Склад відпрацьованих газів двигуна

1. N₂, O₂, H₂O, і З₂ – нетоксичні речовини.

2. CO – окис вуглецю. Окис вуглецю утвориться в циліндрі двигуна в стадії холоднополум'яного процесу (перед початком видимого горіння). СО є проміжним продуктом розкладання альдегідів. Виділення СО сильно залежить від складу суміші. Дизелі виділяють меншу кількість окису вуглецю в порівнянні з карбюраторними двигунами, однак при збільшенні навантаження концентрація СО усе-таки зростає.

3. Окисли азоту NО_x, що включають окис NO і двоокис NO₂ азоту. Окисли азоту утворюються в результаті термічної реакції окислювання азоту, що надійшов у циліндр із повітрям, під дією високої температури і тиску.

4. Вуглеводні C_nH_m: алкани, алкєни, циклани й ароматичні вуглеводні, в які входить канцерогенна речовина – бенз(а)пирен. У двигуні бенз(а)пирен починає утворюватися при температурі 400°С. Збідніння пальної суміші приводить до деякого зниження викидів вуглеводнів, однак при цьому підвищується кількість окислів азоту.

5. Альдегіди. Детонаційне горіння сприяє утворенню альдегідів і канцерогенних ароматичних вуглеводнів.

6. Сажа. Виділення сажі характерне для дизельних двигунів. Шкідливість сажі полягає в тому, що вона здатна адсорбувати канцерогенні речовини, що містяться в відпрацьованих газах. Крім того, неприємна дія на людину робить димність і запах відпрацьованих газів, з великою кількістю сажі.

7. Антидетонаційні добавки в паливі у виді тетраетилсвинця приводять до викидів з'єднань свинцю.

8. І дизелі, і бензинові двигуни викидають в атмосферу досить велику кількість диоксида сірки SO₂.

Збіднення пальної суміші приводить до деякого зниження викидів вуглеводнів, однак при цьому підвищується кількість окислів азоту. Детонаційне горіння сприяє утворенню альдегідів і канцерогенних ароматичних вуглеводнів.

Дизелі виділяють меншу кількість окису вуглецю в порівнянні з карбюраторними двигунами, однак при збільшенні навантаження концентрація СО усе-таки зростає. Трохи менше в них і викиди NO_x, і C_nH_m. У той же час у камерах згоряння відбувається піроліз палива з утворенням вуглецю у виді сажі. Зі збільшенням навантаження і збагаченням суміші кількість сажі у вихлопних газах зростає. У процесі самозапалювання утворяться також альдегіди, що також викидаються з відпрацьованими газами.

Головним техногенним джерелом забруднення атмосфери в усьому світі є транспортні засоби, причому більш 80% основних викидів у великих містах дає автомобільний транспорт. Наприклад, в Україні внесок автотранспорту в загальне забруднення повітря складає для Києва до 78%, для Одеси - до 62%, для Харкова - до 68%. Автомобільні двигуни внутрішнього згоряння забруднюють атмосферу шкідливими речовинами, що викидаються з вихлопними газами, картерними газами і паливними випарами. При цьому 95...99% шкідливих викидів приходиться на вихлопні гази, що представляють собою аерозоль складу, який залежить від режиму роботи двигуна і складу суміші.

Ще в 1970 р. у СРСР затверджений стандарт (ГОСТ 16533-70) на обмеження викидів СО з відпрацьованими газами, на режимі холостого ходу двигуна (до 4,5% СО у загальному викиді з ВГ). З 1974 року діє галузевий стандарт (ОСТ 37.001.054) на обмеження викиду трьох компонентів: СО, СН і NО_x.

Для розрахунку суспільного економічного ефекту від переходу транспорту на нешкідливий азот можна скористатися підходом ВНИИЭгазпрома. Економічний ефект для суспільства в цілому від упровадження стопроцентно екологічно чистого азотного автотранспорту приймається рівним відверненому збитку в результаті зниження викидів в атмосферу еквівалентного забруднювача - СО. Основні види забруднювачів інших видів перераховуються в еквівалентну кількість СО відповідно до їхньої відносної токсичності і перераховані в таблиці 15.1. Перелічені кількості потім складаються.

 

Таблиця 15.1 – Склад вихлопних газів ДВЗ і їхня токсичність

Показники	СО	СnНm	NOz	Сажа	Бенз(a)пірен
Межі концентрації, мг/м^3	3.0	1.5	0.04	0.05	10^-6
Відносна токсичність	1.0	2.0			3×10^6

 

Загальний збиток розраховують формулою:

Y=MyR,

де М - сумарна кількість еквівалентного забруднювача атмосферного повітря, тис. т;

у = $3000/(1000т х 1000 люд х рік) - питомий збиток від викиду еквівалентного забруднювача;

R - чисельність населення, що піддається впливу забруднювача в зоні радіусом 1 км від місця викидів, тис. люд.

Питома еквівалентна кількість СО, що викидається в міському циклі швидкісної їзди базовим автомобілем типу УАЗ-451М с витратою бензину 16 л /100 км, з урахуванням даних таблиці 15.1, складає близько 570 г/км. Приймаючи, що середньодобовий пробіг автомобіля при міській їзді дорівнює 150 км, а в році 310 робочих днів, одержимо, що річна кількість викидів в атмосферу еквівалентного забруднювача одним базовим автомобілем складе близько 26 тонн. При цьому річний пробіг автомобіля складе майже 47 тис.км.

Чисельність населення, що піддається впливу забруднювача в зоні радіусом 1 км від місця викидів залежить від щільності міського населення в місцях експлуатації транспортного засобу. Для оцінки приймемо, що середня щільність населення в зоні радіусом 1 км від місця викидів складає 20 тис.люд./км². У цьому випадку виявляється, що впливу забруднювача піддається до 63 тис.люд. Таким чином, річний збиток від експлуатації базового варіанта автомобіля на бензині в міському циклі швидкісної їзди складає Y= 4914$/рік, а питомий збиток на 1 км пробігу базового автомобіля дорівнює відповідно 10.6 цента/км

 

Нейтралізація випускних газів

Зниження рівня викидів токсичних речовин з випускними газами двигунів можна досягти такими способами:

1. Правильною організацією робочого процесу, у першу чергу процесів сумішоутворення і згоряння.

2. Оснащення двигуна системами нейтралізації випускних газів.

3. Застосуванням палив, у продуктах згоряння яких міститься мінімальна кількість токсичних речовин.

Застосовувані в даний час способи впливу на робочий процес приводять найчастіше до зниження потужності двигунів і збільшенню витрати палива.

У термічних і каталітичних нейтралізаторах відбуваються хімічні реакції, у результаті чого зменшується концентрація газових компонентів токсичних речовин. Механічні і водяні очисники застосовують для очищення випускних газів від механічних часток (сажі) і крапельок масла (як правило, у стаціонарних двигунах).

Термічний нейтралізатор являє собою камеру згоряння, що розміщається у випускному тракті для допалювання продуктів неповного згоряння палива (C_nH_m і СО). Він може встановлюватися на місці випускного трубопроводу і виконувати його функції. Реакції окислювання СО і C_nH_m протікають при температурах понад 830^оС і при наявності кисню. Термічні нейтралізатори застосовують на двигунах із примусовим запаленням. Висока температура газів у цих двигунів забезпечує догорання частини C_nH_m і СО, концентрація яких вище, ніж у дизелів. Викиди СО і C_nH_m знижуються на 60...80%. Власне кажучи, термічний нейтралізатор являє собою жарову трубу, у якій організований процес інтенсивного вихроутворення з подачею додаткового повітря.

У каталітичних окисних нейтралізаторах з каталізаторами з платини, родію, палладія висока швидкість окислювання CO і C_nH_m забезпечується при температурах 300...580^оС. Каталізатор наносять на поверхню керамічних кульок чи ін. тіл і поміщають у корпус, яким може бути навіть глушитель шуму випуску. Вдається окислити до 80% CO, C_nH_m і відновити NO_x. На жаль, застосування этилованих бензинів приводить до виходу каталізаторів з ладу.

Для зменшення викидів шкідливих речовин з картерними газами застосовують закриті системи вентиляції картера, у яких гази, що прориваються з камери згоряння, направляються у впускний трубопровід двигуна.

Зниження забруднення навколишнього середовища можливо і при використанні як паливо етилового чи метилового спирту. Застосування їх у двигунах із примусовим запаленням знижує викиди NO_x, CO, C_nH_m. При цьому трохи зростає викид альдегідів.