Показатели токсичных компонентов отработавших газов ДВС и методы их снижения

Образование токсичных веществ

При полном сгорании любого углеводородного топлива происходит окисление молекулы углеводорода с образованием углекислого газа С02 и воды Н20.

После окончания реального процесса сгорания в цилиндре остается определенное количество продуктов сгорания, содержащих помимо С02 и Н20 еще ряд веществ. В дальнейшем большая их часть выбрасывается в атмосферу. Токсичные вещества продуктов сгорания оказывают негативное воздействие на организм человека и окружающую среду. Основными из них являются: оксид углерода СО; различные углеводороды СН; оксиды азота N0^.; сажа С и твердые частицы; соединения, содержащие серу S. Всего выделяют 300 различных компонентов СН, выбрасываемых с ОГ, в том числе бенз-а-пирен С20Н12.

Если исходить из токсичности (степени опасности) указанных веществ, приняв токсичность 1 кг СО за единицу, то можно выстроить следующую цепочку: COiCHiNO^QC^H^ = 1:1,26:41,1:41,1:1260000. Таким образом, самым токсичным является бенз-а-пирен.

Рассмотрим механизмы образования токсичных веществ и оказываемое ими негативное воздействие.

Оксид углерода СО образуется при недостатке кислорода при окислении углерода топлива.

Содержание СО в отработавших газах (ОГ) двигателя зависит от количества кислорода, находящегося в цилиндре (состав топливовоздушной смеси), и от его распределения по камере сгорания (качество смесеобразования).

В ДсИЗ на смесеобразование отведено достаточно времени. Оно начинается еще во впускном трубопроводе и продолжается в цилиндре. Это способствует практически равномерному распределению кислорода по всем зонам камеры сгорания. Здесь образование СО определяется составом топливовоздушной смеси. Чем смесь богаче (нехватка кислорода), тем выше концентрация СО в ОГ.

Дизель, в отличие от ДсИЗ, работает на бедных топливовоздушных смесях (при избытке кислорода). По этой причине количество СО определяется здесь качеством процесса смесеобразования, которое зависит от впрыскивания топлива, его распределения по камере сгорания, испарения и перемешивания с воздухом.

Отравление газом СО вызывает головную боль, повышенное сердцебиение, затруднение дыхания и тошноту. У водителей ослабляется внимание и замедляется реакция.

Углеводороды СН. Присутствие СН в ОГ двигателя свидетельствует о неполном сгорании топлива, поданного в цилиндр. Углеводороды состоят из исходных или распавшихся молекул топлива, которые не принимали участия в сгорании.

Образование СН связано как с недостатком кислорода для его окисления, так и с гашением пламени вблизи относительно холодных стенок камеры сгорания, в объемах над вытеснителями поршня и в зазоре между поршнем и цилиндром над верхним компрессионным кольцом.

Помимо ОГ, источниками выброса СН являются испарения топлива в топливном баке или топливной системе.

Повышение выброса СН в эксплуатации может быть вызвано пропусками воспламенения, негерметичностью выпускного клапана или системы вентиляции картера. Таким образом, содержание СН в ОГ двигателя является одним из диагностических признаков его состояния.

Среди всех углеводородов особо выделяют полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и в первую очередь С20Н12. ПАУ относят к канцерогенным веществам. Они не выводятся из организма человека, а накапливаются в нем, способствуя образованию злокачественных опухолей.

Оксиды азота NOv. Условиями образования оксидов азота в цилиндре двигателя является наличие избыточного кислорода (а « 1,05) и температуры, превышающей 2000 К. При этом проходят реакции окисления азота, в результате которых образуется N0.

В ДсИЗ образование N0 происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания, где достигаются наивысшие температуры. В дизеле N0 образуются в зонах заряда, которые сгорают первыми.

После выхода из цилиндра двигателя N0 доокисляется до N02. Это происходит в выпускной системе, а затем и в атмосфере.

Токсичность N02 более высокая по сравнению с NO. N02 оказывает негативное воздействие на нервную систему и слизистые оболочки глаз, носа.

Сажа С и твердые частицы. Сажа образуется при температуре выше 1500 К в результате термического разложения молекул топлива при сильном недостатке кислорода (а менее 0,3...0,7). Образование сажи зависит от вида топлива (количества связей С — С в молекулах топлива), температуры и давления газов в цилиндре двигателя. Наличие сажи в ОГ проявляется в виде черного дыма.

Поскольку ДсИЗ работает в основном на а более 0,7, то сажеобра- зование в них незначительно.

У дизеля к зонам пламени с высокой температурой примыкают зоны с богатой смесью, в которых создаются благоприятные условия для термического разложения.

Большая часть частиц сажи имеет размеры 0,4...5 мкм. Концентрация части сажи в ОГ зависит от ее выгорания в процессе расширения, когда к частицам поступает кислород, оставшийся после сгорания.

Наряду с сажей в ОГ содержится целый ряд других твердых веществ, таких как аэрозоли масла и несгоревшего топлива, продукты износа цилиндра. Эти вещества, включая сажу, получили общее название «частицы».

Сера S преимущественно содержится в дизельном топливе. Она выбрасывается в атмосферу после сгорания в форме диоксида S02, который очень вреден для растений и способствует возникновению «кислотных» дождей.

Кроме того, содержание S в ОГ вызывает выход из строя нейтрализаторов, применяемых для снижения выбросов СО, СН и N0^.

Углекислый газ С02 относят к группе газов, избыточное содержание которых в стратосфере и тропосфере Земли препятствует отводу теплоты от ее поверхности и приводит к образованию «парникового» эффекта.

В связи с этим в 1997 г. был подписан Киотский протокол, к которому в 2004 г. присоединилась Российская Федерация. Целью Киотского протокола является достижение стабилизации концентраций «парниковых» газов в атмосфере на таком уровне, который не допускал бы опасного воздействия на климат.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >