Захаров Е.А., Шумский С.Н. Экологические проблемы автомобильного транспорта

Подождите немного. Документ загружается.

давления во впускном трубопроводе, что затрудняет испарение топлива.

Топливная пленка, увлекаемая потоком воздуха, движется по стенкам впу-

скного трубопровода со скоростями на 1–2 порядка меньшими, чем пары

топлива и воздух. Поэтому, осевшее на стенки топливо поступает в цилин-

дры двигателя с запаздыванием во времени, смесь обедняется и может

ока-

заться за пределами воспламеняемости. Для борьбы с этим явлением в

карбюраторах используется насос-ускоритель. Проблема смесеобразования

на разгонах в значительной степени снимается при использовании систем

питания с распределенным впрыском топлива.

3. Нарушение регулировок и сбои в работе систем зажигания и пита-

ния. При карбюраторном питании увеличенный уровень топлива в поплав-

ковой камере, неправильная регулировка системы холостого хода, негерме-

тичность клапана экономайзера приводят к увеличению выбросов CO и

на 60…70%. Установлено, что 5% пропусков воспламенения в одном

из цилиндров четырехцилиндрового двигателя проводит к увеличению вы-

бросов C

вдвое.

4. Наличие в топливе примесей и присадок.

5. Наличие в камере сгорания пристеночных зон и «защемленных»

объемов способствует образованию C

6. Высокие температуры цикла (> 2000 К) приводят к образова-

нию NO

1.4. Физико-химические основы образования токсичных компонентов

Оксид углерода (CO) образуется во время сгорания при недостатке

окислителя (α < 1), в ходе холоднопламенных реакций в дизелях, а также

при диссоциации CO

В двигателях с искровым зажиганием основное влияние на образование

CO оказывает состав смеси: чем она богаче, тем выше концентрация CO.

Недостатки смесеобразования приводят к тому, что даже при сгора-

нии смеси со значительным избытком окислителя, содержание CO в ОГ

ДВС не равно нулю.

Углеводороды (C

) состоят из исходных или распавшихся молекул

топлива и масла, которые не принимали участия в сгорании. Основная

причина образования C

– гашение пламени в пристеночных слоях и

«защемленных» объемах, находящихся в вытеснителях и в зазоре между

поршнем и цилиндром над верхним компрессионным кольцом. Вблизи от-

носительно холодных стенок камеры сгорания из-за высокой теплоотдачи

пламя гаснет.

Толщина пристеночных слоев гашения пламени зависит от состава

смеси, интенсивности движения заряда и других факторов

. В среднем она

лежит в пределах 1 мм. Несгоревшее топливо оседает на стенки камеры

сгорания, образуя тонкую пленку, которая на такте «выпуск» снимается

поршневыми кольцами и вместе с ОГ удаляется в выпускную систему

(рис.1.1).

зона образования

Рис. 1.1. Образование C

Вторая причина образования C

– химическая неполнота сгорания

топлива при недостатке окислителя.

Углеводороды образуются также при пропусках воспламенения, из-за

негерметичности выпускного клапана и системы вентиляции картера. Часть

углеводородов попадает в атмосферу вследствие испарения бензина в топ-

ливном баке и карбюраторе.

В ОГ ДВС содержится свыше двухсот различных индивидуальных

углеводородов. Особое значение имеет выбросы бензола, толуола, поли-

циклических ароматических

углеводородов (ПАУ) и, в первую очередь,

бенз-а-пирена C

. Эта группа высокотоксичных веществ образуется в

результате пиролиза (разложения) легких и средних фракций топлива при

температуре 600…700 К. Такие условия возникают во время рабочего хо-

да вблизи холодных поверхностей цилиндра при недостатке кислорода.

ПАУ относятся к группе канцерогенных веществ.

На содержание C

в ОГ существенно влияет форма камеры сгора-

ния, отношение площади ее стенок к объему, величина коэффициента ос-

таточных газов, турбулентность заряда, состав смеси, работа системы за-

жигания, эффективность дожигания ОГ в выпускной системе.

Сажа (C) – это частицы твердого углерода размером 0,4…5 мкм с не-

большим (1…3% по массе) содержанием водорода. Находясь

в ОГ ДВС,

сажа адсорбирует на своей поверхности углеводороды, в том числе канце-

рогеные, и становится токсичной.

Сажа образуется в результате пиролиза (термического распада) моле-

кул топлива при высоких температурах (свыше 1500 К) в условиях сильно-

го недостатка окислителя. Формально реакция пиролиза выражается урав-

нением:

↔ nC + 1/2 mH

Содержание сажи в ОГ ДВС с искровым зажиганием незначительно.

Проблема сажи – это проблема дизелей. В цилиндре дизеля происходит

диффузионное горение гетерогенной смеси, при котором скорость горения

в основном лимитируется не скоростью химических реакций, а скоростью

смешения (диффузии) паров топлива и воздуха. В результате этого в ци-

линдре дизеля имеют место зоны с богатой, стехиометрической и бедной

смесью (рис. 2.1).

Рис. 1.2. Образование сажи

Горение начинается в областях, где состав смеси близок к стехиомет-

рическому, и температуры, соответственно, высоки. К этим высокотемпе-

ратурным областям примыкают зоны со значительным обогащением смеси

(вплоть до α = 0), здесь создаются благоприятные условия для пиролиза

c очень малым доступом кислорода. Таким образом, характер смесеобра-

зования и

сгорания в дизелях предопределяет значительно большее по

сравнению с ДВС с искровым зажиганием, образование сажи. В процессе

расширения, когда к частицам поступает кислород, значительная часть са-

жи выгорает.

Сажа – не единственное твердое вещество, содержащееся в ОГ. Дру-

гие твердые вещества образуются из содержащейся в топливе серы, аэро-

золей масла и несгоревшего

топлива. Кроме того, в ОГ могут находиться

продукты износа цилиндра. Все эти вещества получили общее название

«твердые частицы».

Оксиды азота (NO

). В ОГ ДВС может содержаться целое семейство

оксидов азота – NO, NO

, N

, которое получило общее обозначение

. Свыше 90% в этом семействе составляет оксид азота NO.

Оксид азота образуется из азота и кислорода воздуха, которые начи-

нают реагировать между собой при высоких температурах (свыше 2000 К).

Образование оксида азота описывается термической теорией, основные

положения которой сводятся к следующему.

1. Окисление азота происходит за фронтом пламени в зоне продуктов

сгорания, где

температура максимальна.

2. Выход оксида азота определяется концентрацией азота и кислорода

в продуктах сгорания и не зависит от химической природы топлива, участ-

вующего в реакции.

3. Окисления азота происходит по цепному механизму:

+ O ↔ NO + N – 316 кДж/кмоль,

N + O

↔ NO + O + 136 кДж/кмоль.

Определяющей является первая реакция, скорость которой зависит от

концентрации атомарного кислорода.

4. Выход оксида азота зависит от скорости охлаждения продуктов

сгорания. Установлено, что при α > 1 в процессе расширения, когда темпе-

ратура газов в цилиндре уменьшается, концентрация оксида азота не сни-

жается до равновесной, а остается на

уровне максимальной, т. е. имеет ме-

сто так называемая «закалка». При работе двигателя с искровым зажигани-

ем при α < 1 «закалка» не наблюдается.

5. В бедных смесях выход NO определяется максимальной температу-

рой реакции. В богатых смесях выход NO перестает зависеть от нее и оп-

ределяется кинетикой разложения образовавшихся оксидов азота.

Концентрация NO не превышает равновесной при максимальной

температуре пламени.

7. Махе-эффект заметно влияет на выход NO при горении бедных

смесей и слабо при горении богатых. (Примечание: продукты сгорания

первых порций смеси, расположенных вблизи свечи зажигания, подверга-

ются адиабатному сжатию в результате повышения давления при сгора-

нии остальной массы смеси. Вследствие этого в начальной зоне горения

имеют

место повышенные температуры по сравнению с их значениями в

остальной массе заряда. Это различие температур в камере сгорания

двигателя с искровым зажиганием называется Махе- эффектом).

Вне цилиндра двигателя (в выпускной системе и в атмосфере) NO

окисляется до NO

, токсичность которого значительно больше.

Рассмотрим влияние состава смеси на выход CO, C

и NO

(рис. 1.3).

0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2

1,3

400

800

1200

1600

2000

2400

1000

800

600

400

200

млн

-1

CO,

млн

-1

Рис. 1.3. Влияние состава смеси на токсичность ОГ ДВС с искровым зажиганием

Работа ДВС на обогащенной смеси сопровождается высокой концен-

трацией в ОГ продуктов неполного сгорания CO и C

, что объясняется

нехваткой кислорода для полного окисления топлива. По мере обеднения

смеси концентрация CO непрерывно уменьшается и при α > 1 обычно не

превышает 0,5%.

Обеднение смеси свыше так называемого предела эффективного

обеднения (для бензиновых двигателей ВАЗ по внешней скоростной ха-

рактеристике он составляет примерно α = 1,1…1,15) сопровождается зна-

чительным увеличением выбросов C

. Это объясняется увеличением

толщины пристеночных слоев гашения пламени, возрастающей межцикло-

вой нестабильностью процесса сгорания и возможным появлением циклов

с пропусками воспламенения.

Максимум выбросов NO

отмечается при α = 1,05…1,1. При этом со-

ставе смеси температура сгорания еще достаточно высока, а в продуктах

сгорания уже имеется свободный кислород. При сгорании более бедных

смесей образование оксидов азота сдерживается невысокими температу-

рами, а при сжигании более богатых – недостатком окислителя.

Вместе с тем, область α = 1,05…1,1 соответствует, как правило, ми-

нимальным

значениям удельного эффективного расхода топлива, т. е. ре-

жиму наибольшей экономичности.

Из рис. 1.3 следует, что весьма привлекательной с точки зрения сни-

жения токсичности является область очень бедных смесей (при α > 1,2).

Выбросы CO и NO

здесь малы, выбросы C

можно уменьшить, напри-

мер, с помощью недорогого термического нейтрализатора. Однако органи-

зация рабочего процесса ДВС при таких составах смеси весьма сложна.

Состав ОГ ДВС зависит от типа двигателя (дизель или двигатель с ис-

кровым зажиганием), вида топлива, присадок и масел, от режима работы

двигателя, его технического состояния, условий движения автомобиля

других факторов.

Типичное содержание различных веществ в ОГ бензиновых и дизель-

ных ДВС представлено в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Состав отработавших газов ДВС

Компонент Ед. измер.

ДВС

с искровым

зажиганием

Дизель Примечание

O (пары)

% об.

74÷77

0,3÷8

3,0÷5,5

5÷12

76÷78

2÷18

0,5÷9

1÷12

не токсичны

Сажа

Альдегиды

Бенз-а-пирен

Оксиды серы

% об.

млн

-1

млн

-1

мг/м

% об.

мг/м

0,1÷8,0

200÷ 4000

500÷5000

0÷100

0÷0,2

10÷20

до 0,003

0,01÷0,5

100÷500

500÷3000

0÷20000

0,001÷0,009

до 10

до 0,015

токсичны

2. ТОКСИЧНОСТЬ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВС.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ НА ОРГАНИЗМ

ЧЕЛОВЕКА И ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Термин токсичность означает ядовитость, способность некоторых

химических веществ оказывать вредное влияние на растения, животных и

человека, поражать их.

Токсичными компонентами ОГ являются оксид углерода CO, оксиды

азота NO

, углеводороды C

, альдегиды. К разряду токсичных может

быть условно отнесена сажа, которая, строго говоря, таковой не является,

но в составе ОГ ДВС несет на своей поверхности токсичные вещества, в

частности канцерогены.

Оксид углерода СO. Воздействует на нервную и сердечно-

сосудистую системы, вызывает удушье (соединяется с гемоглобином кро-

ви и затрудняет перенос

кислорода к тканям). Оксид углерода – газ без

цвета и запаха, что делает его особенно опасным. Первичные симптомы

отравления оксидом углерода (появление головных болей) возникает при

концентрациях СО 200 мг/м

при длительности воздействия в течение 2…3

часов. При несколько больших концентрациях СО появляется ощущение

пульса в висках, головокружение. На последующей стадии отравления

возникает сонливость, приводящая к потере сознания. При наличии в воз-

духе оксидов азота, токсичность СО возрастает.

Особое внимание следует обратить на явление хронического отравле-

ния небольшими дозами оксида углерода,

которое может происходить при

его объёмной концентрации порядка 0,01%. Отравлению такого рода под-

вержены водители и работники ДПС. Хроническое отравление выражается

в появлении частых головных болей, шума в ушах, затрудненном дыхании

и общей депрессии.

Содержание СО в ОГ ДВС с искровым зажиганием максимально на

холостом ходу. Поэтому следует проявить особое внимание при

запуске

двигателя в закрытых помещениях. При отсутствии вентиляции смертель-

ная концентрация СО может возникнуть уже через несколько минут после

начала работы ДВС. Находиться длительное время в салоне автомобиля,

двигатель которого работает на холостом ходу, также опасно.

Оксиды азота NO

(NO, NO

, N

). Основной выбрасываемый

оксид NO не имеет цвета и запаха, очень ядовит, раздражающе действует

на органы дыхания человека. Особенно опасны оксиды азота в городах, где

они, взаимодействуя с углеводородами отработавших газов автомобилей

под действием солнечного света, образуют фотооксиданты, токсичность

которых в несколько раз превосходит токсичность исходных компонентов.

При определенных погодных условиях

может возникнуть фотохимический

туман – смог. Отравление оксидами азота начинается легким кашлем. При

повышении концентрации NO

возникает сильный кашель, рвота, иногда

головная боль. При контакте оксидов азота с влажной поверхностью лег-

ких образуется азотная кислота, которая разрушает легочную ткань, что

приводит к хроническим заболеваниям. Раздражаются также дыхательные

пути и слизистые оболочки глаз. При значительных концентрациях NO

симптомы отравления могут усилиться даже после удаления пострадавше-

го из отравленной зоны вплоть до состояния, угрожающего жизни.

В атмосфере NO окисляется до NO

, представляющий собой газ

красновато-бурового цвета, по токсичности превосходящий NO и обла-

дающий удушливым запахом.

Углеводороды C

имеют специфический неприятный запах, обла-

дают наркотическим действием. В малых концентрациях снижают актив-

ность, вызывают головную боль, головокружение. Например, при вдыха-

нии паров бензина в течение 8 часов в концентрации около 600 мг/м

воз-

никают головные боли, кашель, неприятные ощущения в горле.

Особую опасность представляет собой канцерогенные вещества – не-

посредственный контакт с ними живой ткани может привести к возникно-

вению злокачественной опухоли. Наиболее опасно попадание этих ве-

ществ в органы дыхания. Из организма канцерогены не выводятся. Канце-

рогеном, содержащимся в ОГ ДВС является бенз

-а-пирен С

Альдегиды (главным образом формальдегид Н

С=О и акролеин

СН

=СН–СН–О). Образуются в тот период, когда процесс окисления топ-

лива протекает при низких температурах (при пуске двигателя, в присте-

ночных слоях, в дизелях – в ходе так называемых предпламенных реакций,

протекающих в период подготовки топливовоздушной смеси к сгоранию).

Оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки глаз и

дыхательные пути. Запах

формальдегида отмечается при концентрации

0,2 мг/м

, а при концентрации 20…70 мг/м

появляется головная боль,

слабость, потеря аппетита, бессонница, сильное раздражение слизистых

оболочек.

Свинец, сера и их соединения. Если в бензине содержится свинец,

то примерно 50…70% его выходит в атмосферу в форме свинцовых солей,