Федеральное агентствопо образованию
Государственноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования
Волгоградскийгосударственный технический университет
(ВолгГТУ)
Кафедра «Теплотехники и гидравлики»
Реферат поэкологическим проблемам автомобильного транспорта
Тема: «Причины образования токсичныхкомпонентов в ОГ ДВС»
Выполнил:
студентка гр. АТ-315
Кузьмина М.В.
Проверил:
доц. Захаров Е.А.
Волгоград2009
Содержание
Введение
Образованиетоксичных компонентов
Сажа
Монооксидуглерода
Углеводороды
Диоксидуглерода
Оксидазота
Сера
Свинец
Альдегиды
Заключение
Списокиспользуемой литературы
Введение
В последнеевремя уменьшение загрязнения воздуха токсичными веществами, которые выделяютсяпромышленными предприятиями и автомототранспортом, является одной изсерьезнейших задач всех промышленно и экономически развитых стран. Загрязненныйвоздух оказывает вредное влияние на человека, растения, животных, здания идругие сооружения. Материальный ущерб, наносимый загрязнением атмосферы, труднооценить, так как для этого необходимы многочисленные сведения из различныхотраслей народного хозяйства страны.
Значениеавтомобильных двигателей внутреннего сгорания в загрязнении атмосферноговоздуха отдельных стран или районов довольно велика.
В крупныхгородах автомобильные двигатели являются одним из основных причин загрязнениявоздушного бассейна. Решающую роль в загрязнении воздуха в настоящее времяиграют бензиновые двигатели внутреннего сгорания. Тем не менее, уменьшениетоксичности транспортных дизелей также заслуживает серьезного внимания. Приконцентрации дизельного транспорта или оборудования в ограниченныхпространствах (карьерах, рудниках, шахтах и т. д.) дизели могут стать основной причинойзагрязнения воздушного бассейна токсичными веществами.
Токсичныевещества при использовании подвижных транспортных средств попадают в атмосферус выхлопными газами, испарениями из топливных систем и при заправке, а так же скартерными газами.
Такимобразом, разобравшись в причине образования отработавших газов, человечествоможет повлиять в лучшую сторону на решение экологических проблем автомобильноготранспорта.
Таблица 1Содержание веществ в отработавшихгазах двигателей внутреннего сгорания, % по объемуКомпонент Бензиновый двигатель Дизель Азот 74...77 74...78 Кислород 0,3...10,0 2...18 Водяной пар 3,0...5,5 0,5...9,0 Углекислый газ (диоксид углерода) 5...12 1...12 Оксид углерода (угарный газ) 0,5...12,0 0,005...0,4 Оксиды азота 0,01...0,80 0,004...0,5 Углеводороды 0,2...3,0 0,009...0,3 Альдегиды До 0,2 0,001...0,009
Сажа, г/м3 До 0,004 0,01...1,1
Бснз(а)пирен, мкг/ м3 До 25 До 10 Оксиды серы До 0,008 0,002...0,02 Оксиды свинца До 0,02 Отсутствуют
Примечание: в ОГ двигателей содержатся также: свинец, кремний, медь,кальций, цинк, фосфор, марганец, хром, натрий, барий, железо, никель и ряддругих веществ, входящие в состав присадок смазочного масла либо являющиесяпродуктами износа деталей двигателя, попадающие в КС вместе с маслом.
Рассмотримподробнее механизмы образования тех из веществ, содержание которых вотработавших газах двигателей внутреннего сгорания нормируется илипредполагается нормировать в будущем.
Образование токсичныхвеществ
Сажа. При сгорании углеводородных топлив в различныхгорелках и двигателях внутреннего сгорания в отработавших газах можетсодержаться твердый углеродный продукт в дисперсном состоянии (сажа). Другиетвердые углеродистые соединения (пироуглерод и нитевидный углерод) обычно вотработавших газах не содержатся, так как образование их происходит на твердых поверхностях.
Частица сажи— это агломерат пакетов (кристаллитов), которые, в свою очередь, состоят изнабора отдельных сеток (пластинок) графитовых шестиугольников. Кроме углерода сажа содержит 1—3% по массе (т. е. 10—30% по числуатомов) водорода, который может быть химически или физически связан суглеродом.
Образованиесажи представляет собой объемный процесс термического разложения (пиролиза)углеводородов в газовой (паровой) фазе в условиях сильного недостатка(отсутствия) окислителя (кислорода).
Реакцияпиролиза углеводородов может быть выражена уравнением
/> (1)
которое неописывает действительного механизма, приводящего к образованию твердогоуглерода. Существуют различные точки зрения на процесс образования сажи.
Наиболееобщая схема включает гидрогенизацию, дегидрогенизацию, крекинг (т. е.расщепление молекул), полимеризацию, конденсацию (т. е. присоединение молекул,приводящее к образованию очень больших молекул другого типа).
Механизмобразования включает несколько стадий:
— образованиезародышей;
— ростзародышей до первичных частиц (шестиугольных пластинок графита);
— увеличениеразмеров частиц (коагуляция) до сложных образований — конгломератов, включающих100—150 атомов углерода;
— выгорание.
Скоростьобразования сажи определяется скоростью химических процессов, приводящих квозникновению зародыша (т. е. кинетикой процесса).
Схемавозможных механизмов (путей) образования сажи показана на рис. 1.
Приотносительно низких температурах (менее 1500 К) реакции полимеризации иконденсации преобладают над реакциями гидрогенизации. В этих условияхзародышами могут быть ароматические или полициклические соединения. Притемпературах 2000— 3500К, соответствующих процессу сгорания в двигателях,происходит распад молекул или даже их расщепление.
/>
Необходимоотметить, что образование сажи в предварительно перемешанном и диффузионномпламени (ламинарном и турбулентном) также происходит через пиролиз молекулуглеводорода.
Многочисленнымиэкспериментальными исследованиями установлены концентрации окислителя, прикоторых начинается выделение сажи из пламени. Эти концентрации оцениваюткоэффициентом избытка воздуха при сгорании α.
Концентрационныйпредел начала образования сажи зависит от многих факторов (температуры,давления, вида топлива, типа горелки) и по α составляет 0,33—0,7. Сувеличением температуры начало образования сажи сдвигается в сторону болеебогатых топливовоздушных смесей, с увеличением давления — в сторону болеебедных смесей. Максимум сажесодержания при повышении температуры процесса такжесдвигается в сторону богатых смесей. Необходимо отметить, что на образованиесажи в пламени (горелка или цилиндр двигателя внутреннего сгорания) коэффициентизбытка воздуха влияет не непосредственно, а через физические факторы(температура пламени; появление зон смеси с концентрациями, благоприятными длятермического разложения).
Количествообразовавшейся сажи в большой степени зависит от температуры в зоне пиролизауглеводородов. С ростом температуры это количество резко увеличивается, так какскорость реакции (1) контролируется ее кинетикой. Подобным образом влияет иувеличение давления.
Висследованиях сажеобразования на модельной установке (при впрыске вторичногожидкого топлива в продукты сгорания) установлено существование равновеснойтемпературы процесса, т. е. температуры, при которой процесс характеризуетсяравновесием между скоростями горения и распада топлива в тепловом выражении.
Максимальноесажесодержание в продуктах горения соответствует равновесной температуре.Уменьшение или увеличение температуры по сравнению с равновесной уменьшаетсажесодержание. Равновесная температура зависит от условий эксперимента и видатоплива.
Установлено,что образование сажи зависит от свойств топлива. Чем выше молекулярный веспредельных и непредельных углеводородов с прямыми цепями, тем выше скорость образованиясажевых частиц. Это можно объяснить тем, что прочность одной и той же связизависит от длины молекулы. Так, при увеличении числа атомов углерода в молекулеот 2 до 5 прочность связи между группами СН у алканов уменьшается от 333 до 268кДж/моль. Выявлено также, что концентрации сажи тем больше, чем выше отношениеС/Н в топливе.
Различныеуглеводороды (с одинаковым числом атомов С) по степени увеличения склонности кобразованию сажи располагаются следующим образом: нормальные парафины, изопарафины,циклопарафины, олефины, циклоолсфнни, деолефины, ароматики.
В дизелеможно наблюдать явление, когда при большой нагрузке топливо, содержащееароматические углеводороды, меньше образует дыма, чем топливо, имеющее в своемсоставе парафины. Это происходит из-за более длительного периода индукции вслучае сгорания топлива с ароматическими углеводородами, вследствие чего смесьв камере сгорания имеет больше возможностей стать гомогенной до начала горения.
В процессеобразования и после образования сажевых частиц может происходить выгорание их вреакциях с радикалами ОН или кислородом. В основном при составах смеси беднеестехиометрического (в дизелях) происходит прямое окисление сажи кислородом.Скорость выгорания сажи значительно меньше скорости выгорания газообразныхпродуктов неполного сгорания (например, СО). Скорость выгорания сажи существенно зависит от размеровчастиц (поверхности). Былоопределено, что вся образовавшаяся в пламени сажа может выгореть только в томслучае, если размеры частиц не будут превышать 100 А. Все это позволяетобъяснить особенности выделения сажи в процессах сгорания в двигателях.
При сгораниигомогенных топливовоздушных смесей концентрационные пределы начала образованиясажи выходят за границы диапазона α, при которых нормально работаюткарбюраторные двигатели с искровым зажиганием. В карбюраторных двигателях,имеющих в цилиндре перед началом сгорания гомогенную (или близкую к ней)топливовоздушную смесь, содержание сажи в отработавших газах незначительно. Вцилиндре дизеля происходит диффузионное горение гетерогенной смеси. При этом всамой зоне пламени состав смеси близок к стехиометрическому, и температурысоответственно высоки. К этим высокотемпературным зонам примыкают зоны созначительно более богатой смесью (до α = 0); здесь создаются благоприятныеусловия для пиролиза с очень малым доступом кислорода. Таким образом, характерсмесеобразования и сгорания в дизелях предопределяет значительно большее, посравнению с двигателями с искровым зажиганием, образование сажи.
Первичныеструктуры, из которых состоит сажа, образующаяся в дизелях, представляют собой частицысферической формы диаметром 150—1700 А с удельной поверхностью до 76 м2/г.Однако еще в процессе сгорания происходит коагуляция частиц сажи, приводящая кобразованию вторичных и третичных структур. Сажа в отработавших газах дизелейпредставляет собой образования неправильной формы с линейными размерами 0,3—100мкм. Большая часть сажевых образований имеет размеры 0,4—5 мкм. В процессерасширения газов в цилиндре дизеля к частицам сажи поступает кислород(вследствие движения газов и диффузии кислорода), т. е. создаются условия,благоприятные для выгорания сажи. Исследования образования и выгорания сажи вцилиндре дизеля, выполненные методом спектрального анализа, показали, чтозначительная часть сажи выгорает в процессе расширения. Выделение сажи сотработавшими газами дизеля зависит, следовательно, как от процессаобразования, так и от процесса выгорания ее. Однако некоторые исследователипроцессу выгорания сажи при расширении придают меньшее значение.
Исследованиеобразования сажи в цилиндре дизеля 12/14 с камерой сгорания в поршне,выполненное с использованием газоотборного клапана стробоскопического типа,показало, что выгорание сажи в процессе расширения может быть значительно.
При турбулентномперемешивании горящей смеси образование сажи уменьшается, а выгорание ееувеличивается. Интересно сопоставить экспериментальные данные с концентрацией С, полученной расчетом из условий равновесия для среднихпараметров газа в цилиндре. Равенство нулю равновесной концентрации С является дополнительным подтверждением того, что образованиесажи происходит в местных переобогащенных топливом зонах.
Образованиесажи в дизелях может происходить также при попадании струй топлива на сравнительнохолодные стенки цилиндра.
Моноксидуглерода СО. В двигателях внутреннего сгорания образование окиси углеродаможет происходить в ходе холоднопламенных реакций, при сгораниитопливовоздушных смесей с некоторым недостатком кислорода, а также вследствиедиссоциации двуокиси углерода, происходящей при высоких температурах (более 2000К). В процессе последующего сгорания и расширении при наличиикислорода возможно горение окиси углерода. Оно происходит по цепному механизму,который установлен на основе работ советских ученых (Я. Б. Зельдовича, Н. Н.Семенова, В. Н. Кондратьева) и который может быть представлен следующимиэлементарными стадиями.
Зарождениецепей
Н2O + СО = Н2+ СO2; (2)
Н2+ O2 = 2OН. (3)
Продолжениецепей
ОН+ СО = С02 + Н. (4)
Разветвлениецепей
Н + O2 = ОН + О;(5)
О + Н2= ОН + Н. (6)
Обрыв цепейна стенках
2Н + стенки =Н2. (7)
Обрыв цепей вобъеме
СО+ О = СO2. (8)
Скоростьпроцесса определяет наиболее медленная реакция (4). Таким образом, окисление СОзависит от концентрации водорода и гидроксила в продуктах сгорания.
В дизелях, работающих при α> 1,вероятность указанных превращений во фронте пламени мала и в отработавших газахсодержится меньше СО, но в цилиндрах находятся дополнительные источники егопоявления:
— низкотемпературныеучастки пламени стадии воспламенения топлива;
— каплитоплива, поступающие в камеру на поздних стадиях впрыска и сгорающие вдиффузионном пламени при недостатке кислорода;
— частицы сажи,образовавшейся в период распространения турбулентного пламени по гетерогенномузаряду, в котором при общем избытке кислорода могут создаваться зоны с егодефицитом и осуществляться реакции типа
2С+О2 →2СО (9)
Так как принормальной эксплуатации дизелей концентрация СО в отработавших газах обычно невелика (не превышает 0,1—0,2%), то основное внимание в последние годы былоуделено анализу механизма образования и сгорания окиси углерода в карбюраторныхдвигателях.
/>
Рис.2Равновесные концентрации CO в зависимостиот степени расширения
Сравнениеравновесных концентраций СО, подсчитанных для идеального цикла с подводом теплапри постоянном объеме в зависимости от расширения смеси (рис. 2), с опытными даннымио концентрациях СО в отработавших газах показало, что последние значительновыше равновесных при температуре конца расширения. Значения 0 и 1,0 по осиабсцисс соответствуют началу и концу расширения. Замеренные концентрации СОближе к равновесным при условиях начала расширения. Исследования последних летпоказали, что это расхождение может быть объяснено на основе законов кинетикихимических реакций. В качестве реакции, определяющей содержание окиси углеродав отработавших газах, принята реакция (4). Скорость уменьшения концентрации СО(или увеличения концентрации СО2) определяется при этом уравнением
— d[СО]/dτ = К1С [СО] [ОН], (10)
где К1C — константа скорости реакции; К1C =7,10-1012ехр(-32200/RT) см3/(моль∙с)[Т—абсолютная температура, R — универсальнаягазовая постоянная; Дж/(моль∙К)]; [СО] и [ОН] — концентрации СО и ОН.
При частотевращения коленчатого вала n=1500 об/минпроцесс расширения в четырехтактном двигателе длится около 20 мс. За это времятемпература изменяется примерно на 1200 К, т. е. скорость изменения температурысоставляет около 60 К/(м∙с).
Вопределенный момент расширения происходит «закалка» продуктовдогорания окиси углерода. При составе смеси, близкой к стехиометрическому,температура «закалки» равна примерно 1020 К. По мере обогащения смеситемпература «закалки» несколько увеличивается, приближаясь при α ≈0,7 к максимальной теоретическойтемпературе цикла.
Углеводороды СХНУ — свыше двухсотразличных углеводородов, образующихся вотработавших газах двигателей в результате:
— реакцийцепочно-теплового взрыва — пиролиза и синтеза (полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), альдегиды, фенолы);
— неполнотысгорания в результате нарушения процесса горения (из-за прекращения реакцийокисления углеводородов при низких температурах, неоднородноститопливо-воздушной смеси, пропусков зажигания в отдельных циклах или цилиндрахдвигателя (несгоревшие компоненты топлива и масла).
/>
Рис.3
В рядеисследований было также установлено, что вблизи сравнительно холодных стеноккамеры сгорания происходит гашение пламени. Это приводит к замедлению илиисключению реакций горения в части смеси, находящейся в зоне гашения.Фотографирование процесса сгорания в четырехтактном бензиновом двигателе черезкварцевое окно в головке цилиндра позволило определить толщину зоны гашения впределах 0,05—0,38 мм. На рис. 3 показана зависимость содержания углеводородовв пробе газа от объемаотбираемой за цикл пробы. Видно, что внепосредственной близости от стенок камеры концентрация СН резко возрастает.Таким образом, зона гашения является одним из источников выделенияуглеводородов. Углеводороды (различного вида) могут образовываться и в зонах,где происходит пиролиз, то есть в переобогащенных зонах. Если доступ кислородапри такте расширения в камере сгорания будет ограничен в эти зоны, тоуглеводороды попадут в выпускной коллектор. Наиболеетоксичными веществами из углеводородов являются полиароматические. Максимальнуютоксичность из них имеет бенз(α)пирен С20Н12.Возможная реакция образования С20Н12 при пиролизеуглеводородных топлив при температуре более 873К возможно соответствует виду:
С6Н2 +3С2Н2+4С2Н→С20Н12 (11)
где С6Н2— полирадикал, являющий зародыш сажи; С2Н2, С2Н —элементные строительные блоки. Бенз(α)пирен образуется одновременно ссажей примерно по аналогичному механизму.
Диоксидуглерода СО2не является токсичным веществом. Его вредность связана с постоянным повышениемконцентрации в атмосфере Земли и его влиянием на изменение климата планеты. Впоследние десятилетия начали предпринимаются меры по регламентированию еговыброса энергетическими, промышленными и транспортными объектами.
Львиная доляобразовавшихся в цилиндрах двигателя СО окисляется до СО2, непроникая за пределы камеры сгорания, так как померенная объемная доля двуоксисиуглерода в отработавших газах примерно равна 10—15%, т. е. в 300—450 разбольше, чем в нашей атмосфере. Самый большой вклад в образование СО2вносит следующая реакция
СО+ОН-→СО2+Н- (12)
которая ктому же необратимая. Процесс окисления СО в СО2 идет в выпускномтрубопроводе и в нейтрализаторах (дожигателях) отработавших газов двигателейвнутреннего сгорания, устанавливающихся на современном автомототранспорте дляпринудительного окисления СО и несгоревших углеводородов до СО2,дабы соблюдать нормы токсичности.
Величинавыбросов CО2зависит от физико-химических и теплофизических свойств топлив и их расхода. Прииспользовании в качестве автомобильного топлива водорода в продуктах сгоранияСО2 отсутствует.
Оксиды азота NOX представляютнабор следующих соединений: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4 и N2O5. Преобладает NO (99% вбензиновых двигателях и более 90% в дизелях).
В камересгорания NO может образовываться:
1)при высокотемпературном окисленииазота воздуха (термический NO);
2)в результате низкотемпературногоокисления азотсодержащих соединений топлива (топливный NO);
3)из-за столкновения углеводородныхрадикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсацийтемпературы (быстрый NO).
В процессесгорания топлив окислы азота (практически лишь окись NO) образуютсяв результате реакций окисления азота кислородом воздуха. В реакции образования NO можетучаствовать как азот, содержащийся в топливе, так и азот атмосферного воздуха.
Внефтепродуктах содержится до 5% азотистых соединений (0,3—0,6% по весу чистогоазота). Основными азотосодержащими компонентами твердого и жидкого топлив являютсяпиридин и его производные. Азот топлива легче вступает в реакцию окисления, чематмосферный азот.
Предполагаемыймеханизм образования NO изтопливного азота
I+R+NO+…; (13)
I+NO→N2+…; (14)
где R — компоненты, не содержащие азота.
Возможно, чтоI представляет собой NH2, а R — это ОН.
При содержаниив топливе азота в количестве 1,4% от веса было зафиксировано в процессесгорания увеличение выделения NO примерно в10 раз.
Рядисследований, выполненных на лабораторных установках с добавкой к топливуазотосодержащих соединений (пиридина, аммиака и др.), показал, что количествообразовавшихся окислов азота не зависит от типа азотосодержащего компонента иопределяется содержанием чистого азота в топливе.
Установленотакже, что степень окисления азота топлива зависит от его концентрации втопливе и от вида пламени. Так, например, при α=1,1 в предварительноперемешанном пламени метана в воздухе и добавке аммиака от 1 до 9,3% степеньпревращения NH3 в NO уменьшаетсяс 95 до 63%. В диффузионном пламени NO образуется в2—3 раза меньше, чем в предварительно перемешанном.
В пламени присжигании азотосодержащих топлив были зафиксированы концентрации окислов азота,значительно превышающие равновесные:
N2 + О2⇆2NO. (15)
Это можнообъяснить тем, что механизм образования NO включаеттакже реакции (13). (14), поэтому невозможно сравнивать действительныеконцентрации NО с равновесными по уравнению (15), которое справедливо толькодля образования NО в зоне продуктов сгорания из атмосферного азота.
ИсследованияР. А. Липштейна показывают, что при перегонке нефти азотистые соединенияостаются в тяжелых фракциях. Фракции с температурой перегонки до 350°С содержатне более 4% всего азота, находящегося в нефти. Поэтому для дизельных топлив, атем более бензинов, получаемых из нефти, можно не учитывать при анализеобразования NO реакции с топливным азотом.
Однако дляиспользуемых в тихоходных дизелях моторных топлив (ДТ-1, ДТ-2, ДТ-3), у которыхтолько 15% составляющих топлив перегоняется до температуры 250°С, а также длямазутов нельзя пренебрегать содержанием топливного азота.
Общепринятойтеорией образования окиси азота из атмосферного азота и кислорода в процессесгорания является термическая теория.
Основныеположения этой теории приведены ниже.
1. Окислениеазота происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания.
2. Выход оксидовазота зависит от максимальной температуры горения, концентрации азота икислорода в продуктах сгорания и не определяется природой топлива (приотсутствии в топливе азота).
3.Окислениеазота происходит по цепному механизму:
N2 + О ⇆ NO + N — 316 кДж/моль;(16)
N + О2 ⇄ NO + О + 136 кДж/моль. (17)
Главнойявляется реакция (16). Её скорость определяется концентрацией атомарногокислорода. Когда в газовой смеси есть водяные пары, процесс образования NO может стать комбинированным и включатьвместе с реакциями (16) и (17) следующие реакции:
ОН +N2 = NO +NH; (18)
NH + 02= NO + OH. (19)
Но все-такиглавным механизмом термического образования является цепная реакция через атомыкислорода(16).
4.Выход NO определяетсяскоростью охлаждения продуктов сгорания.
5.Присгорании бедных смесей (при малой подвижности реакции) выход NO зависит отмаксимальной температуры взрыва, то есть от кинетики ее образования. При сгорании богатыхсмесей выход NO уже не определяется максимальнойтемпературой взрыва и зависит от кинетики разложения, то есть от«закалки» образовавшейся окиси азота.
6. Концентрацияокислов азота не будет больше равновесной при максимальной температуре взрыва.
7. Махе-эффект(неравномерное распределение температуры в зоне продуктов сгорания) заметновлияет на выход NO при горениибедных смесей и слабо при горении богатых смесей.
Для анализаобразования окиси азота в цилиндре двигателей внутреннего сгорания имели местопопытки применения бимолекулярного механизма. В некоторых случаях прииспользовании указанного механизма было получено достаточно хорошее совпадениеопытных и расчетных концентраций NO. Однакорасчеты показывают, что при условиях, существующих в цилиндре двигателей впроцессе сгорания, доля бимолекулярного механизма в общем процессе образования NOнезначительна (по сравнению с цепным механизмом). В последние годы в связи свыделением в атмосферу значительных количеств окислов азота с отработавшимигазами двигателей внутреннего сгорания было проведено много исследований длявыяснения механизма образования окислов азота в цилиндрах двигателей различных типов и влияния на количествоокислов азота в отработавших газах параметров рабочего процесса. Исследованиепроцесса образования окислов азота в цилиндредвигателя внутреннего сгорания усложняется изменением объема камеры сгорания(из-за движения поршня), гетерогенностью топливовоздушной смеси, движениемсмеси в камере сгорания, диссоциацией продуктов сгорания, неравномерностьюраспределения топлива по отдельным цилиндрам и цикловой неравномерностью. Установлено,что при максимальных температурах цикла в дизелях и двигателях с искровымзажиганием (Tmах=1800÷2800К) из окислов азота практическиобразуется только NO. Вотработавших газах двигателей с искровым зажиганием содержание NО составляет99% количества всех окислов азота (NOx), а в отработавших газах дизелей — более 90%. В выпускной системедвигателя (при наличии кислорода в продуктах сгорания) после выходаотработавших газов в атмосферупроисходит окисление NO до NO2 по реакции
2NO+О2= 2NO2. (20)
В ряде работустановлено, что в цилиндре двигателей внутреннего сгорания (дизелей идвигателей с искровым зажиганием) происходит «закалка» («замораживание»)окиси азота на уровне максимальной концентрации. Исключением является случай сжиганияобогащенных смесей (при α
/>
На рис. 4,a приведены результаты исследований по образованию NО вцилиндре двигателя с искровым зажиганием, выполненных с помощьюбыстродействующего газоотборного клапана с гидравлическим приводом. Подобнаякартина наблюдалась и в цилиндре дизеля 1Ч 12/14 с камерой сгорания в поршне.Отбор проб проводился газоотборным клапаном, установленным в крышке цилиндра.
Увеличение максимальной температуры впроцессе сгорания, получаемое изменением различных параметров рабочего процесса,всегда приводило к увеличению выхода NO (для топлив, не содержащих азот). В цилиндре двигателя в процессесгорания топлива температура газа в различных частях объема камеры сгоранияразлична. В тех зонах, где сгорание топлива произошло раньше, температура газавыше вследствие «поджатая» газа из-за сгорания в последующих зонах.Кроме того, из-за неоднородности топливовоздушной смеси в цилиндре содержаниекислорода в продуктах сгорания может быть неодинаковым в различных частяхкамеры сгорания. Это приводит к различию концентраций окиси азота по объемукамеры сгорания, особенно в случаях, когда в камере сгорания неторганизованного движения воздуха.
Сказанное вышеподтверждается экспериментальными данными, полученными при отборе проб газагазоотборным клапаном, установленным в разных местах камеры сгораниячетырехтактного двигателя с искровым зажиганием (рис. 4, а). Концентрация NОx в пробах газа, отобранных прирасположении клапана в боковом отверстии 2, оказалась значительно выше(примерно на 1500 млн-1), чем в пробах при верхнем расположенииклапана.
В случае расположенияклапана в боковом отверстии фронт пламени от свечи зажигания подходит к немураньше, что соответствует отбору пробы из зоны с более высокой температурой.Достаточного перемешивания продуктов сгорания при отсутствии организованногодвижения воздуха в цилиндре не происходит и в процессе расширения. В тонкомпограничном слоена поверхности камеры сгорания процесс сгорания практическиотсутствует. Температура этого слоя, называемого также «зоной гашения»,ниже температуры продуктов сгорания, отдаленных от стенок камеры. Концентрацияокиси азота в «зоне гашения» также значительно ниже. Этоподтверждается зависимостью концентрации NOX в пробе газа, отбираемой газоотборнымклапаном, от объема пробы за цикл (рис. 5). Уменьшение объема пробы газа,отбираемой из цилиндра за один цикл, при прочих равных условиях эквивалентноуменьшению толщины слоя газа, из которого взята проба.
/>
/>
В дизелях такженаблюдается заниженное содержание продуктов окисления в пробах газа, отобранныхв зоне слоя, расположенного около стенки цилиндра. На рис. 6 приведеназависимость различных компонентов в пробе газа, отбираемой из цилиндра дизеля 1Ч12/14 с камерой сгорания в поршне, от объема пробы за цикл. Изменениеконцентрации NОХ имеет такой же характер, как и для двигателей сэлектрическим зажиганием.
Все проведенныеисследования по образованию NОХв цилиндрах двигателей внутреннего сгорания подтверждают термический характерданной реакции.
В последние годы быливысказаны предположения о том, что образование окиси азота может происходить вофронте пламени, в котором наблюдаются концентрации атомарного кислорода (О) и гидроксильногорадикала (ОН), на несколько порядков превышающие равновесные в зоне продуктовсгорания. Однако для условий сгорания в двигателях, в цилиндрах которыхтемпература продуктов сгорания в процессе сгорания повышается также врезультате «поджатая» сгоревших элементов заряда, образование NО вофронте пламени незначительно влияет на общее выделение N.
Расчетные данные образования NO в цилиндре двигателей по двумреакциям цепного механизма (через О и N) и реакции бимолекулярного механизма по равновесным концентрациям О2и О в зоне продуктов сгорания достаточно хорошо согласуются сэкспериментальными. Это также является подтверждением того, что в основном NO в цилиндре двигателей образуется взоне продуктов сгорания по термическому механизму (при работе на топливах безсодержания азотистых соединений).
Сера, котораясодержится в автомобильном топливе, во время горения интенсивно окисляется до двуокисисеры по способу, похожему на механизм образования СО. Двуокись серы можетокисляться (с намного меньшей скоростью) до SO3 по следующемууравнению:
SO2+0,5O2→SO3(21)
Далеепроисходит реакция SO3 с парамиводы, приводящая к образованию H2SO4, которая протекает на стенках притемпературе ниже 815К.
Свинец всоставе твердых частиц (из-за использования этилированных бензинов)присутствует в виде соединений галогенидов свинца, которые образуются посходному механизму образования сажи.
Альдегиды RCHO
В дизеляхальдегиды образуются в период предпламенных реакций, протекающих впериод подготовки топливовоздушной смеси к сгоранию, когда процесс окисленияпротекает при низких температурах (их называют также холоднымпламенем). Альдегиды и пероксиды (перекиси) являются типичными продуктами этихреакций. При образовании альдегидов выделяется тепло. В процессе самовоспламенениятоплива они активной роли не играют. Как в дизелях, так и в двигателях сискровым зажиганием могут образоваться альдегиды, если часть процесса сгоранияпротекает при низких температурах, что наблюдается при охлаждении горящей смеси сравнительно холоднымиповерхностями, ограничивающими камеру сгорания, или при сгорании оченьобедненной смеси, характерной для малых нагрузок у дизеля, или сгораниепоследней порции топлива в бензиновых двигателях, или в концепроцесса сгорания в двигателях с послойным смесеобразованием. В процессесгорания, происходящем при высоких температурах, альдегиды могут сгорать.
Заключение
Я думаю, что когданемецкие изобретатели Г.Даймлер и К.Бенц сделали и запатентовали первыйавтомобили с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания, они не думали ккаким серьезным экологическим проблемам придет их детище. В идеале при полномсгорании углеводородного топлива, в частности бензина, конечными продуктамидолжны являться углекислый газ и водяные пары. Но, к сожалению, в реальной жизниполного сгорания добиться пока технически невозможно. Кроме того, любое топливосодержит множество добавок, которые отнюдь не улучшают свойства отработанныхгазов.
Количество и составотработанных газов определяются и конструктивными особенностями автомашин,режимом работы их двигателей, техническим состоянием, качеством дорожныхпокрытий, метеоусловиями. Особенность работы автомобильных двигателей — переменные нагрузки, то есть периодические изменения режима работы: холостойход, разгон, установившееся движение и торможение.
Но меры, направленные наулучшение экологической обстановки все же предпринимаются. ПравительствоРоссийской Федерации одобрило специальный технический регламент (ПОСТАНОВЛЕНИЕ от 12 октября2005 г. N 609(в ред. Постановления Правительства РФ от 27.11.2006 N 718). Всоответствии с регламентом вводятся экологические классы указанной техники, взависимости от уровня выбросов вредных веществ; определены сроки введения вдействие в отношении выпускаемой в обращение на территории РФ нормативовавтомобильной техники: экологического класса 2 (ЕВРО-2) — с даты вступления всилу данного Регламента, экологического класса 3 (ЕВРО-3) — с 1 января 2008года, экологического класса 4 (ЕВРО-4) — с 1 января 2010 года, экологическогокласса 5 (ЕВРО-5) — с 1 января 2014 года.
Одновременноустанавливаются основные технические требования к характеристикам бензина идизельного топлива, позволяющие обеспечить введение вышеперечисленныхэкологических классов автомобильной техники.
Также широкое применениев настоящее время нашли нейтрализаторы. Они бывают разных видов и различаютсяпо назначению, конструкции и механизмам действия. Я считаю, это существенный иэффективный шаг по снижению токсичности отработавших газов на автомобильномтранспорте.
Будем верить, что вближайшем будущем будет предприняты все вышеперечисленные методы по улучшениюэкологической обстановки. Желательно, чтобы все эти методы были приведены вдействие в комплексе, ибо как мы знаем из медицины только комплексное лечениедает существенные результаты по улучшению здоровья больного, в нашем случаематушки-Земли.
Список используемойлитературы
1. Кульчикий А.Р. «Токсичностьавтомобильных и транспортных двигателей», 2004г.
2. Лукашин В.Н.,Трофименко Ю.В. «Промышленно-транспортная экология», 2001г.
3. Звонов В.А. «Токсичностьдвигателей внутреннего сгорания», 1981г.