нейтрализаторах. Этот способ не получил широкого распространения из-за малой эффективности и необходимости частой замены жидкости. 
 
3.Применение каталитических нейтрализаторов и сажевых фильтров (на автомобилях с дизельными двигателями) – в настоящее время наиболее актуальный. 
 
 
^ 3. Нейтрализации отработавших газов в выпускной системе бензиновых двигателей 
 
3.1. Эволюция каталитических нейтрализаторов 
 
В конце 60-х годов, когда мегаполисы Америки и Японии стали буквально задыхаться от смога, инициативу взяли на себя правительственные комиссии. Именно законодательные акты об обязательном снижении уровня токсичных выхлопов новых автомобилей вынудили промышленников усовершенствовать двигатели и разрабатывать системы нейтрализации. 
 
В 1970 году в Соединенных Штатах был принят закон, в соответствии с которым уровень токсичных выхлопов автомобилей 1975 модельного года должен был быть в среднем наполовину меньше, чем у машин 1960 года выпуска: СН — на 87%, СО — на 82% и NO_х — на 24%. 
 
Аналогичные требования были узаконены в Японии и в Европе. 
Первым делом инженеры бросились совершенствовать системы питания и зажигания. Но было очевидно, что добиться столь существенного улучшения ситуации с токсичностью без применения дополнительных устройств просто невозможно. 
 
В 1975 году на американских машинах появились первые каталитические нейтрализаторы отработавших газов — тогда еще двухкомпонентные, так называемого окислительного типа. Двухкомпонентными они назывались потому, что могли нейтрализовать только два токсичных компонента — СО и СН. Окислительными — потому, что происходившие реакции представляли из себя окисление (то есть фактически дожигание) молекул СО и СН с образованием углекислого газа СО₂ и воды Н₂О. 
 
На американских автомобилях 1975 года появились транзисторные системы зажигания с высокой энергией искры и свечи с медным сердечником центрального электрода — это свело к минимуму пропуски зажигания и последующие вспышки несгоревшего топлива в нейтрализаторе, которые грозят оплавлением керамики.  
 
В 1977-м к нему добавили "противоазотную" секцию, а еще через пару лет объединили все в едином корпусе, дав неправильное название "трехступенчатый" нейтрализатор. На самом деле речь идет не о ступенях, а о трех подавляемых классах вредных веществ. 
 
К 1990 году нейтрализатор переехал вплотную к выпускному коллектору, чтобы быстрее нагреваться до рабочих температур (300ºС) – тем самым уменьшить вредные выбросы на стадии прогрева. 
 
В 1995 году фирма ”Эмитек” разработала технологию подогрева катализатора мощным электрическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель катализатора ”6С” (или ”Эмикэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”. 
 
Ну и, наконец, в 2000 году появилась цеолитовая ловушка углеводородов (СН), задерживающая их при пуске мотора и лишь после нагрева до 220°С отдающая на "съедение" готовому к работе катализатору. 
 
3.2. Устройство и принцип действия каталитических нейтрализаторов 
 
Современные каталитические нейтрализаторы – это трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы.  
 
Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор представляет собой корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска до глушителя. В корпусе располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми тончайшим слоем вещества катализатора, которое само не вступает в химические реакции, но одним своим присутствием ускоряет их течение. 
 
Химикам известно множество катализаторов - медь, хром, никель, палладий, родий. Но самой стойкой к воздействию сернистых соединений, которые образуются при сгорании содержащейся в бензине серы, оказалась благородная платина. На долю катализаторов приходится до 60% себестоимости устройства. Именно благодаря им происходят необходимые химические реакции – окисление монооксида углерода (СО) и несгоревших углеводородов (СН), а также сокращение количества окиси азота (NO_x). В трехкомпонентном нейтрализаторе платина и палладий вызывают окисление СО и СН, а родий ”борется” с NO_x. Кстати, родий – субпродукт при получении платины – наиболее ценный в этой троице.  
 
Чтобы увеличить площадь контакта каталитического слоя с выхлопными газами, на поверхность сот наносится подложка толщиной 20-60 микрон с развитым микрорельефом. 
 
Как правило, носителем в нейтрализаторе служит спецкерамика - монолит со множеством продольных сот-ячеек, на которые нанесена специальная шероховатая подложка (рис.1). Это позволяет максимально увеличить эффективную площадь контакта каталитического покрытия с выхлопными газами - до величин около 20 тыс. м². Причем вес благородных металлов, нанесенных на подложку на этой огромной площади, составляет всего 2-3 грамма. Керамика сделана достаточно огнеупорной – выдерживает температуру до 800-850 ºС. Но все равно при неисправности системы питания и длительной работе на переобогащенной рабочей смеси монолит может не выдержать и оплавиться - и тогда каталитический нейтрализатор выйдет из строя. Именно поэтому так проблематично выглядит использование каталитических нейтрализаторов с керамическим носителем на карбюраторных двигателях.

Впрочем, все шире в качестве носителей каталитического слоя используются тончайшие металлические  соты . Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, получить меньшее противодавление, ускорить разогрев каталитического нейтрализатора до рабочей температуры и, главное, расширить температурный диапазон до 1000-1050ºС. Соты нейтрализаторов Metalit, изображенного на рисунке 2, сделаны из тонкостенного (толщиной всего 0,04 мм, а не 0,15 мм, как у керамики) листа хромоалюминиевой стали, для лучшей адгезии каталитического слоя легированной редкоземельным металлом иттрием. Такой нейтрализатор выдерживает пиковые температуры до 1300ºС.  
 
Делают это на Западе, конечно же, не для применения карбюраторов - там они почти забыты. Просто с появлением современных двигателей, работающих на переобедненных смесях, растут требования и к каталитическим нейтрализаторам - они должны выдерживать более жесткие условия, которые керамике уже не по зубам.

Широкое использование нейтрализаторов  «взорвало» мировой рынок благородных  металлов: 35% потребляемой платины, 45% палладия, 90% родия идет в автомобильные  выпускные системы.  
 
3.3. Разогрев каталитического нейтрализатора 
 
На первый взгляд может показаться, что установка катализатора решает все экологические проблемы. Однако, температура, при которой катализатор начинает действовать (температура активации), находится в пределах 250–350°С. Время же, необходимое для разогрева, может достигать нескольких минут и зависит от типа автомобиля, способа его эксплуатации и температуры воздуха. Холодный катализатор практически неэффективен – следовательно, необходимо уменьшить время достижения температуры активации.  
 
К 1995 году фирма ”Эмитек” разработала технологию подогрева катализатора мощным электрическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель катализатора ”6С” (или ”Эмикэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”. Подогреватель на металлической опоре крепится внутри катализатора (рис.4); его мощность – от 0,5 до 2, иногда 4 кВт, в зависимости от величины сопротивления (от 0,05 до 0,35 Ом). Для примера, элемент в 1,5 кВт разогревает катализатор до 400°С за 10 секунд.

В выпускной коллектор  поместили специально разработанный кислородный датчик — так называемый лямбда-зонд (на Западе принято обозначать греческой буквой λ так называемый коэффициент избытка воздуха, то есть отношение стехиометрического состава смеси к текущему). Он вступает с раскаленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень которого зависит от количества кислорода в выхлопе. 
 
Если кислорода осталось много — значит, смесь слишком бедная, если мало — богатая. А по результатам мгновенного анализа, которым занимается электроника, можно быстро корректировать состав смеси в ту или иную сторону. Напряжение на выходе кислородного датчика принимает два уровня. Если смесь бедная, то низковольтный сигнал дает команду на обогащение топливной смеси, и наоборот.

Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе  дизельных двигателей 
 
В дизельном двигателе топливо впрыскивается в цилиндр, уже наполненный раскаленным сжатым воздухом и на образование "правильной" горючей смеси просто не остается времени. Даже при тончайшем распылении (для чего и повышают давление) не все микрочастицы топлива успевают обзавестись нужным количеством молекул кислорода - вот вам и сажа. Снижение температуры в цилиндре по бензиновому рецепту только ухудшает картину. Вообще, основное противоречие дизеля, которое еще никто до конца не разрешил, - между снижением выбросов сажи и окислов азота: улучшая один параметр, неизбежно портим второй. 
 

4.1.Комплексная  очистка отработавших газов дизеля 
 
Современные комплексные системы очистки отработавших газов для дизелей состоят из каталитических и жидкостных нейтрализаторов, а также сажевых фильтров.  
 
Сажевые фильтры 
 
Фирмы, пропагандирующие экономичные легковые дизели, ради экологии пускаются во все тяжкие. Например, предлагают устанавливать дополнительные бачки с дорогими реактивами, снижающими температурный порог разложения накопившейся в специальном нейтрализаторе сажи ("Пежо-607"). Выжечь, то есть окислить, накопившиеся в порах фильтра частицы можно лишь при достаточно высокой температуре, которой выхлопные газы правильно настроенного дизеля не достигают. Даже если приказать управляющему двигателем контроллеру периодически увеличивать подачу топлива, все равно градусов не хватает. Решение видели в добавке к солярке мочевины (прямо на АЗС) либо незначительного количества специального реагента, хранящегося в отдельном бачке (5 литров хватает на 80 000 км пробега). Это снижало температуру начала реакции градусов на 100 и позволяло, обогатив смесь, очищать фильтр. Реализовать эти решения весьма сложно. Неудивительно, что бачки с реагентом прижились в основном на дорогих автомобилях, например, «Пежо-607». 
 
В фильтрах нового поколения общий принцип остался прежним: задержать и уничтожить. Но как добиться нужной для сгорания частиц сажи температуры? Во-первых, фильтр разместили сразу за выпускным коллектором. Во-вторых, через каждые 300-500 км пробега контроллер включает режим многофазного впрыска, увеличивая количество поступающего в цилиндр топлива. И, наконец, главное: поверхность фильтрующего элемента покрыта тонким слоем нового катализатора, который дополнительно повышает температуру выхлопных газов до необходимых 560-600°С. Отдаленно это напоминает работу каталитической бензиновой грелки для рыболовов.

Фильтрующий элемент состоит, как правило, из керамической (карбид кремния) микропористой губки. Толщина стенок между ее каналами не превышает 0,4 мм, так что фильтрующая поверхность очень большая. Иногда эту «губку» делают из сверхтонкого стального волокна, также покрытого новым катализатором. Набивка настолько плотная, что задерживает до 80% частиц размером 20-100 нм.  
 
Новые фильтры стали активно участвовать в управлении работой двигателя. Ведь режим обогащения включается по сигналу от датчиков давления, установленных на входе и выходе фильтра. Когда разность показаний становится значительной, компьютер воспринимает это как признак закупоренности «губки» сажей. А выжигание контролируют с помощью датчика температуры. 
 
Активные фильтры уже появились на дизельных моторах «мерседес-бенцев» С- и Е-классов (рис.11), с начала 2004 года прижились в «Опеле-Вектра» (рис.10) и «Сигнум», «Рено-Вель Са-тис»

"Тойота" разработала свою, не менее эффективную систему очистки, названную DPNR (рис.13). Она одновременно обезвреживает и канцерогенные частицы сажи, и просто вредные окислы азота (о СН и СО сегодня говорить уже стыдно – пройденный этап). Главную роль играет новый микропористый керамический фильтр, покрытый слоем накапливающего азот материала и катализатором на основе платины. Во время работы двигателя на бедной смеси частицы сажи окисляются атомарным кислородом, освобождающимся при соединении NO и О₂ из выхлопных газов в процессе накопления NO₂. 
 
Периодически, когда компьютер кратковременно обогащает смесь, эти частицы окисляются кислородом, возникающим теперь уже при разложении накопленных окислов в безвредный азот.  
 
DPNR показала снижение содержания сажи и NO_x на 80% по сравнению с действующими сегодня нормами, но применима лишь для дизелей последнего поколения, работающих с системой "коммон рейл" высокого давления на топливе с пониженным содержанием серы.