Двигатель внутреннего сгорания чем опасны

Двигатель внутреннего сгорания чем опасны

Человечество уже несколько сотен лет пользуется двигателями внутреннего возгорания. Они приводят в движение машины, автобусы, мотоциклы, трактора и многую другую технику. ДВС пришел к нам на смену паровому двигателю.

Основная специфика этих устройств заключается в том, что возгорание происходит прямо внутри рабочей камеры, в результате чего, энергия горения превращается в механические силы. Суть работы таких двигателей в том, что внутри цилиндров, под давлением, возникает горение топливно-воздушной смеси, которая воспламеняется различными способами.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

  1. Поршневые. В агрегатах такого типа, полученная от горения энергия превращается в механическую при помощи кривошипно-шатунного механизма.
  2. Карбюраторные. В этом случае топливная смесь возникает внутри карбюратора, далее попадает в цилиндр.

    Воспламенение осуществляется за счет свечей.

  3. Инжекторные. Эти двигатели снабжены электронным устройством. Топливо впрыскивается в коллектор через форсунки.
  4. Дизельные. Топливно-воздушная смесь в них воспламеняется без использования искр от свечей.

  5. Роторные. В таких моторах энергия трансформируется в механическую работу при помощи кручения ротора газами.
  6. Газотурбинные. Ротор таких двигателей снабжен клиновидными лопатками, приводящими в действие вал турбины.

Плюсы двигателя внутреннего сгорания

  • Малый вес мотора. В большинстве случаев подобные устройства не занимают много места, и весят достаточно легко. К тому же, объем топливных баков, также может располагаться в сравнительно маленьких пространствах.
  • На одной заправке имеется возможность проехать большие расстояния. Это особенно актуально для водителей автобусов или дальнобойщиков. Постоянные остановки на дозаправку могли бы значительно отягощать и без того нелегкую работу водителей.
  • Высокая мощность. Сегодня двигатели внутреннего сгорания могут обладать огромным запасом лошадиных сил. Все зависит от стоимости. Если у вас имеются крупные финансы, вы сможете купить себе монстра среди рядовых автомобилей. Но и прокормить его будет непросто. Бензин, в прямом смысле, начнет вылетать в трубу, что естественно, обойдется собственнику в копеечку.
  • Простота в использовании. Разобраться в устройстве моторов сегодня может любой желающий, если приложит к этому некоторые усилия. Большинство из них имеют одинаковые системы, поняв, из чего состоит один двигатель, вы с легкостью сможете разобраться в любом другом.
  • Возможность быстрой заправки. Количество заправочных станций сейчас настолько велико, что водителям не приходится опасаться за обсохший бак. Они расположены практически в любом населенном пункте, а длительность заправки не превышает 10 минут.
  • Доступность. Автомобили с двигателями внутреннего сгорания перестали быть редкостью. Они прочно вошли в нашу жизнь. Автосалоны предлагают потребителям любые машины на вкус и цвет. На вторичном рынке их стоимость настолько низкая, что их приобретают даже студенты и школьники.
  • Большой ресурс работы. Современные моторы могут проработать без капитального ремонта десятки лет. К слову сказать, что надежность агрегатов потихоньку снижается, и все же остается на должном уровне вот уже многие годы.

Двигатель внутреннего сгорания чем опасны

Минусы

  • Безусловным минусом ДВС является высокая степень выбросов, вырабатывающихся во время езды. Главная проблема лежит в том, что топливо сгорает не полностью. На передвижение машины уходит лишь 15% горючего материала, остальное вылетает в воздух, в результате не достигшей совершенства камеры сгорания топлива. Отработанные газы включают в себя сотни вредных компонентов, тяжелых металлов и производных углеводорода.
  • Всегда требуется наличие коробки переключения передач. Это устройство необходимо для того, чтобы менять передаточное число, регулирующее количество оборотов двигателя, которые в свою очередь передают энергию на колеса, и те начинают вращаться либо быстрее, либо медленнее.
  • Необходимость смены масла каждые 10 000 км пробега. Это обусловлено загрязнением жидкости, попадающими в двигатель мелкими частицами, а также при появлении рабочих отходов от поршней и коленвала.
  • Высокая стоимость топлива. Цена за литр бензина или солярки неуклонно растет вверх. Такими темпами передвижение на автомобилях с ДВС будет большой роскошью. Выходом из данной ситуации может послужить установка газового оборудования, так как цена на газ сейчас в 2 раза меньше стоимости бензина, и пока что остается примерно на отметке в 23 рубля, в зависимости от региона.
  • Ограниченный ресурс дешевых моторов. Производители двигателей низкой стоимости используют некачественные детали, имеющие большой износ. Хотя, при наличии современных смазок, время работы можно значительно повысить. Главное вовремя менять жидкости и прочие расходные материалы.
  • Низкий коэффициент полезного действия. Данный показатель отражает эффективность работы двигателя относительно вырабатываемой энергии в механические силы. Его выражают в процентах. В отличие от электрических моторов, КПД которых может достигать 95%, КПД двигателей внутреннего сгорания не обладает такими показателями. Потери полезного действия происходят в результате неполного сгорания топлива, расходов на тепло, а также потери на прочее оборудование, такое как кондиционер, помпа, генератор.

Двигатель внутреннего сгорания чем опасны

Современные двигатели шагнули далеко вперед от своих предшествующих собратьев. На сегодняшний день им нет конкурентов. Возможно, если люди не придумают чего-то в корне нового, такие моторы просуществуют в нашем мире еще не одно десятилетие. Как бы хотелось, чтоб ДВС жили вечно, но их существование закончится вместе с нефтью, и придет эра электрических двигателей.

Но, несмотря на то, что ДВС заслужили всеобщую любовь, они могут стать причиной глобального экологического кризиса. Выбросы, создаваемые в атмосферу миллионами автомобилей, поднимают реальную угрозу нашей планете.

К вопросу токсичности двигателей внутреннего сгорания

  • По мере роста автомобильного парка стандарты на ограничение выбросов токсичных веществ введены во многих странах мира, в зависимости от концентрации автомобилей, климатических, рельефных условий и других факторов.
  • Под токсичностью выбросов двигателя автомобиля (токсичностью двигателя) понимают способность выбросов двигателя оказывать токсическое воздействие на людей, животный мир, что определяется следующими факторами:
  • ·                     составом токсичных веществ;
  • ·                     абсолютным количеством выбросов токсичных веществ в единицу времени (или на единицу пути, пройденного автомобилем);
  • ·                     физико-химическими законами превращения химических соединений в атмосфере;
  • ·                     геофизическими законами распространения токсичных веществ;
  • ·                     чувствительностью живых организмов.
  • В настоящее время стандартами всех стран мира регламентируются выбросы токсичных компонентов на определенных, наиболее характерных режимах работы двигателя (стандарты первого рода) или на совокупности режимов, имитирующих действительные условия эксплуатации (стандарты второго рода).

В нашей стране нормирование токсичных веществ по совокупности режимов применяется для новых двигателей и автомобилей, т.е. в целях контроля продукции моторных и автомобильных заводов [2].

За последние 8 лет количество автотранспорта в России увеличилось почти в полтора раза.

По состоянию на 1 января 2013 года на регистрационном учёте в Госавтоинспекции РФ состоит более 50,5 миллионов единиц транспортных средств. Причем основную часть из них – 76,7%, или 38,7 миллионов единиц – составляют легковые автомобили.

В Европе, как и во всем мире, идет постоянное ужесточение экологических требований к автомобилям – запрет применения этилированного бензина, запрет применения при производстве автомобиля вредных веществ, таких как свинец, кобальт, кадмий, 6-валентный хром, фреоны и других составляющих элементов.

Ужесточаются требования к токсичности отработавших газов (ОГ) – с 2001 года введены для всех регистрируемых автомобилей нормы токсичности Евро-3, с 2006 – Евро-4, с 01 января 2011 года вводятся нормы Евро-5.  С 01 ноября 2014 нормы Евро-6 для новых моделей и с 01 ноября 2015 года для всех продаваемых автомобилей.

Ограничивается содержание в отработавших газах окиси углерода (СО), углеводородов (НС), в том числе и неметановых, и окислов азота (NОx).

Очень актуально в настоящее время снижение выбросов СО2, напрямую связанных с расходом топлива и влияющих на разрушение озонового слоя Земли. Ужесточаются требования и к испарениям углеводородов.

В ряде стран уже введены налоговые льготы и штрафы в зависимости от величины выбросов СО2.

Снижение токсичности достигается за счет повышения КПД двигателя, оптимизации процессов сгорания топлива, увеличения площади соприкосновения отработавших газов в нейтрализаторе, в том числе и за счет увеличения количества драгметаллов в нем и т.д.

Как Российское законодательство подошло к проблеме экологии?

Чтобы контролировать уровень выбросов вредных веществ в атмосферу, производимых автотранспортом, оснащенным двигателями внутреннего сгорания, государством приняты экологические требования.

Эти требования описываются в новом Техническом регламенте, который называется – «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории РФ, вредных (загрязняющих) веществ». Указанный регламент указывает, к какому экологическому классу должны относиться автомобили, чтобы выполнять эти требования.

  1. Экологический класс автомобиля обозначается, как Евро-1, Евро-2, Евро-3, Евро-4, Евро-5, Евро-6 – это классификационный код, который описывается регламентом, и даёт характеристику автомобилю и двигателю внутреннего сгорания в зависимости от количества выбросов вредных веществ в отработанных газах (ОГ), которые опасны для окружающей среды и человека.
  2. В состав вредных веществ входят:
  3. ·                     (СО) – оксид углерода;                               (НС) – углеводороды;
  4. ·                     (NOx) – оксиды азота;                                 дисперсные частицы [1].

Для поэтапного улучшения экологической ситуации в стране на территории России вводится более строгий экологический класс для автомобилей (в настоящее время это Евро-4). Согласно новому стандарту, вступившему в силу с 2010 года, все выпускаемые и продаваемые автомобили на территории России должны соответствовать экологическому классу Евро-4.

  • В очередной раз отечественные производители оказались не готовы к такому переходу, поэтому получили очередную отсрочку на 2 года.
  • Теперь все автомобили с 01 января 2012 года должны соответствовать стандарту по токсичности Евро-4, который предусматривает использование более качественного топлива, классом не ниже Евро-3.
  • С 2011 года в России вступил в действие технический регламент по бензинам, и в стране с января текущего года должен был начаться запрет на продажу бензинов Аи-95 класса ниже Евро-3.

Сроки ввода более высоких стандартов были перенесены по просьбе нефтяных компаний, которые не смогли к указанному сроку ввести достаточные мощности для производства топлива с новым качеством. Соответственно, переход на выпуск бензина Евро-4 был перенесен на 1 января 2012 года, а выпуск бензина Евро-5 на 1 января 2015 года.

Нормы токсичности отработавших газов (ОГ) новых малотоннажных коммерческих автомобилей утверждены Директивой 70/220/ЕЕС, которая впоследствии много раз дополнялась (в 1993, 1994, 2000, 2002 и 2009 гг.).

Ограничения касаются содержания окиси углерода, оксидов азота, углеводородов и твердых частиц (сажи). Дизели для грузовых автомобилей с 2000 года (Евро-3) дополнительно проходят тест на дымность.

Ужесточение норм Евро-5 и Евро-6 в основном касаются дизельных автомобилей, существенно ограничивая содержание выбросов твердых частиц (сажи) и оксидов азота. Большую роль на требование ЕВРО играет наличие катализатора в выхлопной системе автомобиля.

Катализатор – это составляющий элемент системы выхлопа автомобиля, который назначен для дожига выхлопной консистенции до экологически незагрязненной. Катализатор размещен или на приемной трубе, или сразу после нее.

Изнутри корпуса будет сотовая система (рис. 1) произведенная или на глиняном, или на железном носителе.

Соты необходимы для того, чтобы прирастить площадь связи выхлопных газов с поверхностью, на которую нанесен узкий пласт платино-иридиевого сплава.

Недогоревшие останки (CO, CH, NO) дотрагиваясь поверхности каталитического пласта, окисляются до полного конца кислородом, находящимся там так же в газах выхлопа.

Вследствие реакции выделяется тепло, разогревающее катализатор и, тем, активируется реакция окисления. В итоге на выходе из нейтрализатора (исправного) выхлопные газы имеют в своем распоряжении концентрацию СО2.

Настоящая концентрация отвечает общепризнанным меркам ЕС.

Окислительный катализатор уменьшает количество несгоревшего топлива и окиси углерода путем их сжигания (окисления) с помощью платины и палладия.

Этот катализатор также помогает оксиду углерода вступить в реакцию с несгоревшим кислородом, образуя углекислый газ.

Двигатель внутреннего сгорания чем опасны

Рис. 1. Двухслойный трехкомпонентный каталитический нейтрализатор отработавших газов:

  1. 1 — датчик концентрации кислорода для замкнутого контура управления;
  2. 2 — монолитный блок-носитель;
  3. 3 — монтажный элемент в виде проволочной сетки;
  4. 4 — двух — оболочковая теплоизоляция нейтрализатора.
  5. Вследствие этих реакций токсичные, вредные вещества CO, CHx и NOx восстанавливаются или окисляются в безвредную воду H2O, азот N2 и углекислый газ CO2.
  6. Для керамических катализаторов (рис 2):

1.                  Удар, например, о камень (достаточно небольшого удара, чтобы керамические соты рассыпались).

2.                  Попадание воды на раскаленный катализатор, например, если заехать в лужу на прогретой машине (также может привести к тому, что соты могут разрушиться).

3.                  Неисправность в системе зажигания. Если при пуске двигателя не происходит воспламенение, то топливо может попасть в приемную трубу, а затем и в катализатор, и при пуске двигателя бензин может взорваться в катализаторе (что также может привести к тому, что соты разрушатся).

Двигатель внутреннего сгорания чем опасны

Рис. 2. Керамический катализатор

  • Для всех катализаторов:
  • — некачественный и этилированный бензин;
  • — плохое состояние маслосъемных колпачков (попадание масла в катализатор);
  • — попадание в катализатор антифриза или «левых» технических жидкостей для промывки топливной системы;
  • — переобогощенная топливно-воздушная смесь;
  • — долгая работа двигателя на холостом ходу. 

Автомобиль начинает «тупить», ухудшаются динамические характеристики, автомобиль перестает «тянуть», плавают обороты на холостом ходу, катализатор может раскалиться докрасна (катализатор забился, т.е. снижена пропускная способность отработавших газов);

Характерный звон и дребезжание (соты катализатора рассыпались).

Катализаторы не подлежат ремонту, а только замене на «родной», либо на универсальный (рис.3). Также возможна замена катализатора на пламегаситель.

Двигатель внутреннего сгорания чем опасны

Рис. 3. Система выпуска отработавших газов (Renault Logan)

  1. 1 — выпускной коллектор;
  2. 2 — прижимная пластина крепления приемной трубы к выпускному коллектору;
  3. 3 — каталитический нейтрализатор отработавших газов;
  4. 4 — демпфер;
  5. 5 — дополнительный глушитель;
  6. 6 — основной глушитель;
  7. 7 — кронштейн подвески системы1 — выпускной коллектор.
  8. Рекомендации:
  9. •                     Установка нейтрализатора максимально близко к выпускному коллектору.
  10. •                     Снижение «щелевых объемов».
  11. •                     Установка датчика концентрации кислорода до нейтрализатора и после.
  12. Заключение:

В целом можно сказать, что автомобили снабжены аналогичными устройствами и схожими системами. Уровень содержания вредных веществ в выхлопных газах соответствует предъявляемым требованиям.

Литература:

1. Автотранспорт и загрязнение окружающей среды. Учебник для студентов высших учебных заведений. -М.: Изд-во ГЕОС, 1999. 4. Степановских А.С. Экология: Учебник для вузов.

2. Фокин Д. В. Каталитическая очистка отработавших газов: http://www.dvfokin.narod.ru/auto_ych/Benzin/Benzin_abgas_katalitic.htm (дата обращения: 01.04.2014)

Выхлопные газы ДВС — состав и действие на организм человека

Двигатель внутреннего сгорания чем опасны

Выхлопные газы ДВС — основной источник токсичных веществ двухтактного и четырехтактного двигателя внутреннего сгорания в городах, которые загрязняют воздух, которым дышит всё живое на Земле. Отработавшие газы, неоднородная смесь различных газообразных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха, аэрозолей и различных микропримесей (как газообразных, так и в виде жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателей в его выпускную систему. В своем составе они содержат около 300 различных веществ, большинство из которых — токсичны для организма человека.

Двигатель внутреннего сгорания чем опасны

Основными нормируемыми токсичными компонентами выхлопных газов двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводорода. Кроме того, с выхлопными газами в атмосферу поступают предельные и непредельные углеводороды, альдегиды, канцерогенные вещества, сажа и другие компоненты и также тяжелые металлы.

Примерный состав выхлопных газов ДВС

 

Компоненты выхлопного газа Содержание по объему, % Токсичность Двигатель бензин дизель
Азот 74,0 — 77,0 76,0 — 78,0 нет
Кислород 0,3 — 8,0 2,0 — 18,0 нет
Пары воды 3,0 — 5,5 0,5 — 4,0 нет
Диоксид углерода 5,0 — 12,0 1,0 — 10,0 нет
Оксид углерода 0,1 — 10,0 0,01 — 5,0 да
Углеводороды неканцерогенные 0,2 — 3,0 0,009 — 0,5 да
Альдегиды 0 — 0,2 0,001 — 0,009 да
Оксид серы 0 — 0,002 0 — 0,03 да
Сажа, г/м3 0 — 0,04 0,01 — 1,1 да
Бензопирен, мг/м3 0,01 — 0,02 до 0,01 да

Свинец

Свинец мягкий металл, который имеет 1 группу опасности. Отравление его соединениями занимает первое место по частоте среди всех соединений металлов [1]. В бензине этот металл известен под названием тетраэтилсвинец. По сути это тот же металл, только растворенный в жидкости (металлоорганическое соединение).

Тетраэтилсвинец до недавнего времени (в России до 2003 года [2]) использовался в качестве присадки в моторное топлива, повышающее его октановое число и препятствующее образованию детонации в цилиндрах двигателя.

Этилированный бензин пожалуй самое большое зло человечества, его соединение находили буквально повсюду, в том числе и в костях, мозгу, нервных волокнах и т.д. организмов.

А все началось с Джона Рокфеллера, который в 1870 году основал фирму «Standard Oil» [3].

В то время топливом для автомобилей являлся спирт, а бензин (в классическом его понимании) продавался в аптеках в качестве отбеливателия, Джон решил (после покорения рынка керосина — да, раньше вместо керосина использовали китовый жир), что вместо спирта для двигателей внутреннего сгорания нужно использовать его бензин.

Но проблема заключалась в том, что тот бензин имел очень низкое октановое число и двигателя запускались с большим трудом (а тогда был только кривой стартер), а срок службы значительно снижался — двигатель работал неустойчиво и издавал стуки. Перед Джоном Рокфеллером встала непростая задача — повысить октановое число бензина.

Именно тогда ему пришло на помощь изобретение Томоса Миджли [4] — тетраэтисвинец. В 1916 году изобретатель Чарлз Кеттеринг [4] объединился с молодым ученым Томосом. Вместе они собрали команду для поиска и исследования такой добавки в бензин, которая могла бы устранить шум и запах ДВС.

Они перепробовали сотни различных веществ — присадка была изобретена 1921 году и чтобы не вызывать лишних вопросов у населения, имела короткое название «Ethyl». Двигатель на этилированном бензине работал ровно и шептал словно кошечка. Однако в последствии изобретатель тетраэтилсвинца отравился своим же изобретением, но выздоровел, чего не скажешь о его коллегах.

Отравление чистым тетраэтилсвинцом происходит очень быстро. Всего лишь чайная ложка, попавшая непосредственно на кожу, может убить.

После впитывания в дерму, вещество проникает в мозг и через несколько недель вызывает симптомы, подобные бешенству: галлюцинации, тремор, дезориентацию и, наконец — смерть.

Дети в 5 раз более чувствительны к свинцу[5] чем взрослые, но они также более склонны испытывать неврологические проблемы, связанные с накоплением свинца в организме.

В 1983 году отделение Центра по контролю и профилактике заболеваний выявило «снижение уровня свинца в крови 1 к 1 со снижением свинца в бензине». При снижении продаж свинцового бензина на 50% уровень свинца в крови упал на 37%.

Сегодня общеизвестно, что уровень свинца в крови выше 5 мкг/дл может привести к повреждениям в мозгу ребенка, увеличивая шанс расстройств внимания, низкого IQ, влияя на успеваемость и задерживая половое созревание.

В середине 1980-х, Агентство по токсичным веществам подсчитало, что практически у 17% дошкольников уровень свинца в крови был выше 15 мкг/дл. Проблема была особенно острой в более бедных кварталах, странах и городах с высоким уровнем автомобилизации

В настоящее время от тетраэтилсвинца отказались практически все страны, в результате чего уровень свинца в крови американца упал до 0,858 мкг/дл, когда в 1975 году он равнялся 15 мкг/дл. Исследование 2002 года под номером PMC1240871 обнаружило, что из-за снижения свинца в окружающей среде к концу девяностых годов, уровень IQ среднего дошкольника вырос на пять баллов.

Теперь очередь за алюминием!

Недоксид или моноксид — он же угарный газ (CO)

Прозрачный, не имеющий запаха ядовитый газ, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Оксид углерода продукт неполного сгорания топлива, на воздухе горит синим пламенем с образованием диоксида углерода (углекислого газа).

В камере сгорания двигателя CO образуется при неудовлетворительном распылении топлива, в результате холоднопламенных реакций, при сгорании топлива с недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода при высоких температурах.

При последующем сгорании после воспламенения (после верхней мертвой точки, на такте расширения) возможно горение оксида углерода при наличии кислорода с образованием диоксида. При этом процесс выгорания CO продолжается и в выпускном трубопроводе.

Необходимо отметить, что при эксплуатации дизелей концентрация CO в выхлопных газах невелика (примерно 0,1 — 0,2%), поэтому, как правило, концентрацию CO определяют для бензиновых двигателей.

Оксиды азота (NO, NO2, N2O, N2O3, N2O5, в дальнейшем NOx)

Оксиды азота являются одними из наиболее токсичных компонентов отработавших газов. При нормальных атмосферных условиях азот представляет собой весьма инертный газ. При высоких давлениях и особенно температурах азот активно вступает в реакцию с кислородом.

В выхлопных газах двигателей более 90% всего количества NOx составляет оксид азота NO, который ещё в системы выпуска, а затем и в атмосфере легко окисляется в диоксид (NO2).

Оксиды азота раздражающе воздействуют на слизистые оболочки глаз, носа, разрушают легкие человека, так как при движении по дыхательному тракту они взаимодействуют с влагой верхних дыхательных путей, образуя азотную и азотистую кислоты.

Как правило, отравление организма человека NOx проявляется не сразу, а постепенно, причем каких либо нейтрализующих средств нет.

Закись азота (N2O гемиоксид, веселящий газ) газ с приятным запахом, хорошо растворим в воде. Обладает наркотическим действием.

NO2 (диоксид) бледно-желтая жидкость, участвующая в образовании смога. Диоксид азота используется в качестве окислителя в ракетном топливе. Считается, что для организма человека оксиды азота примерно в 10 раз опаснее CO, а при учете вторичных превращений в 40 раз. Оксиды азота представляют опасность для листьев растений.

Установлено, что их непосредственное токсичное влияние на растения проявляется при концентрации NOx в воздухе в пределах 0,5 — 6,0 мг/м3. Азотная кислота вызывает сильную коррозию углеродистых сталей. На величину выброса оксидов азота оказывает значительное влияние температура в камере сгорания.

Так, при повышении температуры от 2500 до 2700 К скорость реакции увеличивается в 2,6 раза, а при уменьшении от 2500 до 2300 К — уменьшается в 8 раз, т.е. чем выше температура, тем выше концентрация NOx. Ранний впрыск топлива или высокие давления сжатия в камере сгорания также способствуют образованию NOx.

Чем выше концентрация кислорода, тем выше концентрация оксидов азота.

Углеводороды (CnHm этан, метан, этилен, бензол, пропан, ацетилен и др.)

Углеводороды органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода, являются токсичными веществами. В выхлопных газах содержится более 200 различных CH, которые делятся на алифатические (с открытой или закрытой цепью) и содержащие бензольное или ароматическое кольцо.

Ароматические углеводороды содержат в молекуле один или несколько циклов из 6 атомов углерода, соединенных между собой простыми или двойными связями (бензол, нафталин, антрацен и др.). Имеют приятный запах.

Наличие CH в отработавших газах двигателей объясняется тем, что смесь в камере сгорания является неоднородной, поэтому у стенок, в переобогащенных зонах, происходит гашение пламени и обрыв цепных реакций Не полностью сгоревшие CH, выбрасываемые с выхлопными газами и представляющие собой смесь нескольких сотен химических соединений, имеют неприятный запах. CH являются причиной многих хронических заболеваний. Токсичны также и пары бензина, которые являются углеводородами. Допустимая среднесуточная концентрация паров бензина составляет 1,5 мг/м3. Содержание CH в выхлопных газах возрастает при дросселировании, при работе двигателя на режимах принудительного холостого хода (ПХХ, например, при торможении двигателем). При работе двигателя на указанных режимах ухудшается процесс смесеобразования (перемешивания топливовоздушного заряда), уменьшается скорость сгорания, ухудшается воспламенение и, как результат, — возникают его частые пропуски. Выделение CH вызывается неполным сгоранием вблизи холодных стенок, если до конца сгорания остаются места с сильным локальным недостатком воздуха, недостаточным распыливанием топлива, при неудовлетворительном завихрение воздушного заряда и низких температурах (например, режим холостого хода). Углеводороды образуются в переобогащенных зонах, где ограничен доступ кислорода, а также вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания. Они играют активную роль в образовании биологически активных веществ, вызывающих раздражение глаз, горла, носа и их заболевание, и наносящих ущерб растительному и животному миру.

Углеводородные соединения оказывают наркотическое действие на центральную нервную систему, могут являться причиной хронических заболеваний, а некоторые ароматические CH обладают отравляющими свойствами. Углеводороды (олефины) и оксиды азота при определенных метеорологических условиях активно способствуют образованию смога.

Смог от выхлопных газов

Смог (Smog, от smoke дым и fog — туман) ядовитый туман, образуемый в нижнем слое атмосферы, загрязненной вредными веществами от промышленных предприятий, выхлопными газами от автотранспорта и теплопроизводящих установок при неблагоприятных погодных условиях.

Он представляет собой аэрозоль, состоящую из дыма, тумана, пыли, частичек сажи, капелек жидкости (во влажной атмосфере). Возникает в атмосфере промышленных городов при определенных метеорологических условиях.

Поступающие в атмосферу вредные газы вступают в реакцию между собой и образуют новые, в том числе и токсичные соединения. В атмосфере при этом происходят реакции фотосинтеза, окисления, восстановления, полимеризации, конденсации, катализа и т.д.

В результате сложных фотохимических процессов, стимулируемых ультрафиолетовой радиацией Солнца, из оксидов азота, углеводородов, альдегидов и других веществ образуются фотооксиданты (окислители).

Низкие концентрации NO2 могут создать большое количество атомарного кислорода, который в свою очередь образует озон и вновь реагирует с веществами, загрязняющими атмосферный воздух. Наличие в атмосфере формальдегида, высших альдегидов и других углеводородных соединений также способствует вместе с озоном образованию новых перекисных соединений.

Продукты диссоциации взаимодействуют с олефинами, образуя токсичные гидроперекисные соединения. При их концентрации более 0,2 мг/м3 наступает конденсация водяных паров в виде мельчайших капелек тумана с токсичными свойствами. Их количество зависит от сезона года, времени суток и других факторов.

В жаркую сухую погоду смог наблюдается в виде желтой пелены (цвет придает присутствующий в воздухе диоксид азота NO2 капельки желтой жидкости). Смог вызывает раздражение слизистых оболочек, особенно глаз, может вызвать головную боль, отеки, кровоизлияния, осложнения заболеваний дыхательных путей.

Ухудшает видимость на дорогах, увеличивая тем самым количество дорожно-транспортных происшествий. Опасность смога для жизни человека велика. Так, например, лондонский смог 1952 г. называют катастрофой, так как за 4 дня от смога погибло около 4 тыс. человек.

Наличие в атмосфере хлористых, азотных, сернистых соединений и капелек воды способствует образованию сильных токсичных соединений и паров кислот, что губительно сказывается на растениях, а также сооружениях, особенно на исторических памятниках, сложенных из известняка. Природа смогов различна.

Например, в Нью-Йорке образованию смога способствуют реакции фтористых и хлористых соединений с капельками воды; в Лондоне присутствие паров серной и сернистой кислот; в Лос-Анджелесе (калифорнийский или фотохимический смог) наличие в атмосфере оксидов азота, углеводородов; в Японии — присутствие в атмосфере частиц сажи и пыли.

Снижение концентрации токсичных веществ в выхлопных газах

В настоящее время Правительства всех стран вводит определенные нормы на концентрацию вредных веществ в выхлопных газах автомобилей. Поэтому производители автомобилей, чтобы попасть на рынок, вынуждены проводить модернизацию систем автомобилей с целью снижения уровня выделения токсичных веществ.

Такими системами могут служить каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры, мочевина и многое другое. Так, например, для дизельных двигателей устанавливаются нейтрализаторы выхлопных газов, которые позволяют снизить токсичность на 80%. В системах бензиновых двигателей устанавливают антитоксикатор в систему питания, что также позволяет добиться снижения концентрации вредных веществ.

Снижение вредных веществ своими руками

Значительно снизить вредность выхлопных газов можно и самостоятельно:

  1. Приобретайте только качественное топливо.
  2. Не удаляйте каталитический нейтрализатор (конвертер) или сажевый фильтр. Сейчас в России происходит массовая скупка этого устройства под любыми причинами. Запомните, исправный катализатор не препятствует работе двигателя, не снижает его мощность или экономичность. Инженерами просчитано практически всё, в том числе катализатор включен в динамический и тепловой расчет ДВС, удаляя его, вы приобретаете массу неудобств: выхлоп с резким запахом, большее выделение пара в холоднее время года из выхлопной трубы, низкая эффективность работы двигателя за счет обязательной перепрошивки ЭБУ на евро-2, чуть больший расход топлива и, конечно, ТОКСИЧНОСТЬ.
  3. Следите за состоянием свечей зажигания и количеством отложений в камере сгорания.
  4. Воздушный фильтр также повышает токсичность выхлопа — меняйте и проверяйте его чаще.
  5. Следует содержать в исправном состоянии топливную систему и систему контроля состава выхлопа.

Источники:

1. Токсичные металлы 1 группы опасности 2. Федеральный закон от 2003 года «О запрете производства и оборота этилированного автомобильного бензина в Российской Федерации» 3. The Dismantling of The Standard Oil Trust 4. Thomas Midgley и Charles F. Kettering 5. Lead poisoning and health 6. The Most Important Scientist You’ve Never Heard Of (на русском тут)

Евгений Вдовин 28.02.2021 07:44

Воздействие двигателей внутреннего сгорания на окружающую среду — Экобаланс

17 сентября 2018

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».

Загрязнения двигателями внутреннего сгорания

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 двигателей внутреннего сгорания

Компоненты, содержащиеся в выхлопных газах можно разделить на вредные и безвредные.

Безвредные вещества:

  • Азот N2
  • Кислород O2
  • Диоксид углерода CO2 (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 ИЛИ УГАРНЫЙ ГАЗ (СО)

Угарный газ 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 оксида углерода 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.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector