§ 3.3. Утворення токсичних речовин у двигунах

Джерелами викидів шкідливих речовин є вихлопні, картерні гази і 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. ВиділенняСО 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 — бенз(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.

5. Альдегіди.

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.

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 С.

§ 3.4. Засоби і системи зниження токсичності

Повністю уникнути вмісту шкідливих речовин у ВГ неможливо. Тому для зменшення викидів застосовують спеціальні заходи:

1. Шкідливі компоненти ВГ у випускній системі двигуна нейтралізують спеціальними пристроями — нейтралізаторами. Для нейтралізації необхідно забезпечити перебіг як окислювальних реакцій — для окислення продуктів неповного згоряння палива СО і C_nH_m до продуктів повного згоряння СО₂ і H₂O, так і відновлювальних реакцій — для розкладання оксидів азоту NO_x у вихідні речовини O₂ і N₂.Для очищення ВГ дизеля від сажі застосовують спеціальні пристрої-уловлювачі.

2. Подавання додаткового повітря у випускний трубопровід. Для бензинових двигунів навіть під час роботи на збіднених сумішах (α = 1,05–1,1) характерна низька концентрація вільного кисню у ВГ, а за роботи двигуна на збагачених сумішах (з коефіцієнтом надміру повітря α < 1) вільний кисень майже відсутній. Для нейтралізації СО і C_nH_m необхідно у впускну трубу подати додаткову кількість повітря, щоб сумарний коефіцієнт надлишку повітря був не меншим за α = 1,05. В результаті за високої температури (700°С) відбувається реакція окислення. Такі системи практично не впливають на вміст оксидів азоту у ВГ. Найпоширенішим типом пристроїв подавання повітря є нагнітач ротаційного типу з приводом від колінчастого валу. Найпростішим пристроєм, який з достатньою точністю дозує подавання додаткового повітря на усіх режимах роботи двигуна, є ежектор.

3. Рециркуляція відпрацьованих газів бензинових двигунів і дизелів. Зниження концентрації NO_x досягається зменшенням максимальної температури, чого можна досягти застосуванням рециркуляції ВГ. Суть процесу рециркуляції полягає у відборі частини ВГ із випускної труби і подаванні їх до свіжої суміші. Цей метод зменшення токсичності застосовують як в бензинових двигунах, так і у дизелях.

4. Використання альтернативних палив.

5. Удосконалення процесів сумішоутворення і згоряння.

Останні два типи заходів вже були розглянуті у попередніх темах.