Причины образования токсичных компонентов в отработавших газах ДВС. Реферат диагностика. Реферат По дисциплине Диагностика транспортных и транспортнотехнологических машин и оборудований

Название	Реферат По дисциплине Диагностика транспортных и транспортнотехнологических машин и оборудований
Анкор	Причины образования токсичных компонентов в отработавших газах ДВС
Дата	19.10.2022
Размер	414.22 Kb.
Формат файла
Имя файла	Реферат диагностика.docx
Тип	Реферат #742658

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Санкт-Петербургский горный университет
Реферат

По дисциплине: Диагностика транспортных и транспортно-технологических машин и

оборудований

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

Тема: Причины образования токсичных компонентов в отработавших газах ДВС
Выполнил студент гр.:

(шифр группы) (подпись) (Ф.И.О)

Оценка:

Дата:

Проверил руководитель работы:
	(должность)	(подпись)	(Ф.И.О)

Санкт-Петербург

2021

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1 Воздействие отработавших газов 4

2 Образование токсичных газов 6

2.1 Оксид углерода 6

2.2 Оксид азота 8

2.3 Сажа 11

2.4 Углекислый газ 13

2.5 Оксид серы 14

2.6 Попутные компоненты отработавших газов 15

3 Причины образования вредных веществ в отработавших газах 15

Заключение 18

Список литературы 19

Введение

В последнее время уменьшение загрязнения воздуха токсичными веществами, которые выделяются промышленными предприятиями и автомототранспортом, является одной из серьезнейших задач всех промышленно и экономически развитых стран. Загрязненный воздух оказывает вредное влияние на человека, растения, животных, здания и другие сооружения. Материальный ущерб, наносимый загрязнением атмосферы, трудно оценить, так как для этого необходимы многочисленные сведения из различных отраслей народного хозяйства страны.

Значение автомобильных двигателей внутреннего сгорания в загрязнении атмосферного воздуха отдельных стран или районов довольно велика.

Основным источником загрязнения можно считать процессы горения, в результате которых водород и углерод топлива соединяются с кислородом, находящимся в атмосфере. Примеси и присадки, содержащиеся в топливе, слишком высокая или низкая температура горения, неполное сгорание топлива приводят к образованию токсичных компонентов. Транспортные тепловые двигатели дают значительное количество выбросов, создающих химическое и тепловое загрязнение окружающей среды, они являются также источником шума и вибрации.

В крупных городах автомобильные двигатели являются одним из основных причин загрязнения воздушного бассейна. Решающую роль в загрязнении воздуха в настоящее время играют бензиновые двигатели внутреннего сгорания. Тем не менее, уменьшение токсичности транспортных дизелей также заслуживает серьезного внимания. При концентрации дизельного транспорта или оборудования в ограниченных пространствах (карьерах, рудниках, шахтах и т. д.) дизели могут стать основной причиной загрязнения воздушного бассейна токсичными веществами.

Таким образом, разобравшись в причине образования отработавших газов, человечество может повлиять в лучшую сторону на решение экологических проблем автомобильного транспорта.

1 Воздействие отработавших газов

Автотранспортные ДВС загрязняют атмосферу вредными веществами, выбрасываемыми с отработавшими газами, топливными испарениями и картерными газами. При этом 95 % токсичных компонентов, выделяемых дизелями, приходятся на ОГ, представляющие собой многокомпонентную смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твердых частиц и включающие в целом до 1000 компонентов.

Количество выделяемых двигателем основных токсичных выбросов в значительной степени зависит от качества процесса сгорания. Протекание и эффективность процесса сгорания обусловлены главным образом следующими параметрами:

типом двигателя, конструкцией камеры сгорания, степенью сжатия, организацией рабочего процесса, равномерностью распределения смеси по цилиндрам;
регулировками устройств, отвечающих за состав топливно-воздушной смеси, углом опережения зажигания (впрыска топлива), тепловым состоянием;
техническим состоянием (качеством изготовления и эксплуатации, сроком службы);
типом и качеством используемого топлива;
параметрами окружающей среды (температурой, влажностью, давлением, химическим составом воздуха);
режимом работы двигателя (нагрузкой, частотой вращения, параметрами неустановившихся режимов).

В камере сгорания поршневых ДВС горит не только само топливо, но и часть попадающего туда со стенок цилиндра смазочного масла (расход масла на угар). В современных двигателях эта величина находится в пределах 0,15–0,30 % от расхода топлива. Неполное сгорание масла и наличие в нем оксидов металлов, входящих в различные присадки, дополнительно увеличивают токсичность отработавших газов двигателя.

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 (NOx), сернистый ангидрид (S0₂), низкомолекулярные углеводороды (СтН„), полициклический 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_x, S0₂, СН/г, свинцовые соединения);
канцерогенные (С₂₀Н₁₂);
раздражающего действия (акролеин, формальдегид, S0₂, СН);
изменяющие качество среды обитания (C_WH, С, пары масел).

Токсичные вещества при использовании подвижных транспортных средств попадают в атмосферу с выхлопными газами, испарениями из топливных систем и при заправке, а так же с картерными газами.

Таблица 1- Содержание веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, % по объему

В отработавших газах двигателей содержатся также: свинец, кремний, медь, кальций, цинк, фосфор, марганец, хром, натрий, барий, железо, никель и ряд других веществ, входящие в состав присадок смазочного масла либо являющиеся продуктами износа деталей двигателя, попадающие в КС вместе с маслом.

2 Образование токсичных газов

Причина образования токсичных отработавших автомобильных газов проста – несовершенный процесс подготовки горючей смеси перед подачей в цилиндры и в цилиндрах, что приводит к неполному сгоранию топлива в двигателе, а также загрязнение топлива различными примесями и добавками. В идеальном случае при полном сгорании углеводородного топлива в двигателе в результате этого процесса должны образоваться углекислый газ и пары воды, которые не относятся к токсичным веществам.

Но получить идеальный процесс сгорания топлива на различных режимах работы двигателя или иметь идеально чистое топливо в реальной практике эксплуатации автомобилей практически невозможно. Поэтому неприятные выбросы в атмосферу всегда сопровождают работу двигателя внутреннего сгорания. Количество токсичных веществ в отработавших газах дизелей и двигателей с искровым зажиганием из-за разного характера процессов смесеобразования и сгорания топлива имеет существенные различия. В отработавших газах дизелей в больших количествах содержатся сажа и оксиды азота, а двигателей с искровым зажиганием – оксид углерода и углеводороды. Поэтому средства борьбы с токсичностью у этих типов двигателей отличаются.

2.1 Оксид углерода

Оксид углерода (монооксид CO – угарный газ) – бесцветный газ без запаха и вкуса, плохо растворим в воде, горюч (образует с воздухом взрывчатые смеси), попадая в легкие человека, а оттуда в кровь, вытесняет из нее кислород, так как обладает в 200 раз большей растворимостью. В результате снижения содержания кислорода в крови возникает удушье. Оксид углерода является продуктом неполного сгорания топлива, на воздухе горит синим пламенем с образованием диоксида углерода (углекислого газа). В ряде случаев отравление СО может послужить причиной ДТП, так как даже при небольшом уровне загрязнения у водителя заметно снижается внимание и замедляется реакция. Клинические проявления интоксикации зависят от дозы (концентрации) и продолжительности воздействия СО на человека.

Оксид углерода так же, как углеводороды и сажа, – продукт неполного сгорания топлива и масла. При этом, в отличие от механизма распада исходных углеводородов топлива и масла на более легкие углеводороды, образование СО в основном идет в зонах с более высокой температурой. Вторым источником образования СО является процесс диссоциации СО₂ в зоне высоких (более температур (т. е. в зоне фронта пламени).

Оксид углерода в ряде стран считается основным токсичным веществом. По отношению к СО определяется относительная токсичность других основных компонентов отработавших газов АТС.

Оксид углерода присутствует в атмосфере в очень малых количествах, а в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания его содержание может достигать весьма значительных величин (до 12 % в бензиновых двигателях, работающих на режимах холостого хода). Дизельные двигатели отличаются сравнительно небольшой концентрацией этого токсичного компонента ОГ, не превышающей 0,5 %. Оксид углерода СО менее стабилен по сравнению с диоксидом СО₂.

В камере сгорания (КС) дизеля углеводороды, кислород, пары воды распадаются с образованием углеводородных радикалов типа СН3, углерода, атомарных кислорода и водорода, групп ОН и СНО, в результате рекомбинаций которых (процессы, обратные разрыву химических связей) образуется монооксид углерода. Имеет место и диссоциация (разделение элементов любой совокупности на молекулярные элементы) диоксида углерода.

Основная причина образования СО в КС дизеля – неравномерное распределение топлива в зоне горения с образованием участков с низким коэффициентом избытка воздуха, что приводит к недогоранию части топлива. Кроме того, образование СО происходит и в высокотемпературной зоне топливного факела, где химическое равновесие смещено в сторону диссоциации диоксида углерода СО₂ с образованием СО и О₂ по приведенной выше реакции. Концентрация СО уменьшается при сгорании бедных смесей и увеличивается при сгорании богатых.

Оксид углерода представляет собой основной промежуточный продукт сложного многостадийного процесса горения углеводородных топлив. Горение оксида углерода возможно при наличии кислорода в результате прохождения цепной реакции. Максимальная концентрация СО в камере сгорания дизеля может достигать нескольких процентов по объему, но в ОГ их не более 0,1–0,2 %, что объясняется интенсивным догоранием СО на тактах расширения и выпуска при достаточном избытке воздуха. Поэтому, как правило, концентрацию CO определяют только для бензиновых двигателей.

Причины повышенной концентрации СО в ОГ и картерных газах следующие:

повышенное топливное давление;
нарушение гидроплотности форсунок;
разрыв диафрагмы регулятора давления топлива;
неисправности системы улавливания паров топлива;
попадание большого количества картерных газов во впускной коллектор;
засорение клапана или отверстий системы принудительной вентиляции картера;
неправильная работа системы обратной связи, приводящая к смещению регулирования в сторону обогащения смеси;
ошибочный сигнал на входе блока управления двигателем – неверное определение нагрузки, температуры охлаждающей жидкости, количества О₂, положения дроссельной заслонки.

Недостаток кислорода является основной причиной повышенных выбросов с отработавших газов бензиновых двигателей продуктов неполного сгорания, и в первую очередь оксида углерода. продуктов неполного сгорания, и в первую очередь оксида углерода. При работе бензинового двигателя даже на стехиометрической смеси концентрация оксида углерода в ОГ не равна нулю, а составляет порядка 1 %. Это объясняется неравномерным распределением состава смеси по цилиндрам и наличием обогащенной смеси в отдельных цилиндрах при стехиометрическом и даже обедненном ее составе в целом для двигателя.

2.2 Оксид азота

Оксид азота (NO) - бесцветный газ, при попадании в организм человека вступает в химическую реакцию с водой, образуя азотную и азотистую кислоту. Оксиды азота раздражают слизистую оболочку глаза, носа, рта. Диоксид азота (NO2) – газ красно-бурого цвета с характерным запахом. Воздействие на человека этим токсичным газом может способствовать заболеванию легких. Сильнейшими токсичными веществами отработавших автомобильных газов являются некоторые углеводороды CH (например, бензопирен), которые переносятся частичками сажи, содержащимися в выхлопных газах.

Наибольший экологический ущерб от выбросов вредных веществ, образующихся в камере сгорания дизеля, приходится на оксиды азота (NOx), которые представлены следующим рядом: NO, NO₂, N₂O, N₂O₃, N₂O₄, N₂O₅. При этом установлено, что из всех оксидов азота, содержащихся в отработавших газах, на долю NO в двигателях с принудительным зажиганием приходится 98,0–99,5 %, а у дизелей – до 95–98 %. Причем сорт сжигаемого топлива не оказывает существенного влияния на образование оксидов азота в камере сгорания. Из оксидов азота NOx, содержащихся в отработавших газах дизелей, 80–90 % приходится на монооксид азота NO и 10–20 % – на диоксид азота NO₂. Содержание других газообразных оксидов азота в отработавших газах ничтожно мало.

При понижении температуры ОГ в атмосфере NO окисляется до NO₂. В диапазоне температур 135–21 ⁰С NO₂ находится в смеси с N₂O₄, а при температуре ниже 21 ⁰С полностью переходит в N₂O₄.

Выделяют следующие механизмы образования оксидов азота: термический, быстрый, топливный.

Образование оксида азота NО по термическому механизму происходит в зоне продуктов сгорания при высокой температуре (свыше 2000 оС) в результате окисления атмосферного азота свободным кислородом. При этом если образование продуктов неполного сгорания топлива определяется в основном несовершенством организации процесса сгорания, то образование NOx – совершенством упомянутого процесса с точки зрения эффективности использования энергии топлива. Чем выше максимальная температура цикла, тем выше его коэффициент полезного действия и тем больше образуется оксидов азота.

При горении богатой смеси эмиссия NOx уменьшается, что связано с недостатком свободного кислорода. В точке, когда отношение воздух-топливо примерно равно 16 : 1, концентрация NO достигает максимального значения. Это объясняется увеличением температуры в камере сгорания, которая при таком составе смеси достигает максимальных значений.

Согласно быстрому механизму образования NО используется схема связывания молекулы азота углеводородными радикалами СН и СН₂ во фронте пламени. Образовавшиеся азотные соединения быстро окисляются до NО, в том числе и через промежуточные реакции. В отличие от термического механизма, реакции протекают при значительно низких температурах, так как энергетические затраты, необходимые для осуществления этих реакций, малы. Скорость образования NO по быстрому механизму значительно выше, чем по термическому.

Топливный механизм образования NO заключается в участии азота, содержащегося в топливе, в реакциях окисления. При этом азот топлива легче вступает в реакцию, чем атмосферный азот.

В ДВС с внутренним смесеобразованием часть топлива, перемешанного с окислителем за период задержки воспламенения, сгорает по механизму, присущему ДВС с внешним смесеобразованием, а остальная часть топлива – по мере поступления во фронт пламени. Соотношение этих частей топлива зависит от ряда конструктивно-регулировочных параметров двигателя, а также от состояния воздушного заряда, поступающего в цилиндр двигателя на такте впуска.

Таким образом, при одной и той же массе сгорающего топлива эмиссия NO с ОГ в этих двигателях будет меньше, чем в ДВС с внешним смесеобразованием, что и наблюдается на практике.

Причинами повышенной концентрации NOx в ОГ бензиновых двигателей могут быть:

Неисправности системы охлаждения:

недостаточное охлаждение радиатора воздушным потоком (засорение или некачественная работа системы управления вентилятором);
недостаточное количество охлаждающей жидкости;
заедание термостата в закрытом или слегка приоткрытом положении;
засорение радиатора или системы охлаждения.

Переобеднение топливовоздушной смеси из-за подсоса воздуха во впускной коллектор.
Неправильная работа системы обратной связи, приводящая к смещению регулирования в сторону обеднения смеси.
Нарушение работы системы обратной связи по причине неисправности кислородного датчика:

низкая частота переключения кислородного датчика;
смещение напряжения (увеличение) средней точки переключения кислородного датчика.

Нарушение или неэффективная работа системы рециркуляции отработавших газов EGR:

засорение каналов, приводящее к уменьшению количества перепускаемых газов;
неисправность исполнительного клапана системы EGR;
неисправность электромагнитного клапана системы EGR;
отсутствие управляющего сигнала на электромагнитном клапане системы EGR;
засорение отверстий, расположенных на дроссельной заслонке;
засорение или повреждение воздушных шлангов системы EGR.

Нарушение работы системы зажигания:

неверное значение базового угла опережения зажигания;
неверный сигнал на входе блока управления двигателем;
нарушение работы системы обратной связи при использовании датчика детонации.

Отложения нагара на впускных клапанах.

2.3 Сажа

При сгорании углеводородных топлив в различных горелках и двигателях внутреннего сгорания в отработавших газах может содержаться твердый углеродный продукт в дисперсном состоянии (сажа). Другие твердые углеродистые соединения (пироуглерод и нитевидный углерод) обычно в отработавших газах не содержатся, так как образование их происходит на твердых поверхностях.

Образование сажи представляет собой объемный процесс термического разложения (пиролиза) углеводородов в газовой (паровой) фазе в условиях сильного недостатка (отсутствия) окислителя (кислорода).

Существуют различные точки зрения на процесс образования сажи.

Наиболее общая схема включает гидрогенизацию, дегидрогенизацию, крекинг (т. е. расщепление молекул), полимеризацию, конденсацию (т. е. присоединение молекул, приводящее к образованию очень больших молекул другого типа).

Механизм образования включает несколько стадий:

образование зародышей;
рост зародышей до первичных частиц (шестиугольных пластинок графита);
увеличение размеров частиц (коагуляция) до сложных образований - конгломератов, включающих 100 - 150 атомов углерода;
выгорание.

Скорость образования сажи определяется скоростью химических процессов, приводящих к возникновению зародыша (т. е. кинетикой процесса).

Схема возможных механизмов (путей) образования сажи показана на рис. 1.

При относительно низких температурах (менее 1500 К) реакции полимеризации и конденсации преобладают над реакциями гидрогенизации. В этих условиях зародышами могут быть ароматические или полициклические соединения. При температурах 2000— 3500К, соответствующих процессу сгорания в двигателях, происходит распад молекул или даже их расщепление.

Концентрационный предел начала образования сажи зависит от многих факторов (температуры, давления, вида топлива, типа горелки) и по α составляет 0,33—0,7. С увеличением температуры начало образования сажи сдвигается в сторону более богатых топливовоздушных смесей, с увеличением давления — в сторону более бедных смесей. Максимум сажесодержания при повышении температуры процесса также сдвигается в сторону богатых смесей. Необходимо отметить, что на образование сажи в пламени (горелка или цилиндр двигателя внутреннего сгорания) коэффициент избытка воздуха влияет не непосредственно, а через физические факторы (температура пламени; появление зон смеси с концентрациями, благоприятными для термического разложения).

Количество образовавшейся сажи в большой степени зависит от температуры в зоне пиролиза углеводородов. С ростом температуры это количество резко увеличивается, так как скорость реакции контролируется ее кинетикой. Подобным образом влияет и увеличение давления.

Установлено, что образование сажи зависит от свойств топлива. Чем выше молекулярный вес предельных и непредельных углеводородов с прямыми цепями, тем выше скорость образования сажевых частиц. Это можно объяснить тем, что прочность одной и той же связи зависит от длины молекулы. Так, при увеличении числа атомов углерода в молекуле от 2 до 5 прочность связи между группами СН у алканов уменьшается от 333 до 268 кДж/моль. Выявлено также, что концентрации сажи тем больше, чем выше отношение С/Н в топливе.

В процессе образования и после образования сажевых частиц может происходить выгорание их в реакциях с радикалами ОН или кислородом. В основном при составах смеси беднее стехиометрического (в дизелях) происходит прямое окисление сажи кислородом. Скорость выгорания сажи значительно меньше скорости выгорания газообразных продуктов неполного сгорания (например, СО). Скорость выгорания сажи существенно зависит от размеров частиц (поверхности).

При сгорании гомогенных топливовоздушных смесей концентрационные пределы начала образования сажи выходят за границы диапазона α, при которых нормально работают карбюраторные 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. В цилиндре дизеля происходит диффузионное горение гетерогенной смеси. При этом в самой зоне пламени состав смеси близок к стехиометрическому, и температуры соответственно высоки. К этим высокотемпературным зонам примыкают зоны со значительно более богатой смесью (до α = 0); здесь создаются благоприятные условия для пиролиза с очень малым доступом кислорода. Таким образом, характер смесеобразования и сгорания в дизелях предопределяет значительно большее, по сравнению с двигателями с искровым зажиганием, образование сажи.

2.4 Углекислый газ

CO₂ (двуокись углерода, углекислый газ) – бесцветный и негорючий газ, который образуется в результате сгорания топлива, содержащего углерод. При полном сгорании 1 кг углерода образуется 3,67 кг СО₂. Концентрация СО₂ в ОГ дизелей находится в пределах 1,0–10,0 %, а в ДВС с принудительным воспламенением 2,0–12,0 %. Этот газ попал в поле зрения общественности в связи с дискуссиями о возможных изменениях климата в результате действия парникового эффекта. Углекислый газ CO₂ уменьшает слой атмосферы, защищающий землю от солнечных ультрафиолетовых лучей, что приводит к дополнитель-ному нагреву земной поверхности. Концентрация СО₂ в ОГ ДВС достигает максимума при стехиометрическом составе смеси и служит хорошим индикатором эффективного сгорания. Снижение концентрации СО₂ в отработавших газах происходит в случае отклонения состава смеси от стехиометрического, наличия пропусков воспламенения или неполадок в двигателе, приводящих к нарушению процессов сгорания. Значение эмиссии СО₂ с отработавшими газами пропорционально расходу топлива.

Снизить выбросы СО₂ позволяет переход на использование в качестве топлива природного сжатого газа. Снижение выбросов СО₂ возможно также при осуществлении непосредственно на двигателе конверсии природного газа с водяным паром и СО₂, частично извлекаемым из ОГ, с одновременным использованием их теплоты и энергии, уходящей в охлажденную среду, так как конверсионные реакции являются эндотермическими. При такой реализации конверсии теплоиспользование в ДВС получается более высоким, так как возникающий в результате конверсии синтезированный газ имеет более высокую теплотворную способность, чем исходное газовое топливо. Такие же положительные эффекты дает использование по аналогичной схеме спиртового топлива — метанола. Следующим шагом по уменьшению выбросов СО₂ является использование водорода в качестве моторного топлива.

2.5 Оксид серы

SO₂ – бесцветный негорючий газ с резким запахом, раздражающе действующий на кроветворные органы – костный мозг и селезенку, а также вызывающий нарушения в обмене углеводов. Твердые фазы окислов серы увеличивают концентрацию твердых частиц в ОГ и являются одним из основных компонентов, сокращающих срок службы нейтрализаторов.

Характер изменения концентрации кислорода О₂ в отработавших газах противоположен характеру изменения СО. Большая концентрация кислорода О₂ возникает при работе двигателя на обедненных, а большая концентрация СО – при работе на обогащенных смесях.

Количество остаточного кислорода определяется в первую очередь типом рабочего процесса. В ДВС с принудительным воспламенением (бензиновые и газовые двигатели) состав топливовоздушной смеси близок к стехиометрическому (α = 0,85–1,15). В итоге концентрация кислорода в ОГ обычно не превышает 2,0–3,0 % (по объему).

В дизелях содержание О₂ в ОГ зависит от наличия наддува и режима работы. На режиме холостого хода концентрация кислорода достигает 18 % по объему (при исходной концентрации кислорода в воздухе 21 %), а на режимах полной нагрузки – от 5,0–7,0 % для ДВС со свободным впуском воздушного заряда и до 10,0–13,0 % – для двигателей с наддувом.

Наличие в ОГ продуктов износа деталей двигателя обусловлено износом трущихся пар «поршень–цилиндр», «коленчатый вал – вкладыши», «стержень клапана–направляющая втулка», пары шестерен и т. д. Продукты износа попадают в масло и вместе с ним по стенкам цилиндра – в КС. Их содержание в ОГ ДВС определяется в основном техническим состоянием двигателя. Повышенное попадание масла в КС связано либо с износом поршневых колец, либо с износом направляющих втулок впускных и выпускных клапанов.

2.6 Попутные компоненты отработавших газов

Кроме вредных компонентов (см. табл. 1.1) в отработавших газах содержатся азот N₂, кислород О₂, углекислый газ СО₂, пары воды Н₂О, оксиды серы и др.

Азот не горюч, бесцветен и не имеет запаха. Он входит в элементарный состав воздуха, которым мы дышим (78 % воздуха приходится на азот, 21 % – на кислород и 1 % – на прочие газы). В составе воздуха азот поступает в двигатель и присутствует при сгорании топлива в нем. Основная часть поступившего в двигатель азота вновь выбрасывается в неизмененном состоянии в составе ОГ, но небольшая его часть вступает в реакцию с кислородом, образуя оксиды. Добавка за счет азота, содержащегося в топливе, незначительна, так как его концентрация в топливе не превышает 5,0 % (и то только в тяжелых топливах, а в дизельном и бензине его нет).

3 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.

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 (табл. 2).

Прежде всего на работу ДВС влияет состав горючей смеси. Он оценивается коэффициентом избытка воздуха, который представляет собой отношение

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

Таблица 2. Структура токсичных компонентов при сжигании 1 кг топлива в ДВС

Различают следующие составы горючей смеси.

Нормальная смесь, когда 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 а > 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 а < 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.

Дизельный ДВС работает с коэффициентом а = 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„,Н_Л 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 (СтН„). 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 СтНп.

Заключение

Количество и состав отработанных газов определяются и конструктивными особенностями автомашин, режимом работы их двигателей, техническим состоянием, качеством дорожных покрытий, метеоусловиями. Особенность работы автомобильных двигателей - переменные нагрузки, то есть периодические изменения режима работы: холостой ход, разгон, установившееся движение и торможение.

Одновременно устанавливаются основные технические требования к характеристикам бензина и дизельного топлива, позволяющие обеспечить введение вышеперечисленных экологических классов автомобильной техники.

В настоящее время определено несколько путей снижения токсичности выхлопных газов, выделяемых автомобилями и другой техникой, использующих тепловые двигатели, работающие на нефтяном топливе. Основные направления снижения содержания вредных веществ в отработавших газах:

 совершенствование процессов сгорания топлива;

 повышение качества топлива;

 применение различных способов очистки отработавших газов от токсичных и вредных компонентов.

Испытания SAE показали, что эффективный способ снижения выбросов окислов азота (до 90 %) и в целом токсичных газов — впрыск в камеру сгорания воды.

Также широкое применение в настоящее время нашли нейтрализаторы. Они бывают разных видов и различаются по назначению, конструкции и механизмам действия. Я считаю, это существенный и эффективный шаг по снижению токсичности отработавших газов на автомобильном транспорте.

Список литературы

Звонов, В.А. «Токсичность двигателей внутреннего сгорания» / В. А. Звонов. – М.: Машиностроение, 2017 – 160 с.
Марков, В.А. «Токсичность отработавших газов дизелей» / В.А. Марков, Р.М. Баширов, И.И. Габитов. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018 – 320 с.
Терехов В.М. Сумская О. А. «Диагностическое оборудование предприятий автосервиса». Учебное пособие.  Армавир: АГПИ, 2018 - 160 с.
Милостивенко Д. А. «Токсичные компоненты отработавших газов автомобилей» / Д. А. Милостивенко. – М.: Машиностроение, 2019 – 34 с.
«Причины образования вредных веществ в отработавших газах»: [Электронный ресурс]. URL: https://studref.com/613730/ekologiya/prichiny_obrazovaniya_vrednyh_veschestv_otrabotavshih_gazah. (Дата обращения: 21.10.2021).
Магидович Л.Е., Румянцев В.В., Шабанов А.Ю. особенности тепловыделения и рабочего процесса дизеля, работающего с добавками водорода: Двигателестроение, 2018.- №9. - с.7-9.
Транспорт дорожный. Экологические классы: СТБ 1848–2019.
Кульчицкий, А. Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: учебное пособие / А. Р. Кульчицкий. – Владимир: Владимирский гос. ун-т, 2019 – 256 с.