Архив WinRAR_1 / 2 - Двигатели / 44 - основные вредные вещества

Основные вредные вещества, выделяющиеся при работе ДВС

Источниками выбросов вредных веществ являются выхлопные, картерные газы и пары топлива.

В состав отработавших газов входят около 200 компонентов. Все эти вещества, сходные по характеру воздействия на организм человека или близкие по химической структуре и свойствам, делят на 6 групп. В первую группу входят нетоксичные вещества

Состав отработавших газов двигателя.

1. N₂, O₂, H₂O, и СО₂ – нетоксичные вещества.

2. CO - окись углерода. Окись углерода образуется в цилиндре двигателя в стадии холоднопламенного процесса (перед началом видимого горения). СО является промежуточным продуктом разложения альдегидов. Выделение СО сильно зависит от состава смеси. Дизели выделяют меньшее количество окиси углерода по сравнению с карбюраторными двигателями, однако при увеличении нагрузки концентрация СО все же возрастает.

3. Окислы азота NО_x, включающие окись NO и двуокись NO₂ азота. Окислы азота образуются в результате термической реакции окисления азота, поступившего в цилиндр с воздухом, под действием высокой температуры и давления.

4. Углеводороды C_nH_m: алканы, алкены, цикланы и ароматические углеводороды, в которые входят канцерогенное вещество – бензопирен. В двигателе бензопирен начинает образовываться при температуре 400С. Обеднение горючей смеси приводит к некоторому снижению выбросов углеводородов, однако при этом повышается содержание окислов азота.

5. Альдегиды. Детонационное горение способствует образованию альдегидов и канцерогенных ароматических углеводородов.

6. Сажа. Выделение сажи характерно для дизельных двигателей. Вредность сажи заключается в том, что она способна адсорбировать содержащиеся в отработавших газах канцерогенные вещества. Кроме того, неприятное действие на человека оказывает дымность и запах отработавших газов с большим количеством сажи.

У дизелей несколько меньше выбросы NO_x, и C_nH_m. В то же время в камерах сгорания происходит пиролиз топлива с образованием углерода в виде сажи. С увеличением нагрузки и обогащением смеси количество сажи в выхлопных газах возрастает.

7. Антидетонационные добавки в топливе в виде тетраэтилсвинца приводят к выбросам соединений свинца.

8. И дизели, и бензиновые двигатели выбрасывают в атмосферу достаточно большое количество диоксида серы SO₂.

Обеднение горючей смеси приводит к некоторому снижению выбросов углеводородов, однако при этом повышается содержание окислов азота. Детонационное горение способствует образованию альдегидов и канцерогенных ароматических углеводородов. Антидетонационные добавки в топливе в виде тетраэтилсвинца приводят к выбросам соединений свинца.

Дизели выделяют меньшее количество окиси углерода по сравнению с карбюраторными двигателями, однако при увеличении нагрузки концентрация СО все же возрастает, Несколько меньше у них и выбросы NO_x, и C_nH_m. В то же время в камерах сгорания происходит пиролиз топлива с образованием углерода в виде сажи. С увеличением нагрузки и обогащением смеси количество сажи в выхлопных газах возрастает. В процессе самовоспламенения образуются также альдегиды, которые также выбрасываются с отработанными газами.

Главным техногенным источником загрязнения атмосферы во всем мире являются транспортные средства, причем более 80% основных выбросов в крупных городах дает автомобильный транспорт. Например, в Украине вклад автотранспорта в общее загрязнение воздуха составляет для Киева до 78%, для Одессы - до 62%, для Харькова - до 68%. Автомобильные двигатели внутреннего сгорания загрязняют атмосферу вредными веществами, выбрасываемыми с выхлопными газами, картерными газами и топливными испарениями. При этом 95...99% вредных выбросов приходится на выхлопные газы, представляющие собой аэрозоль сложного состава, зависящего от режима работы двигателя и состава смеси.

Еще в 1970г. в СССР утвержден стандарт (ГОСТ 16533-70) на ограничение выбросов СО с отработавшими газами на режиме холостого хода двигателя (до 4,5% СО в общем выбросе с ОГ). С 1974 года действует отраслевой стандарт (ГОСТ 37.001.054) на ограничение выброса трех компонентов: СО, СН и NО_x.

Для расчета общественного экономического эффекта от перевода транспорта на безвредный азот можно воспользоваться подходом ВНИИЭгазпрома. Экономический эффект для общества в целом от внедрения стопроцентно экологически чистого азотного автотранспорта принимается равным предотвращенному ущербу в результате снижения выбросов в атмосферу эквивалентного загрязнителя - СО. Основные виды загрязнителей других видов пересчитываются в эквивалентное количество СО в соответствии с их относительной токсичностью и перечислены в табл. 1. Пересчитанные количества затем суммируются.

Таблица 1. Состав выхлопных газов ДВС и их токсичность

Показатели	СО	СnНm	NOz	Сажа	Бенз()пирен
Пределы концентрации, мг/м3	3.0	1.5	0.04	0.05	10-6
Относительная токсичность	1.0	2.0	75	60	3106

Общий ущерб рассчитывают по формуле

Y=MyR,

где М - суммарное количество эквивалентного загрязнителя атмосферного воздуха, тыс. т;

у = $3000/(1000т х 1000чел х год) - удельный ущерб от выброса эквивалентного загрязнителя;

R - численность населения, подвергающегося воздействию загрязнителя в зоне радиусом 1 км от места выбросов, тыс. чел.

Удельное эквивалентное количество СО, выбрасываемого в городском цикле скоростной езды базовым автомобилем типа УАЗ-451М с расходом бензина 16 л/100 км, с учетом данных табл.1, составляет около 570 г/км. Принимая, что среднесуточный пробег автомобиля при городской езде равен 150 км, а в году 310 рабочих дней, получим, что годовое количество выбросов в атмосферу эквивалентного загрязнителя одним базовым автомобилем составит около 26 тонн. При этом годовой пробег автомобиля составит почти 47 тыс.км.

Численность населения, подвергающегося воздей­ствию загрязнителя в зоне радиусом 1 км от места выбросов зависит от плотности городского населения в местах эксплуатации транспортного средства. Для оценки примем, что средняя плотность населения в зоне радиусом 1 км от места выбросов составляет 20 тыс.чел./км². В этом случае оказывается, что воздействию загрязнителя подвергается до 63 тыс.чел. Таким образом, годовой ущерб от эксплуатации базового варианта автомобиля на бензине в городском цикле скоростной езды составляет Y= 4914$/год, а удельный ущерб на 1 км пробега базового автомобиля равен соответственно 10.6 цента/км

Нейтрализация выпускных газов

Снижение уровня выбросов токсичных веществ с выпускными газами двигателей можно достичь следующими способами:

1. Правильной организацией рабочего процесса, в первую очередь процессов смесеобразования и сгорания.

2. Оснащение двигателя системами нейтрализации выпускных газов.

3. Применением топлив, в продуктах сгорания которых содержится минимальное количество токсичных веществ.

Применяемые в настоящее время способы воздействия на рабочий процесс приводят зачастую к снижению мощности двигателей и увеличению расхода топлива.

В термических и каталитических нейтрализаторах происходят химические реакции, в результате чего уменьшается концентрация газовых компонентов токсичных веществ. Механические и водяные очистители применяют для очистки выпускных газов от механических частиц (сажи) и капелек масла (как правило, в стационарных двигателях).

Термический нейтрализатор представляет собой камеру сгорания, которая размещается в выпускном тракте для дожигания продуктов неполного сгорания топлива (C_nH_m и СО). Он может устанавливаться на месте выпускного трубопровода и выполнять его функции. Реакции окисления СО и C_nH_m протекают при температурах свыше 830^оС и при наличии кислорода. Термические нейтрализаторы применяют на двигателях с принудительным воспламенением. Высокая температура газов у этих двигателей обеспечивает догорание части C_nH_m и СО, концентрация которых выше, чем у дизелей. Выбросы CО и C_nH_m снижаются на 60...80%. По существу термический нейтрализатор представляет собой жаровую трубу, в которой организован процесс интенсивного вихреобразования с подачей дополнительного воздуха.

В каталитических окислительных нейтрализаторах с катализаторами из платины, родия, палладия высокая скорость окисления CO и C_nH_m обеспечивается при температурах 300...580^оС. Катализатор наносят на поверхность керамических шариков или др. тел и помещают в корпус, которым может быть даже глушитель шума выпуска. Удается окислить до 80% CO, C_nH_m и восстановить NO_x. К сожалению, применение этилированных бензинов приводит к выходу катализаторов из строя.

Для уменьшения выбросов вредных веществ с картерными газами применяют закрытые системы вентиляции картера, в которых газы, прорывающиеся из камеры сгорания, направляются во впускной трубопровод двигателя.

Снижение загрязнения окружающей среды возможно и при использовании в качестве топлива этилового или метилового спирта. Применение их в двигателях с принудительным воспламенением снижает выбросы NO_x, CO, C_nH_m. При этом несколько возрастает выброс альдегидов.