Воздействие двигателей внутреннего сгорания на окружающую среду.
На сегодняшний день к двигателю внутреннего сгорания предъявляются
очень жесткие нормы загрязнения, которые требуют всё более хорошего
оборудования для очистки выхлопных газов. Например, в США в Калифорнии
(где большая концентрация автомобилей) действуют такие нормы, что если
бы такой автомобиль попал бы на наших улицах в пробку, то в выходящих
из выхлопной трубы этого автомобиля газах содержание вредных веществ
было бы меньше, чем в воздухе, поступающем в мотор, и у нас ездили бы
по улицам «очистители воздуха»
Почему же тогда безупречно
работающий двигатель внутреннего сгорания производит загрязняющие
вещества? В бензиновых и дизельных моторах используются очень разные
топлива, которые содержат больше всего углеводороды CH. Помимо этого в
топливах есть еще некоторые добавки и увеличители октанового числа. При
реакции соединений оксида углерода (СО) и кислорода воздуха образуется
диоксид углерода, или углекислый газ (CO2) и водяной пар (H2O).
Результатом
неполного сгорания является то, что выхлопные газы содержат больше или
меньше вредных соединений. Неполное сгорание может быть обусловлено
коротким временем горения топлива в цилиндрах мотора, разницей
температур горения (более насыщенная смесь, при которой повышается
температура горения), разница температуры воздуха, поступающего в мотор
(если воздух забирается из-под капотного пространства, где температура
поднялась до 70 oC, то в таком расширенном воздухе количество кислорода
меньше по сравнению с наружным воздухом с температурой 25 oC). Также
неполное сгорание может быть по причине неисправности системы зажигания
и других факторов, из-за чего в выхлопные газы содержат больше или
меньше вредных веществ.
По науке в воздухе 78% азота (N) и 21%
кислорода (O2), остальной 1% образуют другие газы. Для того чтобы при
сжигании топливной смеси было как можно меньше вредных остатков
горения, смесь должна быть такой консистенции, что на 1 кг бензина
приходилось бы 14,7 кг (не литров) воздуха. То же отношение, выраженное
в литрах: на 1 литр бензина 9500 литров воздуха (данные BOSCH
Gasoline-Engine Management).
Компоненты, содержащиеся в выхлопных газах:
Компоненты, содержащиеся в выхлопных газах можно разделить на вредные и безвредные.
Безвредные: - Азот N2 - Кислород O2 - Диоксид углерода CO2 см. позже парниковый эффект - Водяной пар H2O
В
выхлопных газах всегда есть кислород. Если большая его часть не
израсходована, то состав такой смеси слишком ненасыщенный, или до
процесса сгорания не было корректного смешивания кислорода и топлива.
При нормальном горении содержание остаточного кислорода очень
маленькое, потому как большая часть его всегда используется. Диоксид
углерода (CO2) и водяной пар – остатки горения. Чем больше количество
(CO2), тем более полным было горение топливной смеси. Во время горения
топлива в цилиндрах мотора остается около 14% (CO2). За это время,
когда выхлопные газы проходят катализатор и достигают выхода выхлопного
коллектора, повышается объем диоксида углерода до 15%-16%.
Возникший
в результате деятельности человека смог промышленных предприятий,
выхлопные газы автомобилей и дымовые потоки современных реактивных
самолетов больше всего нарушают экологическое равновесие. Содержание
углекислого газа в продукте горения углеродосодержащих топливных
веществ в течение последних лет сильно возросла. Находящийся в
атмосфере углекислый газ препятствует тепловому обмену, который
обусловливает чрезмерное нагревание днем и охлаждение ночью. Сжигая
фоссильные топливные вещества, человек выбрасывает в атмосферу огромное
количество углекислого газа. CO2 образует над землей купол, сохраняющий
тепло, это явление ученые называют парниковым эффектом и газ –
углекислым газом. Каждый продавец при продаже нового автомобиля
должен указывать, сколько граммов CO2 производит данный автомобиль при
прохождении 1 км. Количество CO2 можно уменьшить с уменьшением расхода
топлива.
Вредные вещества: - Монооксид углерода СО (угарный газ) - Углеводородные соединения HC (несгоревшее топливо и масло) - Осиды азота NO и NO2 которые обозначаются NOx поскольку O постоянно меняется - Оксид серы SO2 - Твердые частицы (копоть)
МОНООКСИД УГЛЕРОДА ИЛИ УГАРНЫЙ ГАЗ (СО)
…возникает
тогда, когда в составе поступающей в цилиндры мотора смеси слишком мало
кислорода. На количество кислорода могут влиять засоренный воздушный
фильтр или положение дроссельной заслонки (закрыта или открыта), и,
конечно, играет свою роль забытый в закрытом положении воздушный
клапан. Большое количество СО возникает, если топливная смесь слишком
насыщенная. Продолжительность жизни мотора зависит от состава
поступающей в цилиндры смеси. Наибольшее количество СО в выхлопных
газах образуется во время горения топливной смеси в цилиндрах. При
соприкосновении с воздухом СО реагирует относительно быстро и
образуется диоксид углерода СО2. Угарный газ для человека вреден и
опасен. Он связывается с красными кровяными тельцами и снижает
способность усваивать кислород, так как организм не хочет усваивать
углекислый газ и кровные тельца остаются со своей «нагрузкой» на более
долгое время, чем обычно. Большее, чем 0,3% содержание угарного газа во
вдыхаемом воздухе в течение определенного времени может быть для
человека смертельным.
НЕСГОРЕВШИЕ ЧАСТИЦЫ БЕНЗИНА ИЛИ УГЛЕВОДОРОДЫ (НС)
Малое
количество кислорода в поступающей в мотор горючей смеси (которое
содействует неполному сгоранию в цилиндрах мотора и исходя из этого
увеличению количества угарного газа) влияет при неполном сгорании и на
увеличение углеводородных соединений и копоти. Также этому способствует
и позднее зажигание (если позднее, то остается мало времени на горение
топлива) и вышедшая из строя система зажигания (высоковольтные провода,
свечи, сломанные контакты), также и насыщенная смесь. В результате
уменьшения давления поступающего в форсунки топлива или засорения
форсунок топливные частицы становятся слишком большими и для полного
сгорания требуют большего времени, чем получают. Так называемые
«ароматические водородные соединения» имеют острый запах и способствуют
возникновению рака. Водородные соединения при взаимодействии с оксидом
азота на солнечном свете образуют смог, который практически без запаха,
но раздражает слизистую и обладает наркотическим действием. В больших
количествах несгоревшие частицы топлива вредны для человеческого
здоровья и оказывают влияние, например, на исчезновение лесов.
ОКСИД АЗОТА (NOx)
Основной
компонент воздуха азот N2 (около 70%) при нормальных условиях не
реагирует с кислородом. Но при больших температурах и давлении
(например, в процессе горения топлива в цилиндрах двигателя) происходит
химическая реакция, в результате которой образуется монооксид азота
(NO). На выходе из цилиндров мотора и реагируя с кислородом, образуется
диоксид азота NO2. Эти соединения называют оксидами азота в степени икс
(NO+ NO2 = NOx). Количество NOx зависит от температуры горения в
цилиндрах в кубической функции, то есть если температура горения
повышается (при более насыщенной смеси),то NOx увеличивается в 3 раза в
степени.
Для того чтобы уменьшить содержание оксидов азота, в
современных автомобилях используют систему возврата выхлопных газов
(EGR). Принцип работы: если автомобиль движется по шоссе с одинаковой
скоростью, то часть выхлопных газов направляется обратно в цилиндры, и
состав топливной смеси ухудшается, температура горения уменьшается и
количество NX газа уменьшается до разов «в кубе» Оксид азота в больших
количествах раздражает дыхательные органы и появляются признаки
отравления. При взаимодействии с солнечным светом и углеводородами
оксиды азота способствуют появлению смога и возникновению кислотных
дождей. По оценкам ученых содержащийся в выхлопных газах оксид азота
влияет на урожайность. Исследование, проведенное в Италии показывает,
что выхлопные газы существенно ухудшают качество спермы у молодых и
мужчин среднего возраста.
СВИНЕЦ И СОЕДИНЕНИЯ СВИНЦА
Поскольку
в настоящее время в основном используется бензин без содержания свинца,
или этилированный бензин, то больше не приходится говорить о
соединениях свинца в автомобильном топливе.
ТВЕРДЫЕ ЧАСТИЦЫ
Твердые
частицы - очень маленькие, которые образуются в процессе несовершенного
горения из топлива и масла. Черный дым, который выделяет дизельный
мотор при больших нагрузках, в большом количестве содержит твердые
частицы. Это происходит, поскольку при больших нагрузках в моторе
возникает дефицит воздуха и часть топлива не сгорает. Твердые частицы
являются причиной возникновения рака дыхательных путей. При работе
дизельного мотора угарного газа СО образуется относительно мало.
Углеводород – отход рабочего процесса дизельного мотора, он содержит
плохо пахнущие компоненты и является причиной появления смога. Снижение
вредных соединений, содержащихся в выхлопных газах, на требуемый
уровень не такое легкое дело, как можно считать. С твердыми частицами
казалось бы просто – сделаем процесс горения более эффективным,
количество частиц в выхлопных газах уменьшится и расход топлива
уменьшится тоже. Более эффективным процесс горения топлива можно
сделать с увеличением количества воздуха. Дизельные моторы работают
лучше с излишком воздуха, то есть в камеру сгорания подается немного
больше воздуха, чем это необходимо для горения впрыскиваемого топлива.
Обычно о воздухе, необходимом для горения, заботится турбокомпрессор.
Так как воздух, прошедший через турбокомпрессор, горячий и расширенный,
его следует охладить, чтобы в ограниченное пространство камеры сгорания
вместить как можно большее количество кислорода. Для этого используется
промежуточный охладитель. Эффективность увеличивает и повышение
температуры горения, что не совсем правильно, поскольку это в свою
очередь способствует увеличению оксида азота. Если мы хотим
уменьшить количество соединений NOX, появляются некоторые моменты:
понижение температуры горения, которое уменьшило бы количество оксида
азота, делает процесс горения неэффективным и увеличивает появления СО
и твердых частиц. Поэтому балансируют производители моторов в поиске
между комбинациями наименьших нормам выбросов выхлопных газов и
меньшего расхода топлива. Если достигаются хорошие результаты в области
выбросов выхлопных газов, то неизбежно увеличивается расход топлива.
Прежде всего, расход топлива увеличивается за счет снижения температуры
горения.
