15.2.1. Утворення токсичних речовин у двигунах

Джерелами викидів шкідливих речовин є вихлопні, картерні гази та пари палива.

До складу відпрацьованих газів (ВГ) входять близько 200 компонентів. Усі ці речовини, подібні по характеру впливу на організм людини чи близькі за хімічною структурою і властивостям, поділяють на наступні групи:

1. N₂, O₂, H₂O і СО₂ – нетоксичні речовини.

2. CO – окис вуглецю. Окис вуглецю утворюється у циліндрі двигуна у стадії холоднополум'яного процесу (перед початком видимого горіння). СО є проміжним продуктом розкладання альдегідів. Виділення СО сильно залежить від складу суміші.

3. Окисли азоту NО_x, що включають окис NO і двоокис NO₂ азоту. Окисли азоту утворюються у результаті термічної реакції окислювання азоту, що надійшов у циліндр із повітрям, під дією високої температури і тиску.

4. Вуглеводні C_nH_m (або СН): алкани, алкєни, циклани й ароматичні вуглеводні, в які входить канцерогенна речовина – бензо(α)пирен. У двигуні бенз(α)пирен починає утворюватися при температурі 400°С. Збідніння пальної суміші приводить до деякого зниження викидів вуглеводнів, однак при цьому підвищується кількість окислів азоту. Структурна формула бенз(α)пирену -

5. Альдегіди – (R-CH=O).

6. Тверді частки – сажа (С). Виділення сажі характерне для дизельних двигунів. Шкідливість сажі полягає в тому, що вона здатна адсорбувати канцерогенні речовини, що містяться в відпрацьованих газах. Крім того, неприємну дію на людину робить димність і запах ВГ з великою кількістю сажі.

7. Антидетонаційні добавки в паливі у виді тетраетилсвинцю приводять до викидів з'єднань свинцю.

8. І дизелі, і бензинові двигуни викидають в атмосферу досить велику кількість диоксиду сірки SO₂.

Вміст компонентів у відпрацьованих газах ДВЗ у % наведений у таблиці

Збіднення пальної суміші приводить до деякого зниження викидів вуглеводнів та окису вуглецю, однак при цьому підвищується кількість окислів азоту. Детонаційне горіння сприяє утворенню альдегідів і канцерогенних ароматичних вуглеводнів.

Дизелі виділяють меншу кількість окису вуглецю порівняно з бензиновими двигунами, однак при збільшенні навантаження концентрація СО усе-таки зростає. Трохи менше в них і викиди NO_x і C_nH_m. У той же час у камерах згоряння відбувається піроліз палива з утворенням вуглецю у виді сажі. Зі збільшенням навантаження і збагаченням суміші кількість сажі у вихлопних газах зростає. У процесі самозапалювання утворяться також альдегіди, що також викидаються з ВГ.

Головним техногенним джерелом забруднення атмосфери в усьому світі є транспортні засоби, причому більш 80% основних викидів у великих містах дає автомобільний транспорт. Автомобільні двигуни внутрішнього згоряння забруднюють атмосферу шкідливими речовинами, що викидаються з вихлопними газами, картерними газами і паливними випарами. При цьому 95÷99% шкідливих викидів приходиться на вихлопні гази, що представляють собою аерозоль зі складом, який залежить від режиму роботи двигуна і складу суміші.

Основними шкідливими речовинами вважають СО, NO_x і C_nH_m, а у дизелів – ще і сажа.

Характеристики токсичності, як правило, визначають як залежність вмісту шкідливих речовин у відпрацьованих газах від регулювального параметра при постійних значеннях інших параметрів (частота обертання, положення органа управління подачею палива та ін.), які можуть вплинути на вміст шкідливих речовин.

На рис. 15.7 показана характеристика токсичності бензинового двигуна залежно від складу суміші. Як видно з графіків, вміст оксиду вуглецю СО зменшується при збідненні суміші (підвищенні α). При цьому зменшується і вміст вуглеводнів С_пН_т, однак на відміну від СО вуглеводні досягають мінімуму при α ~ 1,05 , а потім зростають. Оксиди азоту NО_Х, навпаки, досягають максимуму при цих значеннях α, а при збагаченні суміші різко зменшуються.

Рисунок 15.7. Характеристика токсичності бензинового двигуна

Для дизелів склад паливоповітряної. суміші залежить від зовнішнього навантаження, оскільки в цих двигунах використовується якісне регулювання потужності. Тому, як правило, характеристики токсичності дизелів зображують залежно від навантаження.

На рис. 15.8 показана характеристика токсичності дизеля. Збільшення СО і С_пН_т в режимі холостого ходу пояснюється погіршенням сумішоутворення, при великих навантаженнях - збагаченням паливоповітряної суміші.

Вміст оксидів азоту NО_Х із збільшенням навантаження зростає внаслідок підвищення температури в циліндрі при достатній кількості кисню. При навантаженнях, близьких до повного, інтенсивність зростання NО_Х сповільнюється внаслідок зменшення вмісту кисню. Димність відпрацьованих газів Д майже до 70% повного навантаження змінюється незначно, а потім настає різкий її ріст внаслідок малих значень і надміру повітря α.

Рисунок 15.8. Характеристика токсичності дизеля