Привет студент

Воздействие отработавших газов

К основным источникам поступления вредных веществ в атмосферу при эксплуатации автотранспортных средств относятся:

• отработавшие газы (ОГ), выбрасываемые двигателями внутреннего сгорания (ДВС);

• картерные газы, представляющие смесь части ОГ, проникающих через неплотности поршневых колец в картер ДВС, с парами смазочного масла;

• топливные испарения, поступающие в атмосферу из системы питания ДВС.

Основную долю в указанных выбросах, естественно, составляют отработавшие газы. В результате такого воздействия в окружающей среде выявлены следующие вредные компоненты: монооксид углерода (СО), оксиды азота (NO_х), сернистый ангидрид (SO₂), низкомолекулярные углеводороды (С_mН_n), полицикличе-ский ароматический углеводород бензпирен (С₂₀Н₁₂), акролеин, формальдегид, аэрозоли в виде сажи и различных химических соединений (нитриды, сульфаты, гидрокарбонаты и т. д. ), соединения свинца.

По воздействию на организм человека компоненты выбросов ДВС в атмосферу подразделяются на группы:

• токсичные (СО, NO_х, SO₂, С_m Н_n свинцовые соединения);

• канцерогенные (С₂₀Н₁₂);

• раздражающего действия (акролеин, формальдегид, SO₂, С_mH_n);

• изменяющие качество среды обитания (С_mН_n, С, пары масел).

Действие вредных веществ на окружающую среду и человека.

Монооксид углерода (угарный газ) — бесцветный газ без вкуса и запаха, плотность составляет 0, 97 г/см³, является горючим, с воздухом может образовывать взрывчатую смесь, в воде практически не растворяется. При вдыхании проникает в кровь, вступает в реакцию с ее гемоглобином, замещая кислород О₂ и образуя здесь комплексное соединение карбоксигемоглобин. Поскольку СО реагирует с гемоглобином в 210 раз быстрее, чем кислород, то развивается гипоксия (кислородная недостаточность), признаками которой являются нарушения в центральной нервной системе, поражения тканей дыхательной системы, снижение остроты зрения и изменение цветовой чувствительности глаз, в результате чего возрастает вероятность аварий.

Оксиды азота — смесь NO, N0₂, N₂O₃, N₂O₄. Над автомагистралями и прилегающими территориями, как правило, встречаются NO и NO₂. NO (бесцветный газ) в воздухе быстро окисляется до NO₂ (стабильный газ желтовато-бурого цвета, сильно ухудшающий видимость). Плотность его составляет 1, 58 г/см^, растворяется в воде. Верхний температурный предел существования NO₂ — +620 °С, поскольку при такой температуре он полностью диссоциирует на NO и кислород. При понижении температуры NO окисляется до NO₂. Токсичность NO₂ в 7 раз выше токсичности NO. На организм человека при концентрации до 15 мг/м³ в воздухе NO₂, действует как острый раздражитель, так как растворяется в жидкости на поверхностях легких с образованием смеси азотной и азотистой кислот. Однако при концентрации 200... 300 мг/м³ NO₂ вызывает отек легких.

Сернистый ангидрид (диоксид серы) — бесцветный газ с резким запахом. Плотность 2, 264 г/см³, хорошо растворяется в воде, образуя сернистую кислоту. Длительное воздействие даже при относительно низких концентрациях SO₂ увеличивает смертность от сердечно-сосудистых заболеваний, обусловливает появление бронхитов, астмы и других респираторных заболеваний. Даже при малом содержании (0, 001 %) в воздухе SO₂ вызывает раздражение дыхательных путей, а при концентрации 0, 01 % происходит отравление человека через 1 мин.

Низкомолекулярные углеводороды — обширная группа соединений типа С_хН_y Обладают неприятным запахом и способностью наркотического действия на организм человека, вызывая состояние эйфории, что увеличивает вероятность дорожно-транспортных происшествий.

Бенз(а)пирен — полициклический ароматический углеводород. При нормальных атмосферных условиях — кристаллический продукт, плохо растворимый в воде. Температура плавления + 179 °С. Попадая в организм человека и постепенно там накапливаясь до критической концентрации, стимулирует образование злокачественных опухолей, в частности рака легких.

Акролеин — бесцветная жидкость с запахом горелых жиров. Плотность 1, 9 г/см’, хорошо испаряется, летуч. Легко растворяется в воде. Температура кипения +52, 4 °С. Оказывает беспокоящее воздействие на человека при концентрациях выше 0, 0005 %. При повышении концентрации до 0, 002 % возникают необратимые изменения в организме, а при концентрации выше 0, 014 % возможен летальный исход через 10 мин.

Сажа — твердый фильтрат ОГ, состоящий в основном из частиц углерода с дисперсностью 0, 19... 0, 54 мкм, вследствие чего они могут достигать альвеол легких и откладываться в носовых пазухах, трахеях или бронхах. Непосредственной опасности для человека не представляет. Однако ее негативное действие проявляется в наличии неприятного ощущения загрязненности воздуха и, что особенно важно, сажа является адсорбентом канцерогенных веществ и способствует усилению влияния других токсических компонентов, например сернистого ангидрида.

Соединения свинца появляются в ОГ в случае применения тетраэтилсвинца (ТЭС) как антидетонационной присадки к бензину. ТЭС — бесцветная маслянистая жидкость с плотностью 1, 652 г/см³. Легко воспламеняется и горит. Температура кипения + 195 °С. Свинец, накапливаясь в организме в результате попадания в него через дыхательные пути, через кожу и с пищей, может вызвать тяжелые расстройства нервной и кроветворной систем. Физиологическая норма содержания свинца в крови человека может быть превышена в несколько раз у жителей городов с интенсивным автомобильным движением, если к бензину добавляется тетраэтилсвинец.

При сгорании топлива в ДВС образуется диоксид углерода СО₂ (углекислый газ). Его содержание в воздухе не нормируется, однако возрастание СО₂ в атмосфере опасно вследствие возникновения парникового эффекта, который приводит к повышению температуры воздуха и поверхности Земли.

Причины образования вредных веществ в отработавших газах. Для выявления причин образования в ОГ указанных выше вредных веществ необходимо знать классификацию ДВС, их принципиальное устройство и происходящие в них процессы.

Поршневые ДВС классифицируют по следующим основным признакам:

• способ воспламенения горючей смеси (т. е. смеси топлива с воздухом в определенных количествах) — двигатели с воспламенением от сжатия (дизели) и двигатели с принудительным воспламенением от электрической искры;

• способ смесеобразования — двигатели с внешним (карбюраторные и газовые) и с внутренним смесеобразованием (дизели);

• способ осуществления рабочего процесса — четырехтактные и двухтактные;

• вид применяемого топлива — двигатели жидкого топлива, работающие на бензине и дизельном топливе, и двигатели газообразного топлива (на сжатом и сжиженном газах);

• число цилиндров — одноцилиндровые и многоцилиндровые.

Поршневой ДВС состоит из следующих механизмов: кривошипно-шатунного, газораспределения и регулятора скорости, а также систем — питания, охлаждения, смазочной, зажигания и пуска.

Выделяется такое понятие, как рабочий цикл двигателя, являющийся комплексом последовательных процессов (впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск), периодически повторяющихся в каждом цилиндре, и обусловливающий работу двигателя.

Частью рабочего цикла является такт. Эта часть происходит за время движения поршня от одной мертвой точки к другой. При этом различают верхнюю мертвую точку (ВМТ) — положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси коленчатого вала наибольшее, и нижнюю мертвую точку (НМТ) — положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси коленчатого вала двигателя наименьшее.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода (такта) поршня или за два оборота коленчатого вала, называются четырехтактными. Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала, называются двухтактными.

Такт впуска. Поршень 4 движется от ВМТ к НМТ, создавая разрежение в полости цилиндра 1 над собой. Впускной клапан 6 при этом открыт, цилиндр через впускную трубу 7 и карбюратор сообщается с атмосферой. Под влиянием разности давлений воздух устремляется в цилиндр. Проходя карбюратор, воздух распыляет топливо и, смешиваясь с ним, образует горючую смесь, которая поступает в цилиндр. Заполнение цилиндра 1 горючей смесью продолжается до прихода поршня в НМТ. К этому времени впускной клапан закрывается.

В начале такта впуска, когда поршень находился в ВМТ, над поршнем в объеме камеры сжатия имелись остаточные отработавшие газы от предыдущего цикла. Горючая смесь, заполняя цилиндр, перемешивается с остаточными газами и образует рабочую смесь. Давление в конце такта впуска составляет 0, 07... 0, 09 МПа, а температура рабочей смеси равняется 330... 390 К.

Рис. 1. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного карбюраторного

двигателя:

а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г — такт выпуска; 1 — цилиндр; 2 — выпускная труба; 3 — выпускной клапан; 4 — поршень; 5 — искровая зажигательная свеча; 6 — впускной клапан; 7 — впускная труба; 8— карбюратор; 9— шатун; 10— коленчатый вал

Такт сжатия. При дальнейшем повороте коленчатого вала 10 поршень движется от НМТ к ВМТ. В это время впускной 6 и выпускной 3 клапаны закрыты, поэтому поршень при движении сжимает находящуюся в цилиндре рабочую смесь. В такте сжатия составные части рабочей смеси хорошо перемешиваются и нагреваются. Давление в конце такта сжатия увеличивается до 0, 9... 1, 2 МПа, а температура возрастает до 500... 700 К. В конце такта сжатия между электродами свечи 5 возникает электрическая искра, от которой рабочая смесь воспламеняется. В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, давление повышается до 3, 0... 4, 5 МПа, а температура газов (продуктов сгорания) достигает 2700 К.

Такт расширения. Оба клапана закрыты. Под давлением расширяющихся газов поршень движется от ВМТ к НМТ и при помощи шатуна 9 вращает коленчатый вал 10, совершая полезную работу. К концу такта расширения давление уменьшается до 0, 3... 0, 4 МПа, а температура — до 1200... 1500 К.

Такт выпуска. Когда поршень подходит к НМТ, открывается выпускной клапан 3 и отработавшие газы под действием избыточного давления начинают выходить из цилиндра в атмосферу через выпускную трубу 2. Далее поршень движется от НМТ к ВМТ и выталкивает из цилиндра отработавшие газы. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет 0, 11... 0, 12 МПа, а температура равняется 700... 1100 К.

Далее рабочий цикл повторяется.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля отличается от карбюраторного тем, что в цилиндр дизеля воздух и топливо вводятся раздельно.

Такт впуска. Поршень движется от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, в цилиндр поступает воздух. Давление в конце такта впуска 0, 08... 0, 09 МПа, а температура воздуха 320... 340 К.

Такт сжатия, оба клапана закрыты. Поршень движется от НМТ к ВМТ и сжимает воздух. Вследствие большой степени сжатия (порядка 14... 18) давление воздуха в конце этого такта достигает 3, 5... 4, 0 МПа, а температура (750... 950 К) становится выше температуры самовоспламенения топлива.

В конце такта сжатия при положении поршня, близком к ВМТ, в цилиндр через форсунку начинается впрыск жидкого топлива. Устройство форсунки обеспечивает тонкое его распыление в сжатом воздухе. Топливо, впрыснутое в цилиндр, смешивается с нагретым воздухом и остаточными газами, в результате чего образуется рабочая смесь. Большая часть топлива воспламеняется и сгорает. Давление газов повышается до 5, 5... 9, 0 МПа, а температура — до 1900... 2400 К.

Рис. 2. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизеля: а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г — такт выпуска

Такт расширения. Оба клапана закрыты. Поршень движется от ВМТ к НМТ. В начале такта расширения сгорает остальная часть топлива. К концу такта расширения давление газов уменьшается до 0, 2... 0, 3 МПа, а температура снижается до 900... 1200 К.

Такт выпуска. Выпускной клапан открывается. Поршень движется от НМТ к ВМТ и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Давление газов при этом составляет 0, 11... 0, 12 МПа, а температура газов 650... 900 К.

Далее рабочий цикл повторяется.

У рассмотренных ДВС в течение рабочего цикла только в такте расширения поршень перемещается под давлением газов и посредством шатуна приводит коленчатый вал во вращательное движение. При выполнении остальных тактов (выпуске, впуске и сжатии) нужно перемещать поршень принудительно, вращая коленчатый вал. Это осуществляется за счет кинетической энергии, накопленной маховиком в такте расширения. Маховик закреплен на конце коленчатого вала и обладает значительной массой.

В процессе окисления (сгорания) топлива в ДВС образуются нетоксичные компоненты (водяной пар и углекислый газ) и указанные выше токсичные вещества, являющиеся продуктами неполного сгорания (монооксид углерода) или побочных реакций, протекающих при высоких температурах (оксиды азота), а некоторые содержатся в топливе и при работе двигателя выбрасываются с ОГ (тетраэтилсвинец). Образование токсичных веществ зависит от способа смесеобразования и условий сгорания топливовоздушной смеси. Вследствие этого бензиновые ДВС и дизели отличаются в части образования токсичных веществ в процессе своей работы.

Прежде всего на работу ДВС влияет состав горючей смеси.

Он оценивается коэффициентом избытка воздуха, который представляет собой отношение

α = L_д/L_т,

где L_д — масса воздуха, действительно участвующего в процессе сгорания; L_т — теоретически необходимая масса воздуха для сгорания топлива.

Различают следующие составы горючей смеси.

Нормальная смесь, когда L_д = L_т (α = 1). Например, для сгорания 1 кг бензина необходимо около 15 кг воздуха. ДВС, работающий на нормальной смеси, развивает мощность, близкую к максимальной, а удельный расход топлива несколько больше минимального.

Обедненная смесь, когда на 1 кг бензина приходится более 15 кг, но не свыше 16, 5 кг воздуха. При работе на такой смеси мощность ДВС несколько снижается, поскольку скорость сгорания смеси замедляется, но экономичность двигателя возрастает.

Бедная смесь, когда на 1 кг бензина приходится свыше 16, 5 кг воздуха. Работа ДВС на этой смеси сопровождается резким падением мощности и возрастанием удельного расхода топлива. Смесь с α > 1, 3 в цилиндре не воспламеняется.

Обогащенная смесь, когда на 1 кг бензина тратится менее 15 кг, но не ниже 13 кг воздуха. В этом случае ДВС развивает максимальную мощность, поскольку скорость сгорания увеличивается, но экономичность двигателя ухудшается.

Богатая смесь, когда на 1 кг бензина приходится менее 13 кг воздуха. Работа ДВС здесь вызывает падение мощности и значительное ухудшение экономичности. Смесь с α < 0, 5 в цилиндре не воспламеняется.

В зависимости от режима работы бензинового ДВС коэффициент а может изменяться в пределах 0, 6... 1, 15. При этом внешним признаком работы ДВС на бедной смеси служат вспышки (выстрелы) в карбюраторе, а на богатой смеси — то же явление, но в выпускной трубе.

Таблица 1 Структура токсичных компонентов при сжигании 1 кг топлива в ДВС

Дизельный ДВС работает с коэффициентом α = 1, 20... 1, 65, что объясняется менее благоприятными условиями смесеобразования из-за отсутствия здесь специального устройства для смешивания топлива с воздухом вне цилиндра. При этом время, отводимое в дизелях на смесеобразование, в 20... 30 раз меньше, чем у карбюраторных ДВС. В ОГ дизельных ДВС концентрации СО и С_mН_n наиболее высоки при полной нагрузке.

Практически работа бензиновых ДВС происходит на обогащенных смесях, и недостаток кислорода здесь является причиной образования в ОГ монооксида углерода. Также из-за недостатка кислорода в ОГ поступают частицы газообразного топлива (С_mН_n). Однако если в смеси будет избыточный кислород (обедненная смесь), то с ним в реакцию при температуре выше 2100 К (более 1800 °С) вступит азот с образованием оксидов. Их максимальное количество возникает при высоких частотах вращения коленчатого вала бензиновых ДВС. При малых частотах вращения и холостом ходе количество оксидов азота резко сокращается, но возрастает выброс СО и С_mН_n