Отработавшие газы

1 Отработавшие газы

Отработавшие  газы - смесь газов с примесью взвешенных частиц, образовавшихся в  результате сгорания моторного топлива (проект федерального закона "Об обеспечении  экологической безопасности автомобильного транспорта"). В состав отработавших газов входят оксиды углерода, азота, серы, углеводороды, сажа и другие вещества. Количественный состав отработавших газов  зависит от вида топлива.

2 Состав отработавших газов

В таблице 1 представлены состав выхлопных газов автомобилей с бензиновым и дизельными двигателями.

Таблица 1 - Состав автомобильных выхлопных газов

Как видно из таблицы 1 при работе дизельных двигателей выделяется меньше выхлопных газов. При работе двигателя на этилированном бензине в составе выхлопных газов присутствует свинец, а у двигателей, работающих на дизельном топливе – сажа. 

Оксид углерода (CO – угарный газ). Прозрачный, не имеющий запаха ядовитый газ, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Оксид углерода – продукт неполного сгорания топлива, на воздухе горит синим пламенем с образованием диоксида углерода (углекислого газа). В камере сгорания двигателя CO образуется при неудовлетворительном распыливании топлива, в результате холоднопламенных реакций, при сгорании топлива с недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода при высоких температурах. При последующем сгорании после воспламенения (после верхней мертвой точки, на такте расширения) возможно горение оксида углерода при наличии кислорода с образованием диоксида. При этом процесс выгорания CO продолжается и в выпускном трубопроводе.

Необходимо отметить, что при эксплуатации дизелей  концентрация CO в выхлопных газах  невелика (примерно 0,1 … 0,2%), поэтому, как  правило, концентрацию CO определяют для  бензиновых двигателей.

Оксиды азота (NO, NO₂, N₂O, N₂O₃, N₂O₅). Оксиды азота являются одними из наиболее токсичных компонентов отработавших газов. При нормальных атмосферных условиях азот представляет собой весьма инертный газ. При высоких давлениях и особенно температурах азот активно вступает в реакцию с кислородом. В выхлопных газах двигателей более 90% всего количества NOx составляет оксид азота NO, который еще в системы выпуска, а затем и в атмосфере легко окисляется в диоксид (NO₂). Оксиды азота раздражающе воздействуют на слизистые оболочки глаз, носа, разрушают легкие человека, так как при движении по дыхательному тракту они взаимодействуют с влагой верхних дыхательных путей, образуя азотную и азотистую кислоты. Как правило, отравление организма человека NOx проявляется не сразу, а постепенно, причем каких либо нейтрализующих средств нет. Закись азота (N₂O – гемиоксид, веселящий газ) – газ с приятным запахом, хорошо растворим в воде. Обладает наркотическим действием. NO₂ (диоксид) – бледно-желтая жидкость, участвующая в образовании смога. Диоксид азота используется в качестве окислителя в ракетном топливе. Считается, что для организма человека оксиды азота примерно в 10 раз опаснее CO, а при учете вторичных превращений – в 40 раз. Оксиды азота представляют опасность для листьев растений. Установлено, что их непосредственное токсичное влияние на растения проявляется при концентрации NOx в воздухе в пределах 0,5…6,0 мг/м³. Азотная кислота вызывает сильную коррозию углеродистых сталей. На величину выброса оксидов азота оказывает значительное влияние температура в камере сгорания. Так, при повышении температуры от 2500 до 2700 К скорость реакции увеличивается в 2,6 раза, а при уменьшении от 2500 до 2300 К – уменьшается в 8 раз, т.е. чем выше температура, тем выше концентрация NOx. Ранний впрыск топлива или высокие давления сжатия в камере сгорания также способствуют образованию NOx. Чем выше концентрация кислорода, тем выше концентрация оксидов азота. 

Углеводороды (CnHm – этан, метан, этилен, бензол, пропан, ацетилен и др.) Углеводороды – органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода, являются токсичными веществами. В выхлопных газах содержится более 200 различных CH, которые делятся на алифатические (с открытой или закрытой цепью) и содержащие бензольное или ароматическое кольцо. Ароматические углеводороды содержат в молекуле один или несколько циклов из 6 атомов углерода, соединенных между собой простыми или двойными связями (бензол, нафталин, антрацен и др.). Имеют приятный запах. Наличие CH в отработавших газах двигателей объясняется тем, что смесь в камере сгорания является неоднородной, поэтому у стенок, в переобогащенных зонах, происходит гашение пламени и обрыв цепных реакций. Не полностью сгоревшие CH, выбрасываемые с выхлопными газами и представляющие собой смесь нескольких сотен химических соединений, имеют неприятный запах. CH являются причиной многих хронических заболеваний. Токсичны также и пары бензина, которые являются углеводородами. Допустимая среднесуточная концентрация паров бензина составляет 1,5 мг/м³. Содержание CH в выхлопных газах возрастает при дросселировании, при работе двигателя на режимах принудительного холостого хода. При работе двигателя на указанных режимах ухудшается процесс смесеобразования (перемешивания топливовоздушного заряда), уменьшается скорость сгорания, ухудшается воспламенение и, как результат, - возникают его частые пропуски. Выделение CH вызывается неполным сгоранием вблизи холодных стенок, если до конца сгорания остаются места с сильным локальным недостатком воздуха, недостаточным распыливанием топлива, при неудовлетворительном завихрении воздушного заряда и низких температурах (например, режим холостого хода). Углеводороды образуются в переобогащенных зонах, где ограничен доступ кислорода, а также вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания. Они играют активную роль в образовании биологически активных веществ, вызывающих раздражение глаз, горла, носа и их заболевание, и наносящих ущерб растительному и животному миру. Углеводородные соединения оказывают наркотическое действие на центральную нервную систему, могут являться причиной хронических заболеваний, а некоторые ароматические CH обладают отравляющими свойствами. Углеводороды (олефины) и оксиды азота при определенных метеорологических условиях активно способствуют образованию смога. 

Смог. Смог (Smog, от smoke – дым и fog - туман) – ядовитый туман, образуемый в нижнем слое атмосферы, загрязненном вредными веществами от промышленных предприятий, выхлопными газами от автотранспорта и теплопроизводящих установок при неблагоприятных погодных условиях. Он представляет собой аэрозоль, состоящую из дыма, тумана, пыли, частичек сажи, капелек жидкости (во влажной атмосфере). Возникает в атмосфере промышленных городов при определенных метеорологических условиях. Поступающие в атмосферу вредные газы вступают в реакцию между собой и образуют новые, в том числе и токсичные соединения. В атмосфере при этом происходят реакции фотосинтеза, окисления, восстановления, полимеризации, конденсации, катализа и т.д. В результате сложных фотохимических процессов, стимулируемых ультрафиолетовой радиацией Солнца, из оксидов азота, углеводородов, альдегидов и других веществ образуются фотооксиданты (окислители). Низкие концентрации NO₂ могут создать большое количество атомарного кислорода, который в свою очередь образует озон и вновь реагирует с веществами, загрязняющими атмосферный воздух. Наличие в атмосфере формальдегида, высших альдегидов и других углеводородных соединений также способствует вместе с озоном образованию новых перекисных соединений.Продукты диссоциации взаимодействуют с олефинами, образуя токсичные нитроперекисные соединения. При их концентрации более 0,2 мг/м³ наступает конденсация водяных паров в виде мельчайших капелек тумана с токсичными свойствами. Их количество зависит от сезона года, времени суток и других факторов. В жаркую сухую погоду смог наблюдается в виде желтой пелены (цвет придает присутствующий в воздухе диоксид азота NO₂ – капельки желтой жидкости).

Смог вызывает раздражение слизистых оболочек, особенно глаз, может вызвать головную боль, отеки, кровоизлияния, осложнения заболеваний дыхательных путей. Ухудшает видимость на дорогах, увеличивая тем самым количество дорожно-транспортных происшествий. Опасность смога для  жизни человека велика. Так, например, лондонский смог 1952 г. называют катастрофой, так как за 4 дня от смога погибло  около 4 тыс. человек. Наличие в атмосфере  хлористых, азотных, сернистых соединений и капелек воды способствует образованию  сильных токсичных соединений и  паров кислот, что губительно сказывается  на растениях, а также сооружениях, особенно на исторических памятниках, сложенных из известняка. Кроме того при использовании сернистых  бензинов в отходящие газы могут  входить оксиды серы, при применении этилированных бензинов — свинец (Тетраэтилсвинец), бром, хлор, их соединения. Считается, что аэрозоли галоидных соединений свинца могут подвергаться каталитическим и фотохимическим превращениям, участвуя в образовании смога.

3 Законодательное регулирование качественного состава изготавливаемого и реализуемого топлива

Качественный  состав изготавливаемого и реализуемого топлива в России контролируется стандартами на топливо, региональными  требованиями, в Европе — нормативами ЕВРО.

В России является обязанностью органов технического осмотра ГАИ периодически контролировать доли оксидов углерода и углеводородов  в выхлопе на двух частотах вращения, состояние предусмотренных систем нейтрализации на бензиновых двигателях, на газобаллонных и дымность на дизельных двигателях.

В России вводятся повышенные ставки транспортного налога на мощность двигателя автомобиля. Топливо облагается специальными акцизами. Предусмотрены нормативы на выпускаемые  автомобили. В России и европейских странах приняты стандарты ЕВРО, задающие как токсичность, так и количественные показатели. В таблице 2 приведены количественные показатели стандартов Евро-3 и Евро-4.

Таблица 2 – Количественные показатели стандартов Евро-3 и Евро-4.

4 Совершенствование конструкции камеры сгорания 

Снижение выбросов CH обеспечивается компактной камерой  сгорания, имеющей минимальную площадь  поверхности с отсутствием выемок. Центральное расположение свечи  зажигания обеспечивает короткий путь распространения пламени, позволяя получить быстрое и относительно полное сгорание рабочей смеси, что  приводит, кроме низких выбросов CH, к пониженному расходу топлива. Турбулизация рабочей смеси в  камере сгорания обеспечивает более  быстрое сгорание. Кроме создания двигателей, способных работать на обедненных смесях, оптимизация формы  камеры сгорания дает возможность снизить  концентрацию CH при λ = 1. Создания вихревого движения смеси во впускном канале и оптимизация формы камеры сгорания позволяют использовать переобедненные рабочие смеси (λ = 1,4…1,6). Такие двигатели характеризуются низкой токсичностью и очень хорошей экономичностью, они не нуждаются в каталитической очистке отработавших газов. Разработки в области снижения выбросов NOx у двигателей, работающих на переобедненных смесях, еще находятся в начальной стадии. Такие двигатели вплоть до настоящего времени с успехом применялись в Европе и Японии. Имелось только несколько моделей, использующих концепцию обедненных смесей, когда достигался компромисс между токсичностью отработавших газов и расходом топлива.

Турбулизация  рабочего заряда в цилиндре, вызванная  поступлением в него смеси через  сравнительно узкие проходные сечения  газораспределительных органов (клапаны, впускные патрубки), может быть дополнительно  усилена за счет перетекания смеси из цилиндра в камеру сгорания в конце такта сжатия. Это достигается приданием камерам сгорания соответствующей формы, при которой в некоторой части камер образуются сравнительно узкие зазоры между нижней поверхностью головки цилиндров и днищем поршня вытеснители.

Вытеснители обычно располагают так, чтобы создать  дополнительное завихрение заряда в  тех зонах, до которых фронт пламени  от свечи доходит в последнюю  очередь. Этим достигается ускоренное догорание смеси. Свечу располагают  так, чтобы не создавалась вблизи ее излишне высокая турбулизация и одновременно обеспечивалась хорошая очистка зоны свечи от остаточных газов, направляя на нее часть потока смеси, поступающей через впускной клапан.

Чем ближе  к центру камеры сгорания установлена  свеча, тем короче путь, проходимый фронтом пламени до наиболее удаленных  точек. При центральном расположении свечи достигается наибольшая поверхность  фронта пламени, в результате чего скорость тепловыделения, а соответственно и  скорость нарастания давления оказываются  выше, чем при боковом расположении свечи. Необходимо, однако, учитывать, что это относится лишь к камерам  сгорания, имеющим симметричную форму. Создание вытеснителей может больше влиять на скорость сгорания, чем местоположение свечи, следовательно, к уменьшению полезной работы цикла. В связи с этим площадь вытеснителей обычно не превышает 3040,о площади поршня.