Автомобильный двигатель как источник загрязнения окружающей среды
Гарский Р.О., Ермолин М.В., студенты ВФ ГОУ МГИУ
Состав и структура выбросов автомобильных двигателей
Автомобильные двигатели внутреннего сгорания загрязняют атмосферу вредными веществами, выбрасываемыми с отработавшими газами (ОГ), картерными газами и топливными испарениями. При этом 95 ... 99% вредных выбросов современных автомобильных двигателей приходится на ОГ, представляющие собой аэрозоль сложного, зависящего от режима работы двигателя состава.
Элементарный состав автомобильных нефтяных топлив - это углерод, водород, в незначительных количествах кислород, азот и сера. Атмосферный воздух, являющийся окислителем топлив, состоит, как известно, в основном из азота (79%) и кислорода (около 21%). При идеальном сгорании стехиометрической смеси углеводородного топлива с воздухом в продуктах сгорания должны присутствовать лишь N2, С02, Н20. В реальных условиях ОГ содержат также продукты неполного сгорания (окись углерода, углеводороды, альдегиды, твердые частицы углерода, перекисные соединения, водород и избыточный кислород), продукты термических реакций взаимодействия азота с кислородом (окислы азота), а также неорганические соединения тех или иных веществ, присутствующих в топливе (сернистый ангидрид, соединения свинца и т. д.).
Всего в ОГ обнаружено около 280 компонентов. По своим химическим свойствам, характеру воздействия на организм человека вещества, содержащиеся в отработавших и картерных газах, подразделяются на несколько групп. В группу нетоксичных веществ входят азот, кислород, водород, водяной пар, а также углекислый газ. Группу токсичных веществ составляют: окись углерода СО, окислы азота NOX, многочисленная группа углеводородов CnHm, включающая парафины, олефины, ароматики и др. Далее следуют альдегиды R-СНО, сажа. При сгорании сернистых топлив образуются неорганические газы сернистый ангидрид S02 и сероводород H2S.
Особую группу составляют канцерогенные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), в том числе наиболее активный бенз(а)пирен, являющийся индикатором присутствия канцерогенов в ОГ.
В случае применения этилированных бензинов образуются токсичные соединения свинца.
В табл. 1 приведены данные по составу ОГ основных типов двигателей - бензинового с искровым зажиганием и с воспламенением от сжатия (дизеля).
Как видно, состав ОГ рассматриваемых типов двигателей существенно различается прежде всего по концентрации продуктов неполного сгорания, а именно окиси углерода, углеводородов и
Основными токсичными компонентами ОГ бензиновых двигателей являются СО, CnHm, NOX и соединения свинца, дизелей - NOX, сажа.
Воздействие отработавших газов двигателей на организм человека и окружающую среду
Действие токсичных компонентов ОГ на человеческий организм разнообразно, от инициации незначительных неприятных ощущений до раковых заболеваний. Степень их воздействия зависит от их концентрации в атмосфере, состояния человека и его индивидуальных особенностей.
Влияние отдельных компонентов ОГ на организм человека изучено достаточно полно. Практически для каждого компонента ОГ в СССР установлены предельно допустимые концентрации (ПДК), определенные исходя из принципа полного отсутствия их воздействия на человека.
В России принята трехступенчатая градация значений ПДК вредных веществ. Среднесуточная ПДК в атмосфере населенных мест -концентрация, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного воздействия в условиях неопределенно долгого круглосуточного вдыхания. Максимальная разовая ПДК вредного вещества в воздухе населенных мест - концентрация, не вызывающая рефлекторных реакций в организме человека. И, наконец, ПДК вредного вещества в воздухе рабочей зоны - концентрация, вызывающая у работающих при ежедневном вдыхании в пределах 8 ч в течение всего рабочего стажа заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые непосредственно в процессе работы или в отдаленные сроки.
В табл. 2 представлены значения ПДК основных токсичных компонентов ОГ в воздухе населенных пунктов и рабочей зоны согласно санитарным нормам, принятым в России (СН-245-71 и последующие дополнения).
Присутствие в ОГ большого числа вредных веществ, значительное колебание их концентраций в зависимости от конструктивных и режимных параметров не позволяет с требуемой надежностью оценить токсические свойства ОГ в целом. Однако при концентрациях, близких к ПДК, взаимное влияние компонентов относительно мало, поэтому действие токсичных компонентов, классифицированных в табл. 1 и 2, можно рассматривать отдельно.
Окись углерода - прозрачный, не имеющий запаха газ, несколько легче воздуха, практически не растворим в воде. Поступая в организм с вдыхаемым воздухом, СО снижает функцию кислородного питания, выполняемую кровью. Это объясняется тем, что поглощаемость СО кровью в 240 раз выше поглощаемости кислорода. Вступая в реакцию с гемоглобином крови, СО блокирует его возможность снабжать организм кислородом. В результате кислородного голодания нарушатся функции центральной нервной системы, возможна потеря сознания.
Наибольшей опасности отравления окисью углерода подвергаются люди, находящиеся в закрытых, плохо вентилируемых помещениях рядом с работающим двигателем. В этом случае концентрации СО в воздухе могут достигать опасных значений, 0,01 ч-0,05% (рис.1).
Особенно опасно находиться в кабине автомобиля с негерметичной системой выпуска ОГ. Не рекомендуется длительное пребывание в кабине автомобиля, двигатель которого постоянно работает на холостом ходу. В этом случае даже при полностью исправной системе выпуска из-за скопления ОГ вокруг автомобиля возможно повышение концентрации СО в кабине до значений, вызывающих наступление потери сознания, и если пострадавшему своевременно не будет оказана помощь, то возможен и смертельный исход.
Повышенные концентрации окиси углерода опасны и тем, что в результате кислородного голодания организма ослабляется внимание, замедляется реакция, падает работоспособность водителей, что влияет на безопасность дорожного движения.
Окислы азота. В ОГ двигателей 90 ... 99% всего количества окислов азота составляет окись азота NO. Однако уже в системе выпуска и далее в атмосфере происходит окисление N0 в двуокись азота N02. N02 - газ красновато-бурого цвета, в малых концентрациях не имеет запаха, хорошо растворяется в воде с образованием кислот.
Окислы азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, остаются в легких в виде азотной и азотистых кислот, получаемых в результате их взаимодействия с влагой верхних дыхательных путей. Опасность воздействия окислов азота заключается в том, что отравление организма проявляется не сразу, а постепенно, причем каких-либо нейтрализующих средств нет.
Из огромного количества углеводородных соединений различных классов наиболее активную роль в образовании смога играют олефи-ны. Вступая в реакции с окислами азота под воздействием солнечного облучения, они образуют озон и другие фотооксиданты - биологически активные вещества, вызывающие раздражение глаз, горла, носа и заболевания этих органов у человека и наносящие ущерб растительному и животному миру.
Из альдегидов в ОГ присутствуют в основном формальдегид и, ак-ролеин. Формальдегид - бесцветный газ с резким и неприятным запахом, раздражает глаза и верхние дыхательные пути, поражает центральную нервную систему, печень, почки. Акролеин также обладает сильным раздражающим действием.
При вдыхании сажи ее частицы вызывают негативные изменения в системе дыхательных органов человека. Если относительно крупные частицы сажи размером 2 ... 10 мкм легко выводятся из организма, то мелкие размером 0,5 ... 2 мкм задерживаются в легких, дыхательных путях, вызывают аллергию. Как и любая аэрозоль, сажа загрязняет воздух, ухудшает видимость на дорогах, но, самое главное, на саже адсорбируются тяжелые ароматические углеводороды, в том числе канцерогенный бенз(а)пирен. Канцерогенные свойства бенз(-а)пирена хорошо известны.
Свинец, имеющийся в бензинах как основа антидетонационных присадок, выбрасывается с ОГ в виде аэрозолей в соединении с бромом, фосфором, хромом. Аэрозоли, попадая в организм при дыхании, через кожу и с нищей, вызывают отравление, приводящее к нарушениям функций органов пищеварения, нервно-мышечных систем, мозга. Свинец плохо выводится из организма и может накапливаться в нем до опасных концентраций.
Сернистый ангидрид S02 - бесцветный, с острым запахом газ. Раздражающее действие на верхние дыхательные пути объясняется поглощением S02 влажной поверхностью слизистых оболочек и образованием в них кислот. Он нарушает белковый обмени ферментативные процессы, вызывает раздражение глаз, кашель.
Токсическое действие ОГ двигателей может проявляться локально и в более крупных масштабах (район, город, регион). Автомобиль является мобильным источником загрязнения воздуха, разносящим ОГ над поверхностью земли на большие расстояния в городах и крупных населенных пунктах, вдоль магистралей. Токсичные вещества обнаруживаются в заметных концентрациях и внутри помещений на уровне 22 этажа. В результате загрязнения окружающей среды выбросами автомобилей наблюдается понижение урожайности сельскохозяйственных культур, ухудшение качества кормовых растений, влияющее на качество мясомолочной продукции и уменьшающее ценность садовых культур. Лесному хозяйству наносится значительный ущерб из-за отмирания целых участков лесонасаждений, придорожных полос, уменьшения прироста древесины, повышения чувствительности растений к перепадам температур, болезням, вредителям.
Свойство свинца накапливаться в растениях требует ограничения в использовании на корм скоту травы, выращенной вдоль магистралей с интенсивным автомобильным движением, в связи с возможной высокой концентрацией свинца в кормовой массе. Опасность для растений представляют также окислы азота, поражающие листья растений, и двуокись серы, которая повышает кислотность почв и поражает растения даже при малых концентрациях S02 в атмосфере.
Значительный ущерб ОГ автомобильных двигателей наносят коммунальному хозяйству городов. Повышенная концентрация окис-ли-телей в атмосфере приводит к преждевременному разрушению металлических конструкций, бетона, камня. Так, за последние 30 ... 40 лет архитектурные памятники в городах Западной Европы "состарились" в большей степени, чем за все время до автомобильной эры.
Как видно, отрицательное воздействие автомобильного транспорта на окружающую среду может быть весьма значительным и разнообразным. Учитывать этот фактор необходимо на всех уровнях, начиная от проектирования автомобиля и кончая обучением водителей рациональным приемам вождения.
Образование токсичных компонентов в цилиндре двигателя Основные токсичные вещества, являющиеся продуктами неполного сгорания топлива - окись углерода, сажа, углеводороды и альдегиды. У двигателей с внешним смесеобразованием, в частности бензиновых двигателях, наибольшая доля вредных выбросов приходится на окись углерода, в то время как у двигателей с внутренним смесеобразованием (дизелей) - на сажу. Это объясняется существенным различием организации процессов смесеобразования и сгорания. Если у двигателя с внешним смесеобразованием процесс горения в цилиндре можно рассматривать как горение гомогенной смеси, то в цилиндрах дизеля осуществляется гетерогенное сгорание, качество которого зависит от характеристик впрыска топлива, формы камеры сгорания, интенсивности смесеобразования и т. д. При организации малотоксичного рабочего процесса в дизеле необходимо обеспечить полное сгорание топлива по всему объему камеры сгорания, а у двигателей с внешним смесеобразованием - оптимальное соотношение топлива и воздуха в смеси.
Окись углерода является основным промежуточным продуктом сложного многостадийного процесса горения углеводородных топлив. Сухие (без водяных паров) СО и 02 взаимодействуют крайне медленно. Но так как в камере сгорания всегда имеется водяной пар, то СО реагирует с гидроксильной группой, появляющейся в результате прохождения цепной реакции.
1. СО + Н20 = Н2 + СО,.
2. Н2 + 02 = 20Н.
3. СО + ОН = С02 + Н2 и т. д.
Промежуточное звено 3 сложной реакции наиболее продолжительно по времени. В четырехтактном двигателе процесс расширения длится от 40 до 5 мкс. В определенный момент такта расширения происходит прекращение процесса окисления СО на промежуточной стадии, при этом даже в случае избытка кислорода в продуктах сгорания будет содержаться окись углерода в концентрациях, измеряемых несколькими десятыми долями процента по объему. В ОГ карбюраторного двигателя возможны концентрации СО до 10% по объему. Этому способствует недостаток кислорода при переобогащении топливовоздушной смеси. Максимальные концентрации CQ в камере сгорания дизеля могут достигать нескольких процентов по объему, но в ОГ их не более 0,2%, Это объясняется интенсивным догоранием СО в такте расширения и выпуска при общем избытке воздуха (кислорода).
Образование сажи в камере сгорания дизеля представляет собой объемный процесс термического разложения углеводородов топлива в условиях большого недостатка кислорода. Во фронте пламени состав смеси близок к стехиометрическому, причем локально в зоне впрыскиваемой топливной струи смесь может быть богатой, вплоть до случая, когда коэффициент избытка воздуха а = О (чистые пары топлива). Диапазон а, в котором происходит образование сажи, составляет 0,33 ? 0,7. В этой зоне происходит реакция разложения (пиролиза) молекул углеводородного топлива:
CnHm ?пС + 0,5тН2.
В бензиновых двигателях интенсивное сажеобразование возможно только при работе на переобогащенной смеси (а < 0,7), что свидетельствует о неисправности системы питания. Нормальное сгорание гомогенных топливовоздушных смесей происходит при а » 0,82 ? 0,85, т. е. значительно более высоких, чем предел образования сажи.
Образовавшиеся в начале процесса сгорания частицы углерода выгорают в процессе расширения в результате обратимых реакций обмена с содержащими кислород молекулами:
С + Н20 7СО + Н2;
С +С02 ? 2СО.
В периферийных зонах камеры сгорания и пристеночных слоях, где температура топливовоздушной смеси умеренная, частицы сажи подвергаются "закалке" и в дальнейшем сгорании практически не участвуют. Это основная причина выброса сажи с ОГ дизелей.
Диаметр первичных сажевых частиц 0,02 ... 0,17 мкм. В ОГ сажа находится в виде образований неправильной формы размером 0,3 ... 100 мкм. Наибольшее количество частиц сажи имеют размеры до 0,5 мкм (рис. 2).
Сажевые частицы имеют очень развитую поверхность, около 90 м2 на грамм сажи при среднем арифметическом значении диаметра около 0,3 мкм.
Минимальное допустимое значение а? 1,3 в дизелях ограничено по условиям дымности ОГ. Стремление увеличивать мощность двигателя путем увеличения максимальной подачи неизбежно приводит к увеличению дымности из-за роста интенсивности сажеобразования и ухудшения условий выгорания сажевых частиц.
В непосредственной близости от стенок камеры сгорания образуется промежуток шириной 0,05 ... 0,35 мм, называемый "зоной гашения пламени". Естественно, что концентрация углеводородов и альдегидов в ней в несколько раз выше, чем в отработавших газах. В этой зоне происходит как бы "замораживание" продуктов промежуточных реакций.
Из факторов, влияющих на количество несгоревших углеводородов, необходимо отметить отношение поверхности камеры сгорания к ее объему, количество остаточных газов в цилиндре двигателя, степень турбулентности заряда, состав смеси, давление и температура процесса сгорания, протекание процесса догорания, после прохождения фронта пламени. Образованию углеводородов способствует также смазочное масло, попавшее в камеру сгорания, подтекание топлива из распылителя форсунки после окончания впрыска, что в то же время способствует повышенным выбросам сажи.
В процессе основного сгорания в условиях высоких температур и давлений и недостатка кислорода от промежуточных соединений отделяются атомы водорода. Полученные продукты могут объединяться в сложные структуры - полициклические ароматические углеводороды, в том числе бенз(а)пирен.
Образование окиси азота NO определяется максимальной температурой цикла, концентрациями азота и кислорода в продуктах сгорания и не зависит от природы топлива. При максимальной температуре цикла в камере сгорания дизеля и бензинового двигателя порядка 1800 ... 2800 К из окислов азота образуется только N0. Под воздействием кислорода в составе отработавших газов в системе выпуска двигателя и далее в атмосфере NO окисляется в N02. Этот процесс в атмосфере протекает крайне медленно, за сутки до 50% по объему.
Если образование продуктов неполного сгорания топлива определяется в целом несовершенством процесса сгорания, то образование окислов азота - его совершенством, с точки зрения эффективности использования энергии топлива. Чем выше максимальная температура цикла Тmах, тем выше КПД цикла, тем больше образуется NOX. Именно в этом заключается основная сложность комплексного подхода к снижению токсичности двигателей внутреннего сгорания.
Картерные газы и топливные испарения
За исключением такта впуска давление в картере бензинового двигателя значительно меньше, чем в цилиндрах, поэтому часть свежего заряда и ОГ прорываются через неплотности цилиндропоршневой группы из камеры сгорания в картер. Здесь они смешиваются с парами масла и топлива, смываемого со стенок цилиндра холодного двигателя. Картерные газы разжижают масло, способствуют конденсации воды, старению и загрязнению масла, повышают его кислотность. Картерные газы выбрасывают значительное количество углеводородов в атмосферу - до 40%, так как концентрация углеводородов в картерных газах в 15-20 раз выше, чем в ОГ двигателя.
С целью исключения непосредственного выброса картерных газов в атмосферу применяют замкнутые системы вентиляции картера. Сжигание картерных газов в цилиндрах позволяет снизить суммарный сброс CnHm до 20% по сравнению с выбросами при открытой системе вентиляции. Возможны различные схемы таких систем - с возвратом картерных газов перед воздушным фильтром, перед дроссельной заслонкой и за ней. Предпочтительным является первый вариант, так как при этом не изменяется закон разрежения, управляющий приготовлением смеси в карбюраторе. Кроме того, картерные газы фильтруются от твердых частиц и масляных капель. Если не обеспечить надежную фильтрацию картерных газов при их возвращении в цилиндры двигателя, то вследствие попадания масляных капель в высокотемпературную зону сгорания образование ПАУ увеличивается, выбросы бенз(а)пирена могут возрасти в десятки раз. Таким образом, неверно сконструированная или плохо функционирующая закрытая система вентиляции картера может ухудшить токсические характеристики двигателя по сравнению с открытой системой.
Во время такта сжатия в дизеле в картер прорывается чистый воздух, а при сгорании и расширении - отработавшие газы с концентрациями токсичных веществ, пропорциональными их концентрациям в цилиндре. В картерных газах дизеля основные токсичные компоненты - NOX (45-80%) и альдегиды (до 30%). Максимальная токсичность картерных газов дизелей в 10 раз ниже, чем ОГ, поэтому доля картерных газов в дизеле не превышает 0,2-0,3% суммарного выброса токсичных веществ. Учитывая это, в автомобильных дизелях применять принудительную вентиляцию картера нецелесообразно.
Независимо от того, работает или нет бензиновый двигатель, из топливной системы происходит испарение бензина. И при работающем двигателе от 4 до 12% выброса CnHm происходит за счет испарений. Суточные испарения углеводородов из карбюратора и топливного бака легкового автомобиля составляют около 40 г, а у грузовых автомобилей могут достигать 150 г. Подсчитано, что в условиях жаркого климата каждый автомобиль в течение года за счет испарений теряет 60-80 л бензина. Кроме непосредственного загрязнения окружающей среды, испарение вызывает физические изменения в самих бензинах - благодаря изменению фракционного состава повышается их плотность, ухудшаются пусковые качества, снижается октановое число бензинов термического крекинга и прямой перегонки нефти.
Кроме углеводородов, поступающих из топливной системы автомобилей, значительное их количество попадает в атмосферу при заправке автомобилей. Потери топлива при этом могут доходить до 1,5 г на один литр заправляемого топлива.
У дизельных автомобилей топливные испарения практически отсутствуют вследствие малой испаряемости дизельного топлива и герметичности топливной системы дизеля.
Загрязнение атмосферы возможно также вследствие выделения газов при обгорании на горячих поверхностях двигателей топливных и масляных ϻподтеков, консервирующих смазок, красок и различных посторонних материалов. Газы, выделяющиеся при выгорании масел, содержат в своем составе в основном углеводороды и альдегиды. Эти выделения не являются неизбежными и могут быть устранены соответствующими профилактическими мероприятиями.
Показатели токсичности двигателей автомобилей
Концентрации токсичных веществ в ОГ изменяются в больших пределах. Высокие концентрации С компонентов ОГ, например окиси углерода, принято оценивать в процентах по объему (% об.), меньшие - мг/л (г/мЗ) или количеством частей на миллион (млн -1). Соотношения между ними:
С%об. 10-1 млн-1=2,24/ϻ С млн-1.
Смг/л 10-1ϻ/2,24 С млн-1.
Приближенные значения молекулярных весов характерных токсичных компонентов ОГ:
Окиси углерода (СО) …………………...28
Окислов азота (NOX)……………….. 46
Углеводородов (CnHm)……………. 86
Акролеина (СН2СНСНО)…………… 56
Сернистого газа (S02)……………… 64
Бенз(а)пирена(С20Н12)……………. 252
Концентрации компонентов в ОГ еще не характеризуют токсичность двигателя. Например, концентрации СО на режиме холостого хода двигателя, как правило, наибольшие, но общее количество выделяемых ОГ невелико. Выбросы i-ro компонента Gi- двигателем определяются с учетом расхода ОГ QOr, мЗ/ч:
Gi=GiQor г/ч.
Удельные выбросы токсичных компонентов определяются аналогично удельному расходу топлива,
gi=Gi/Ne г/кВт. ч,
где Ne - эффективная мощность двигателя, кВт.
Для оценки совершенства процесса сгорания топлива в двигателе можно применять показатель Вт, определяемый как отношение абсолютных или удельных выбросов к соответствующему расходу топлива,
BT=Gi/GT=gi/gT,
где GT - расход топлива, кг/ч;
gT - удельный расход топлива, г/кВт. ч.
Токсичность выбросов двигателя автомобиля, так же, как и топливная экономичность, оценивается в отношении к пробегу так называемыми пробеговыми выбросами:
Qi = Gi/Va,
где Va - скорость движения автомобиля, км/ч.
Оценку значимости отдельных токсичных компонентов ОГ удобно производить в сравнении с каким-либо постоянным компонентом, принятым за эталон. Как правило, это окись углерода, действие которой на организм человека изучено наиболее полно, методы ее измерений надежны.
В табл. 3 приведены значения ПДК и относительной значимости Ri определяемой как отношение ПДК окиси углерода к ПДК рассматриваемого компонента: Rcoi ПДКсо/ПДЮ. Как видно, наибольшей относительной значимостью обладают окислы азота и бенз(а)пирен.
Приведение к единому показателю относительной значимости Ri позволяет оценить токсичность двигателя суммарной величиной массовых выбросов
Geo = RcoiGi г/ч,
или токсичность двигателя автомобиля по суммарному пробеговому выбросу
Qco = RcoiQi г/км.
Как правило, токсичность автомобиля нормируется по выбросам СО, CnHm и NOX. Тогда суммарная токсичность, приведенная к окиси углерода, определяется как
Ссо∑ =Gco + 2GCnHm+75GNOx г/ч,
или
Q со∑ =QCO + 2QCnHm+75QNOx, г/км.
Использование метода приведения к единому показателю должно быть ограниченным, особенно при сведении в одно уравнение относительно малотоксичных компонентов СО и CnHm и высокотоксичных NOX и бенз(а)пирена. В таком случае можно сделать неверный вывод, что для снижения токсичности двигателя, определяемой по приведенному показателю, достаточно все усилия направить на снижение выбросов компонента с наибольшим значением Ri. Данный метод применим для сравнительной оценки токсичности различных типов тепловых двигателей. В нормировании выбросов вредных веществ он не применяется.
Токсические характеристики двигателей автомобилей
Автомобильный двигатель в отличие от стационарных источников выбросов имеет широкий диапазон изменения нагрузочных и скоростных режимов работы, определяемый условиями движения автомобиля в транспортном потоке (рис. 3).
Это режимы, соответствующие разгону, установившемуся движению, торможению двигателем (принудительный холостой ход) и собственно холостому ходу. Весь диапазон возможных режимов ограничивается внешней скоростной характеристикой карбюраторного двигателя (рис. 4). Практически используемая зона тяговых режимов характеристики ограничена параболическими кривыми 1 и 2. В этой зоне двигатель работает при составе смеси, близком к стехиометрическому (а ? 1), с наибольшей полнотой сгорания и образованием наименьшего количества продуктов неполного сгорания топлива.
В карбюраторных двигателях регулирование мощности производится изменением положения дроссельной заслонки. При малых нагрузках и на холостом ходу ухудшаются процессы газообмена, увеличивается доля остаточных газов в цилиндрах. Для компенсации этого необходимо обогащать смесь, что приводит к росту концентраций СО и CnHm. На режимах полных нагрузок для обеспечения максимальной мощности смесь также необходимо обогащать до ? ? 0,9, при этом объемные концентрации СО могут составить 3-4%.
Скоростные характеристики, дополненные изолиниями концентраций основных токсичных компонентов (на рис. 4 нанесены изолинии концентраций окиси углерода), принято называть многопараметровыми, универсальными токсическими характеристиками двигателя. Они наиболее полно представляют его токсические свойства, характеризуют степень доводки двигателя, отдельных его систем и элементов. В частности, в области максимальных нагрузок рост концентраций СО обусловлен включением в работу обогатительных систем карбюратора - экономайзера, эконостата. Регулировка системы холостого хода определяет концентрации СО не только на режиме холостого хода (M=0,n?0,15… …0,20),но и при торможении двигателем (М<0).
Изолинии концентраций СО в целом повторяют изолинии коэффициента избытка воздуха а, так как в области режимов работы двигателя на обогащенных смесях (а < 1) наблюдается практически линейная зависимость концентраций СО от а (рис. 5). Это свойство используется, в частности, для косвенной оценки состава смеси по данным анализа содержания окиси углерода в отработавших газах.
Распределение концентраций углеводородов не так закономерно, как окиси углерода. В значительной степени образование CnHm определяется параметрами системы зажигания, фазами газораспределения, качеством распыливания топлива. В зонах работы двигателя с обогащенным составом смеси так же, как и СО, наблюдается увеличение концентраций углеводородов.
Картина изолиний концентраций окислов азота в поле универсальной токсической характеристики обратная. В области наиболее эффективного сгорания (а -1,0 ... 1,1), где концентрации СО и CnHm минимальны, окислы азота имеют наибольшие концентрации, что объясняется высокими температурами процесса сгорания и достаточным количеством кислорода для ведения термических реакций образования NO. В зоне мощностного обогащения смеси (а 0,9 .. 0,95) концентрации NO несколько ниже, хотя температуры сгорания максимальны. Здесь сказывается недостаток кислорода. На режимах холостого и принудительного холостого хода окислы азота практически отсутствуют.
В дизелях осуществляется качественное регулирование мощности двигателя. Нагрузка двигателя пропорциональна цикловой подаче топлива, степень наполнения цилиндров воздухом у безнаддувных дизелей на всех режимах практически одинакова. В дизеле на всех режимах работы коэффициент избытка воздуха больше единицы (?=1,3 ? 5). Концентрации СО и CnHm определяются не составом смеси, а локальными явлениями, происходящими во фронте пламени и пристеночной зоне камеры сгорания. Зависимость концентраций вредных веществ имеет сложный неоднозначный характер, диапазон изменения объемных концентраций СО составляет 0,05 ... 0,50%, концентраций CnHm -10 ... 100 млн-1 (у карбюраторного двигателя соответственно 0,25 ... 6% и 50 ... 1000 млн-1).
Наибольшее количество углеводородов образуется на режимах холостого хода и малых нагрузок, что объясняется низкой максимальной температурой цикла дизеля, когда имеет место повышенное недогорание топлива. Наибольшие концентрации СО наблюдаются в зоне высоких нагрузок при малых частотах вращения коленчатого вала.
По мере роста нагрузки на дизель, увеличивается максимальная температура цикла при одновременном уменьшении коэффициента избытка воздуха. В результате эти два фактора, противоположно влияющие на образование NO, приводят к характерному закону образования окислов азота. Превалирующим является температурный фактор, и только в области максимальных нагрузок начинает сказываться концентрационный фактор - недостаток кислорода, ограничивающий рост NO.
Автомобильные двигатели работают, как правило, с переменными нагрузками на неустановившихся режимах, с последовательными цикличными переходами с режима холостого хода на режимы разгона, установившейся работы и далее принудительного холостого хода (рис. 6).
В начальный период разгона карбюраторного двигателя возможно рассогласование соотношения воздух-топливо в карбюраторном двигателе вследствие большей инерции топлива относительно воздуха. Для исключения переобеднения смеси на режиме разгона применяют ускорительные насосы. Производительность их закладывается с определенным запасом, в связи с чем в начальный момент разгона наблюдаются всплески выбросов СО и CnHm. На режим ускорения приходится более 75% выброса окислов азота в городском цикле движения автомобиля, треть выбросов СО и CnHm. Вторым по загрязняющему эффекту является режим установившегося движения -на него приходится треть выбросов СО и CnHm и четверть выбросов NOx.
Принудительный холостой ход характеризуется максимальными выбросами CnHm. На этом режиме возможно нарушение воспламенения смеси вследствие неудовлетворительного протекания рабочего процесса (ухудшение наполнения цилиндров).
Показатели токсичности двигателя в цикле городского движения автомобиля (данные автополигона НАМИ) представлены в табл. 4.
Дизель значительно менее токсичен, чем бензиновый двигатель. Более неблагоприятно процесс разгона происходит у дизелей с тур-бонаддувом по сравнению с безнаддувным дизелем из-за инерционности их системы воздухоснабжения. Наиболее полно проявляются положительные качества дизеля в режиме городского движения с большим удельным весом режимов малых нагрузок и холостого хода. Ограничивающим фактором применения дизелей является дымность отработавших газов.
Как видно, неустановившиеся режимы работы автомобильного двигателя во многом определяют его токсические показатели. С целью снижения повышенной инерционности топливоподающих систем, являющейся причиной повышенных выбросов вредных веществ на режимах разгона, в конструкции бензиновых двигателей вводят сложные быстродействующие системы приготовления топливовоздушной смеси заданного состава, стабилизации температурного режима, впрыск бензина во впускной коллектор. Наиболее эффективны системы с использованием электронных схем. В дизелях, на которых с целью их форсирования все более широко используется турбонаддув, применяют малоинерционные турбокомпрессоры с высокой частотой вращения ротора.
Литература
1. Антошкин И.А., Борисов В.М. Экономия топлива, снижение токсичности и дымности отработавших газов при эксплуатации автомобилей. - Л.: Дом науч. - техн. Пропаганды, 2005 - 24с.
2. Блейз Н.Г. экспериментально-исследовательский комплекс работ по снижению токсичности двигателей. - Харьков, 2004 - 120с.
3. Гусаров А.П. Важнейшие резервы улучшения топливной экономичности и снижения токсичности автомобилей. - Автомобильная промышленность, 2002 - 85с.
4. Желагин О.И. Снижение токсичности автомобильных двигателей. - М.: "Транспорт" 2006 - 112с.
5. Понченко Я.В. Опыт экономии топлива. - автомобильный транспорт, 2007 - 50с.
|
