Оксиды азота в ог

Известно, что оксиды азота являются одними из главных вредных выбросов дизелей, по массе выброса уступая только ( сравнительно безвредной ) двуокиси углерода СО₂, а по показателю опасности - бенз()пирену, который практически не содержится в выбросе дизельного двигателя .

Известно, что NO_x образуются в зонах камеры сгорания с высокой температурой, имеющей место в фазе кинетического и диффузионного сгорания. Наиболее высокая температура возникает в локальных зонах при кинетическом горении, когда вероятность возникновения этих зон наиболее высокая. Поэтому при большей жесткости процесса наблюдается повышенная концентрация оксидов азота в ОГ дизеля. В выбросах дизелей, у которых температура и давление в зоне сгорания выше, чем в котельных установках, количество оксидов азота значительно больше. Скорость образования оксидов азота зависит от параметров рабочего тела в цилиндре дизеля. Например, чем выше скорость образования NO_x и больше время на их образование, тем больше содержание NO_x в ОГ, что характерно для тихоходных и среднеоборотных СДВС. Поэтому уровень предельных выбросов _х зависит во многом также от частоты вращения двигателя. Это означает, что низкооборотные двигатели могут выработать больше _х, чем среднеоборотные или высокооборотные двигатели.

Макрочастицы и дымность ог дизелей

Макрочастицы. В соответствии со стандартом ISO 8178 под макрочастицами понимается любой материал, собранный на специальном фильтре при температуре менее 52С (Hot Filter Method) .

Имеется прямая взаимосвязь между содержанием частиц в воздухе и количеством больных людей. В Англии рекомендовано, чтобы концентрация частиц PM₁₀ (диаметр 10-30 мкм) была лимитирована величиной 50 мг/м³. В некоторых случаях пиковая концентрация частиц может достигать 200 мг/м³. Макрочастицы образованы органическими и неорганическими материалами (SO₂), сажей (Soot), минералами и тяжелыми металлами.

Дымность определяется, как видимые фракции потока выпускных газов. Черный дым, в основном, состоит из частиц углерода (сажи), голубой - результат неполного сгорания топлива и масла, белый - ассоциируется с водой, имеющейся в топливе. В Англии правилами 1958 г. установлены лимиты выделения черного дыма, например, не более 3 мин в любой период работы, продолжительностью 30 мин.

Результаты проведенных исследований на среднеоборотных 4-х тактных дизелях, работающих на жидком и газовом топливе и низкооборотных 2-х тактных дизелях, работающих на жидком топливе показывают следующее: общее содержание твердых частиц в ОГ среднеоборотных 4-х тактных дизелей, работающих на жидком топливе с содержанием серы около 3% лежит в пределах 6.4 - 10.5 кг/т топлива или 1.5 - 3.3 г/кВтч и зависит от режима работы дизеля.

Очевидно, что при отсутствии серы в топливе основная доля твердых выбросов (до 80%) будет определяться углеводородными фракциями несгоревшего топлива и сажистыми частицами.

Измерение дымности производится известными методами:

- BOSCH, когда газ пропускается через фильтр и измеряется величина его затемнения в единицах от 0 до 10.

• оптическими методами.

Процессы выгорания и образования сажистых частиц исследовались в ряде работ. Показано, что основной причиной образования сажи является наличие в камере сгорания высокотемпературных и переобогащенных зон и их взаимодействие. Появление таких зон характерно для диффузионного сгорания. Начало образования сажи и начало процесса сгорания практически совпадают. Образование сажи и выгорание сажистых частиц происходит одновременно, однако превалирующее влияние процесса выгорания сажи над ее образованием наступает в фазе диффузионного сгорания. Соотношение скоростей обоих процессов зависит от степени насыщения системы образующимися зародышами сажи, по мере увеличения поверхности которых увеличивается объем и поверхность сажи. Основное образование сажи происходит при температуре больше 1500К. При Т<1500К образование сажистых частиц происходит по низкотемпературному механизму, когда сложный углеводород предварительно разлагается на простые, низкомолекулярные углеводороды, являющиеся физическими зародышами. Наибольшую долю сажи составляют сажистые частицы со средним диаметром 0.025-0.035 мкм, при удельной поверхности < 100 м²/гр.

Опытным путем установлено, что при увеличении первого максимума тепловыделения и снижении второго максимума происходит снижение концентрации сажи.

Нормирование вредных выбросов дизелей: обзор существующих и перспективных норм на вредные выбросы

В последние годы в связи с ужесточением требований, предъявляемых к выбросам тепловых двигателей в разных странах, ассоциацией европейских изготовителей (ЕВРОМОТ), государственными органами США, Финляндии и Японии сделаны предложения по определению общих предельных значений эмиссии оксидов азота. Крупные дизелестроительные компании и некоторые владельцы судов также предложили установить единый предельный уровень оксидов азота, не зависящий от типа дизеля.

Нормирование NOx. В качестве примера нормирования приведены требования Департамента воздушных ресурсов Калифорнии и, для сравнения, Российские нормы на эмиссию NO_x. Однако, в настоящее время установление норм на NО_x в зависимости от частоты вращения нашло большее признание. Судовые дизели выдают 7% мировых выбросов _х, в связи с чем ИМО объявила о снижении этих выбросов на 30% (для судов, работающих на международных линиях) к 2000 году. Структурным подразделением ИМО, к принятой в 1973 году Международной конвенцией по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ), в 1997 году было принято добавление - приложение VI, под названием «Правила предотвращения загрязнения воздушной среды с судов»

Согласно этим требованиям в 2000 году нормы по токсичности ОГ будут ужесточены. В частности, содержание NO_x в ОГ предстоит сократить до 40 г/м³ (до 9-17 г/кВтч), причем нормирование удельных выбросов NO_x ставится в зависимость от частоты вращения КВ двигателя, SO₂ - до 6 г/кВтч (для моторного топлива), CO - до 56 г/м³, НС - до 2 г/м³, содержание дымности до 0.15 г/м³.

Требования к судовым двигателям Департамента воздушных

ресурсов Калифорнии и Российские нормы на эмиссию NO_x

Судно	Двигатели	Предельный выброс (США) NОx, г/кВтч	Предельный выброс (Россия, ГОСТ 24585-81) NОx, г/кВтч
Новые суда	главные	2	29 (be<214г/кВтч)
Новые суда	вспомогательные	10	11 (be>268 г/кВтч)
Старые суда	главные	10	-
Старые суда	вспомогательные	12	-

На рисунке представлены нормы на NO_x в зависимости от частоты вращения, разработанные ИМО (МАРПОЛ), а также перспективные нормы на выбросы NO_x и предлагаемые пути выполнения этих норм.

В настоящее время выбросы вредных веществ (окиси углерода и окиси азота) для дизелей в РФ нормируются в соответствии с ГОСТ 24585-81. Нормы выбросов этих веществ в зависимости от среднего эффективного давления и удельного расхода топлива при номинальной мощности приведены в табл.

Нормы выбросов вредных веществ (ГОСТ 24585-81)

			Нормы выбросов, не более
Среднее эффективное давление дизеля, pme, МПа	Удельный эффективный расход топлива по ГОСТ 4393-82 be, г/(кВтч)	eNOx г/кВтч		eСO г/кВтч	e’NOx г/кг	e’СО г/кг
 0.3 > 0.3 > 0.3 > 0.3 > 0.3 > 0.3 > 0.3	- < 214 214 - 226 226 - 238 238 - 252 252 - 268 > 268	- 29 25 21 17 14 11		- 10 10 10 10 10 10	120 - - - - - -	50 - - - - - -

Однако, в ближайшее время для дизелей в России будут вводиться гораздо более жесткие требования (см. ниже).Можно отметить, что перспективные отечественные и зарубежные нормы значительно более требовательны (до 3 раз), чем существующие в настоящее время, что оставляет большое поле деятельности по снижению вредных выбросов дизелей и определяет высокую актуальность данной проблемы.