Токсичность ог

Рассмотренная выше методика расчета состава продуктов сгорания предполагает, что в результате сгорания рабочее тело содержит лишь продукты полного окисления углеводородов – СО₂, Н₂О и присутствующий в воздухе N₂. При сжигании обогащенных смесей состав дополняется окисью углерода СО. В действительности продукты сгорания содержат еще и опасные для здоровья человека и для окружающей среды токсичные вещества такие как окись углерода СО (даже при сжигании обедненных смесей), несгоревшие углеводороды СН, оксиды азота NO_x, а также твердые частицы (в основном частицы углерода).

Возникновение токсичных веществ в условиях цилиндра двигателя связано в первую очередь с составом используемых горючих смесей (α) и, как следствие, температурой их горения. При применении обогащенных смесей возрастают выбросы продуктов неполного сгорания СО и СН, при обеднении смесей до значений α около 1,1 заметно возрастают выбросы NO_x. Дальнейшее обеднение ведет к значительному сокращению образования токсичных веществ, однако при переобеднении растет образование продуктов неполного сгорания СН

В связи с тем, что дизели используют довольно бедные горючие смеси, а в двигателях с принудительным воспламенением смеси близки к стехиометрическим, количество токсичных выбросов и их структура у этих типов двигателей различаются. Общее количество токсичных компонентов в ОГ двигателей с искровым зажиганием примерно в 5 раз выше чем у дизелей, хотя содержание окислов азота примерно одинаково. Особенностью бензиновых двигателей является относительно высокое содержание в ОГ оксида углерода СО, в выбросах дизелей в том или ином количестве присутствует свободный углерод (сажа).

Рассмотрим причины образования токсичных компонентов ОГ.

При использовании обогащенных смесей СО образуется в связи с недостатком кислорода. В этих смесях при горении идут конкурирующие реакции окисления водорода и углерода, в результате в продуктах сгорания появляются и водород, и окись углерода. В многоцилиндровых двигателях даже при применении в среднем стехиометрических или обедненных смесей СО может образовываться вследствие неравномерности распределения топлива по цилиндрам. При обеднении смеси и приближении ее состава к пределу воспламеняемости процесс сгорания замедляется и небольшая часть окиси углерода, являясь промежуточным продуктом окисления углерода, может не успеть окислиться в процессе расширения, т.к. те6мпература может успеть снизиться до значений, при которых эта химическая реакция уже не протекает («закалка состава»).

Несгоревшие углеводороды являются продуктами пиролиза и неполного сгорания топлив. В бензиновых двигателях они образуются вследствие гашения пламени при приближении его к стенке, Толщина погасающего слоя 0,2 – 1 мм. Кроме того, гашение пламени происходит в зазорах и щелях вследствие охлаждения горючей смеси. В процессе расширения часть погасшей смеси нагревается продуктами сгорания и сгорает, другая часть не успевает сгореть в связи со снижением температуры среды в процессе расширения. Образованию СН способствует, также, использование переобедненных смесей, скорость распространения пламени в которых столь низка, что фронт пламени не успевает охватить весь объем камеры сгорания до прекращения горения вследствие снижения температуры и давления при расширении. Значительное количество углеводородов выбрасывается в период холодного пуска.

В дизелях неполное сгорание топлива происходит вследствие низкого качества смесеобразования (распыливание и перемешивание), попадания части капель топлива на поверхности КС с невысокой температурой, наличия подтекания из форсунок в период посадки запорной иглы и подвпрысков. Впериод холодного пуска также наблюдается повышенный выброс углеводородов. Обычно концентрация СН в ОГ дизелей невелика и не ограничивается нормами.

Твердые частицы состоят на 95% из углерода и других органических соединений и на 5% из частичек золы. Выделение частичек углерода в результате пиролиза топлива при высокой температуре в зонах с обогащенной смесью, например, в ядре факела распыливания. Выделившийся при пиролизе углерод образует частички размером от 0,01 мкм до 10,0 мкм и покидает цилиндр вместе с ОГ.

Окисление азота происходит при высоких температурах, наиболее заметно окисление происходит при температурах выше 2000К. В бензиновых двигателях образование окисла азота происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания, где достигаются повышенные температуры. В дизелях окисление азота происходит в отдельных зонах камеры сгорания, в которых образовалась горючая смесь состава, обеспечивающего высокую температуру горения в течение достаточного для протекания химической реакции отрезка времени.

Выбросы токсичных веществ двигателями внутреннего сгорания нормируются, существуют нормы выбросов и стандартные методики контроля их выполнения.

Из рассмотрения механизма образования токсичных компонентов ОГ ДВС можно сформулировать пути их снижения.

1. Улучшение качества смесеобразования. Для бензиновых двигателей это отказ от карбюратора и применение распределенного впрыска, в т.ч. непосредственный впрыск. В дизелях улучшения можно достичь применением современной топливной аппаратуры и соответствующей камеры сгорания. (СО, СН)

2. Снижение в бензиновых двигателях степени сжатия с целью снижения максимальной температуры цикла. (окислы азота)

3. С той же целью применять рециркуляцию ОГ на частичных режимах.

4. Применение газообразных топлив. (СН)

5. Применение альтернативных топлив: спирты – снижение макс. темп.)

6. Установка дожигателей в системе выпуска.

7. Использование трехкомпонентных нейтрализаторов.

8. Использование сажевых фильтров.