Примерный состав выхлопных газов карбюраторных и
дизельных двигателей, об.%[13]
| Компонент | Карбюраторные двигатели | Дизельные двигатели |
| Азот | 74–77 | 76–78 |
| Кислород | 0,3–8,0 | 2–18 |
| Пары воды | 3,0–5,5 | 0,5–4,0 |
| Диоксид углерода | 5,0–12,0 | 1,0–10,0 |
| Оксид углерода | 0,5–12,0 | 0,01–0,5 |
| Оксиды азота | 0,0–0,8 | 0,0002–0,5 |
| Углеводороды неканцерогенные | 0,2–3,0 | 0,009–0,5 |
| Альдегиды | 0,0–0,2 | 0,001–0,009 |
| Сажа | 0,0–0,4 г/м 3 | 0,01–1,1 г/м 3 |
| Бенз(а)пирен | До 10–20 мкг/м 3 | До 10 мкг/м 3 |
Диоксид серы образуется в отработавших газах в том случае, когда сера содержится в исходном топливе (дизельное топливо). Анализ данных, приведенных в табл. 16, показывает, что наибольшей токсичностью обладает выхлоп карбюраторных ДВС за счет большего выброса СО, NOx, CnHm и др. Дизельные ДВС выбрасывают в больших количествах сажу, которая в чистом виде нетоксична. Однако частицы сажи, обладая высокой адсорбционной способностью, несут на своей поверхности частицы токсичных веществ, в том числе и канцерогенных. Сажа может длительное время находиться во взвешенном состоянии в воздухе, увеличивая тем самым время воздействия токсических веществ на человека.
Применение этилированного бензина, имеющего в своем составе соединения свинца, вызывает загрязнение атмосферного воздуха весьма токсичными соединениями свинца. Около 70% свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в атмосферу с отработавшими газами, из них 30% оседает на земле сразу за срезом выпускной трубы автомобиля, 40% остается в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5–3 кг свинца в год. Концентрация свинца в воздухе зависит от содержания его в бензине. Исключить поступление высокотоксичных соединений свинца в атмосферу можно заменой этилированного бензина на неэтилированный, что используют в Российской Федерации и ряде стран Западной Европы.
Состав отработавших газов ДВС зависит от режима работы двигателя. У двигателя, работающего на бензине, при неустановившихся режимах (разгон, торможение) нарушаются процессы смесеобразования, что способствует повышенному выделению токсичных продуктов. Зависимость состава отработавших газов ДВС от коэффициента избытка воздуха приведена на рис. 77, а. Переобогащение горючей смеси до коэффициента избытка воздуха а = 0,6–0,95 на режиме разгона ведет к увеличению выброса несгоревшего топлива и продуктов его неполного сгорания.
В дизельных двигателях с уменьшением нагрузки состав горючей смеси обедняется, поэтому содержание токсичных компонентов в отработавших газах при малой нагрузке уменьшается (рис. 77, б). Содержание СО и СnНm возрастает при работе на режиме максимальной нагрузки.
Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей и особенно от двигателя – источника наибольшего загрязнения. Так, при нарушении регулировки карбюратора выбросы СО увеличиваются в 4–5 раз.
В процессе старения двигателя выбросы его увеличиваются из-за ухудшения всех характеристик. При износе поршневых колец увеличивается прорыв через них. Утечки через выхлопной клапан могут стать основным источником выбросов углеводородов.
Характеристики режима работы и конструкции, которые оказывают влияние на выбросы в карбюраторных двигателях, включают следующие параметры:
1) коэффициент избытка воздуха;
2) нагрузка или уровень мощности;
4) управление моментом;
5) образование нагара в камере сгорания;
6) температура поверхности;
7) противодавление выхлопа;
8) перекрытие клапанов;
9) давление во впускном трубопроводе;
10) соотношение между поверхностью и объемом;
11) рабочий объем цилиндра;
12) степень сжатия;
13) рециркуляция выхлопного газа;
14) конструкция камеры сгорания;
15) соотношение между ходом поршня и диаметром цилиндра.
Уменьшение количества выбрасываемых загрязняющих веществ достигается в современных автомобилях за счет использования оптимальных конструкторских решений, точной регулировки всех элементов двигателя, выбором оптимальных режимов движения, использованием топлива более высокого качества. Управление режимами движения автомобиля может осуществляться с помощью компьютера, устанавливаемого в салоне автомобиля.
Эксплуатационные и конструкторские параметры, влияющие на выбросы двигателей, в которых зажигание смеси происходит за счет сжатия, включают следующие характеристики:
1) коэффициент избытка воздуха;
2) опережение впрыска;
3) температура входящего воздуха;
4) состав топлива (включая присадки);
6) завихрение воздуха;
7) конструкция камеры сгорания;
8) характеристики форсунки и струи;
9) рециркуляция выхлопного газа;
10) система вентиляции картера.
Турбонаддув увеличивает температуру цикла и, таким образом, усиливает окислительные реакции. Эти факторы приводят к сокращению выбросов углеводородов. Чтобы уменьшить температуру цикла и таким образом сократить выброс оксидов азота, совместно с турбонаддувом может быть использовано промежуточное охлаждение.
Одним из наиболее перспективных направлений снижения выбросов токсичных веществ карбюраторных двигателей является использование методов внешнего подавления выбросов, т.е. после того, как они выйдут из камеры сгорания. К таким устройствам относятся термические и каталитические реакторы.
Цель использования термических реакторов состоит в том, чтобы доокислить углеводороды и оксид углерода посредством некаталитических гомогенных газовых реакций. Эти устройства предназначены для окисления, поэтому они не приводят к удалению оксидов азота. Такие реакторы поддерживают повышенную температуру выхлопных газов (до 900°С) в течение периода времени доокисления (в среднем до 100 мс), так что окислительные реакции продолжаются в выхлопных газах и после того, как они покинут цилиндр.
Каталитические реакторы устанавливаются в выхлопной системе, которая часто несколько удалена от двигателя и, в зависимости от конструкции, используется для удаления не только углеводородов и СО, но, кроме того, и оксидов азота. Для автомобильных транспортных средств используются такие катализаторы, как платина и палладий, для окисления углеводородов и СО. Для уменьшения содержания оксидов азота в качестве катализатора используется родий. Как правило, используется всего 2–4 г благородных металлов. Основные металлические катализаторы могут быть эффективными при использовании спиртовых топлив, но их каталитическая активность быстро падает при использовании традиционных углеводородных топлив. Применяются два вида носителей катализаторов: таблетки (γ-оксид алюминия) или монолиты (кордиерит или коррозионно-стойкая сталь). Кордиерит при применении его в качестве носителя покрывают γ-оксидом алюминия перед нанесением каталитического металла.
Каталитические нейтрализаторы конструктивно состоят из входного и выходного устройств, служащих для подвода и вывода нейтрализуемого газа, корпуса и заключенного в него реактора, представляющего собой активную зону, где и протекают каталитические реакции. Реактор-нейтрализатор работает в условиях больших температурных перепадов, вибрационных нагрузок, агрессивной среды. Обеспечивая эффективную очистку отработанных газов, нейтрализатор по надежности не должен уступать основным узлам и агрегатам двигателя.
Нейтрализатор для дизельного двигателя показан на рис. 78. Конструкция нейтрализатора осесимметрична и имеет вид «трубы в трубе». Реактор состоит из наружной и внутренней перфорированных решеток, между которыми размещен слой гранулированного платинового катализатора.
Назначение нейтрализатора заключается в глубоком (не менее
90 об %) окислении СО и углеводородов в широком интервале температур (250…800°С) в присутствии влаги, соединений серы и свинца. Катализаторы этого типа характеризуются низкими температурами начала эффективной работы, высокой термостойкостью, долговечностью и способностью устойчиво работать при высоких скоростях газового потока. Основным недостатком нейтрализатора этого типа является высокая стоимость.
Для того чтобы каталитическое окисление происходило нормально, окисляющие катализаторы требуют некоторого количества кислорода, а восстанавливающие катализаторы – некоторого количества СО, CnНm или Н2. Типичные системы и реакции каталитического окисления-восстановления приведены на рис. 79. В зависимости от селективности катализатора в процессе восстановления оксидов азота может образоваться некоторое количество аммиака, который затем снова окисляется в NO, что приводит к снижению эффективности разрушения NOx.
Крайне нежелательным промежуточным продуктом может оказаться серная кислота. Для почти стехиометрической смеси сосуществуют как окисляющиеся, так и восстанавливающиеся составляющие в выхлопных газах.
Эффективность катализаторов может быть снижена в присутствии соединений металлов, которые могут поступать в выхлопные газы из топлива, добавок смазывающих материалов, а также вследствие износа металлов. Это явление известно под названием отравления катализатора. Особенно существенно понижают активность катализатора антидетонационные добавки тетраэтилсвинца.
Кроме каталитических и термических нейтрализаторов отработанных газов двигателей используются и жидкостные нейтрализаторы. Принцип действия жидкостных нейтрализаторов основан на растворении или химическом взаимодействии токсичных компонентов газов при пропускании их через жидкость определенного состава: вода, водный раствор сульфита натрия, водный раствор бикарбоната натрия. В результате пропускания отработанных газов дизельного двигателя снижается выброс альдегидов примерно на 50%, сажи – на 60–80%, происходит некоторое снижение содержания бенз(а)пирена. Главные недостатки жидкостных нейтрализаторов – это большие габариты и недостаточно высокая степень очистки по большинству компонентов выхлопных газов.
Повышение экономичности автобусов и грузовых автомобилей достигается прежде всего применением дизельных ДВС. Они обладают экологическими преимуществами по сравнению с бензиновыми ДВС, поскольку имеют меньший на 25–30% удельный расход топлива; кроме того, состав отработавших газов у дизельного ДВС менее токсичен.
Для оценки загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта установлены удельные значения газовых выбросов. Имеются методики, позволяющие по удельным выбросам и количеству автомобилей рассчитать количество выбросов автотранспорта в атмосферу для различных ситуаций [3].
Из чего «состоят» выхлопные газы автомобиля?
Таблица Менделеева выхлопных газов
Сейчас, благодаря СМИ, под пристальным вниманием общественности находится тема экологии Планеты, а именно ее насыщение и загрязнение выхлопными газами автомобилей. Особенно внимательно люди отслеживают и обсуждают такой растиражированный в прессе побочный результат повсеместной автомобилизации как «парниковый эффект» и вред выхлопных газов дизельных автомобилей.
Однако, как известно выхлопные газы, выхлопным газам – рознь, несмотря на то, что все они опасны для организма человека и других форм жизни на Земле. Так что делает их опасными? И что отличает их друг от друга? Посмотрим под микроскопом из чего состоит сизый смог вылетающий из выхлопной трубы. Углекислый газ, копоть, оксид азота и некоторые другие не менее опасные элементы.
Ученные отмечают, что экологическая обстановка во многих промышленно развитых и развивающихся странах значительной улучшилась за последние 25 лет. В основном это связано с постепенным, но неминуемым ужесточением экологических норм, а также переносом производств на другие континенты и в другие страны, в том числе в Восточную Азию. В России, Украине, и других странах СНГ, большое количество предприятий было закрыто из-за политических и экономических потрясений, что с одной стороны создало чрезвычайно сложную социально-экономическую обстановку, но в значительной мере улучшило экологические показатели этих стран.
Тем не менее, по данным ученных-исследователей, наибольшую опасность для нашей зеленой планеты представляют именно автомобили. Даже при поэтапном ужесточении норм выбросов вредных веществ в атмосферу, в связи с ростом количества автомобилей, результаты этой работы, увы, нивелируются.
Если сегментировать общую массу разнообразных транспортных средств присутствующих сейчас на планете, наиболее грязными остаются дизельные моторы, особенно опасны автомобили с данным типом топлива превышением по оксиду азота. Несмотря на десятилетия разработок и заверения автопроизводителей о том, что они смогут сделать дизели чище, оксид азота и мелкие частицы сажи по-прежнему остаются главными врагами дизеля.
Именно в связи с данными проблемами, связанными с использованием дизельных двигателей, такие крупные немецкие города, как Штутгарт и Мюнхен в настоящее время обсуждают запрет на использование автомобилей, работающих на тяжелом топливе.
Вот исчерпывающий список вредных веществ, входящих в выхлопные газы и вред, наносимый здоровью человека при их вдыхании
Выхлопные газы
Отходящие газы – это газообразные отходы, возникающие в процессе преобразования жидкого углеводородного топлива в энергию на которой работает ДВС путем сгорания.
Бензол
Бензол содержится в небольших количествах в бензине. Бесцветная, прозрачная, легко подвижная жидкость.
Как только вы заполняете бак своего автомобиля бензином, первое с первым опасным для здоровья веществом, с которым вы будете контактировать, – это именно бензол, испаряющийся из бака. Но наиболее опасен бензол при сгорании топлива.
Бензол является одним из тех веществ, которые могут вызывать рак у человека. Тем не менее, решающее сокращение в воздухе опасного бензола было достигнуто много лет назад с помощью трехходового катализатора.
Мелкая пыль (твердые частицы)
Этот загрязнитель воздуха является неопределенным веществом. Лучше сказать, что это комплексная смесь веществ, которая может отличаться по происхождению, форме и своему химическому составу.
В автомобилях сверхмелкий абразив присутствует в любых формах эксплуатации, скажем, при износе шин и тормозных дисков. Но наибольшую опасность представляет сажа от выхлопных газов. Ранее этим неприятным моментом в эксплуатации страдали исключительно дизельные двигатели. Благодаря установке фильтров твердых частиц ситуация значительно улучшилась.
Теперь схожая проблема появилась и бензиновых моделей, поскольку они все чаще используют системы прямого впрыска топлива, что приводит к побочному производству еще более мелких твердых частиц, чем у дизельных двигателей.
Однако, по данным ученных исследующих природу проблемы, всего 15% мелкой пыли, осаждающейся в легких, производят автомобили, источником опасного явления может быть любая деятельность человека, от сельского хозяйства, до лазерных принтеров, каминов и конечно же сигарет.
Здоровье жителей мегаполисов
Фактическая нагрузка на организм человека от выхлопных газов зависит от объема трафика и погодных условий. Тот, кто живет на оживленной улице, подвергается воздействию оксидов азота или мелкой пыли значительно сильнее.
Выхлопные газы не одинаково опасны для всех жителей. Здоровые люди практически никак не почувствуют «газовую атаку», хотя интенсивность нагрузки от этого не снизиться, а вот состояние здоровья астматика или человека с сердечно-сосудистыми заболеваниями может значительно ухудшиться ввиду наличия выхлопных газов.
Углекислый газ (CO2)
Вредный для всего климата планеты газ неизбежно возникает при сжигании ископаемых видов топлива, таких как дизельное топливо или бензин. С точки зрения CO2 дизельные двигатели немного “чище”, чем бензиновые, потому что они в основном потребляют меньше топлива.
Для человека CO2 безвреден, но не является таковым для природы. Парниковый газ CO2 отвечает за большую часть глобального потепления. По данным Федерального Министерства окружающей среды Германии, в 2015 году доля углекислого газа в общем объеме выбросов парниковых газов составила 87,8 процента.
С 1990 года выбросы углекислого газа почти непрерывно сокращаются, в общей сложности уменьшившись на 24,3 процента. Однако, несмотря на производство все более экономичных двигателей, рост автомобилизации и увеличение грузового движения нивелирует попытки ученных и инженеров уменьшить вред. Ввиду чего выбросы углекислого газа остаются на высоком уровне.
Кстати: весь автотранспорт, скажем, Германии несет ответственность “только” за 18 процентов выбросов CO2. Более чем в два раза больше, 37 процентов, уходит на выбросы энергетики. В США картина противоположенная, там наиболее серьезный урон природе наносят именно автомобили.
Окись углерода (Co, угарный газ)
Чрезвычайно опасный побочный продукт горения. Монооксид углерода представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха. Соединение углерода и кислорода возникает при неполном сжигании углеродсодержащих веществ и является крайне опасным ядом. Поэтому качественная вентиляция в гаражах и подземных паркингах имеет важное значение для жизни их пользователей.
Даже небольшое количество окиси углерода приводит к повреждению организма, несколько минут проведенных в плохо проветриваемом гараже с работающим автомобилем может убить человека. Будьте предельно осторожны! Не прогревайте автомобиль в закрытых боксах и помещениях без вентиляции!
Но насколько опасен оксид углерода на открытом воздухе? Проведённый в Баварии эксперимент показал, что в 2016 году средние значения, показанные измерительными станциями, оказались между 0,9-2,4 мг/м 3 , оказались значительно ниже предельных показателей.
Для обывателя озон не является каким-то опасным или токсичным газом. Однако, в реальности это не так.
Под воздействием солнечного света углеводороды и окись азота превращается в озон. Через дыхательные пути озон попадает в организм и приводит к повреждению клеток. Последствия, влияния озона: местное воспаление дыхательных путей, кашель и одышка. При небольших объемах озона никаких проблем с последующим восстановлением клеток организма не возникнет, но при больших концентрациях этот безобидный с виду газ может спокойно убить здорового человека. Не зря в России этот газ отнесен к самому высокому классу опасности.
С изменением климата повышается риск появления высоких концентраций озона. Ученые считают, что к 2050 году озоновая нагрузка должна резко возрасти. Для решения проблемы, окислы азота, выбрасываемые транспортом должны быть значительно сокращены. Кроме того, факторов влияния на распространение озона достаточно много, например, растворители в красках и лаках также активно способствуют возникновению проблемы.
Двуокись серы (SO2)
Это загрязняющее вещество возникает при сжигании в топливе серы. Она относится к классическим атмосферным загрязнителям, возникающим при процессе горения, на электростанциях и в промышленности. SO2 является одним из самых главных «ингредиентов» загрязняющих веществ образующих смог, также называемый “Лондон смог”.
В атмосфере диоксид серы подвергается ряду процессов преобразования, в результате чего могут возникнуть серная кислота, сульфиты и сульфаты. SO2 действует в первую очередь на слизистые оболочки глаза и верхних дыхательных путей. Что касается окружающей среды, диоксид серы может повреждать растения и вызывать окисление почвы.
Оксиды Азота (NOx)
Оксиды азота образуются, главным образом, в процессе сгорания в двигателях внутреннего сгорания. Дизельные автомобили считаются основным источником. Введение катализаторов и сажевых фильтров продолжает увеличиваться, так что выбросы будут заметно снижаться, но произойдет это только в будущем.
NO2 является раздражающим газом. Это приводит к раздражению глаз и повреждению слизистой оболочки дыхательного тракта. Благодаря своей бронхо-сужающей характеристике, это особенно проблематично для астматиков и людей с хроническим обструктивным заболеванием легких.
Данные замеров показывают, что в среднем в годовом отношении количество NOx было превышено на 57% от нормы. Главными виновниками остается разнообразный транспорт. С 2010 года наблюдается лишь незначительное снижение тренда загрязнения. С 1990 по 2015 год выбросы снизились на 59%.
