Меры по сокращению токсичности автомобильных двигателей

У карбюраторных двигателей при работе на холостом ходу (х. х.) и малых нагрузках содержание СО достигает 5—8 % при работе на обогащенных смесях. Нормы на токсичность двигателей допускают 2 % содержания СО при работе на х. х.

Оксиды aзота (NOx) — самый токсичный газ из ОГ. В ОГ двигателей 90 — 99 % всего количества оксидов азота составляет N0. Однако уже в системе выпуска и далее в атмосфере происходит окисление NO ® NO2. N02 — газ красновато-бурого цвета, в малых концентрациях не имеет запаха, хорошо растворяется в воде с образованием кислот.

NOx раздражающе действует на слизистые оболочки глаз, носа, остаются в легких в виде азотной и азотистых кислот, получаемых в результате их взаимодействия с влагой верхних дыхательных путей.

Оксиды азота способствуют разрушению озонового слоя. Считается, что токсичность NOx больше в 10 раз, чем СО. Норма NOx в воздухе — 0,1 мг/м3.

Выброс NOx с ОГ зависит от температуры среды. Чем больше нагрузка двигателя, тем выше температура в камере сгорания, и, соответственно, увеличивается выброс NOx.

Кроме того, температура в камере сгорания зависит от состава смеси. Слишком обедненная или обогащенная смесь при сгорании выделяет меньшее количество теплоты, процесс сгорания замедляется и сопровождается большими потерями теплоты в системе, т. е. в таких условиях выделяется меньшее количество NOx, а выбросы растут, когда состав смеси близок к стехиометрическому (1 кг топлива к 15 кг воздуха).

Для дизельных двигателей состав NOx зависит от угла опережения впрыска топлива и периода задержки воспламенения топлива.

С увеличением угла опережения впрыска топлива удлиняется период задержки воспламенения, улучшается однородность топливовоздушной смеси, большее количество топлива испаряется, и при сгорании резко (в 3 раза) увеличивается температура, т. е. увеличивается количество NOx.

Уменьшая угол опережения впрыска топлива, можно существенно снизить выделение NOx, но при этом значительно ухудшаются мощностные и экономические показатели.

Углеводороды (Сх Н ) — этан, метан, бензол, ацетилен и др. (около 200 различных типов).

В дизельных двигателях С Н образуется в камере сгорания из-за гетерогенной смеси, т. е. пламя гаснет в очень богатой смеси, где не хватает воздуха за счет неправильной турбулентности, низкой температуры, плохого распыления.

Двигатель выбрасывает большое количество углеводородов, когда работает в режиме х. х., за счет плохой турбулентности и уменьшения скорости сгорания. СхН действуют раздражающе на органы зрения, обоняния и очень вредны для окружающей среды. СхН от паров бензина также токсичны (допускается 1,5мг/м3 вдень).

Углеводородные соединения. Наиболее активную роль в образовании смога играют олефины. Вступая в реакции с оксидами азота под воздействием солнечного облучения, они образуют озон и другие фотооксиданты — биологически активные вещества, вызывающие раздражение глаз, горла, носа у людей, нанося также ущерб флоре и фауне.

Дым — непрозрачный газ. Может быть белым, синим, черным. Цвет зависит от состояния ОГ. Белый и синий дым — это смесь капли топлива с микроскопическим количеством пара. Образуется из-за неполного сгорания и последующей конденсации. Белый дым образуется, когда двигатель находится в холодном состоянии, затем исчезает из-за нагрева. Наличие дыма показывает, что температура недостаточна для полного сгорания топлива. Дым также отрицательно влияет на организм человека, животных и растительность. Черный дым состоит из сажи.

Сажа — бесформенное тело без кристаллической решетки. В ОГ дизельных двигателей сажа состоит из неопределенных частиц с размерами 0,3—100 мкм.

Причина образования сажи заключается в том, что энергетические условия в цилиндре дизельного двигателя оказываются достаточными, чтобы молекула топлива разрушилась полностью. Более легкие атомы водорода диффундируют в богатый кислородом слой, вступают с ним в реакцию и как бы изолируют углеводородные атомы от контакта с кислородом.

Образование сажи зависит от температуры, давления в камере сгорания, типа топлива, состава топливо-воздушной смеси. Содержание сажи в ОГ уменьшается с увеличением угла опережения впрыска топлива. При уменьшении этого угла выделение сажи заметно возрастает. Количество сажи зависит от температуры в зоне сгорания.

Существуют другие факторы образования сажи — зоны обогащенной смеси и зоны контакта топлива с холодной стенкой, а также неправильная турбуленция смеси.

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 ароматические углеводороды, в том числе канцерогенный бенз(а)пирен, токсичные свойства которого хорошо известны.

Норма сажи в ОГ составляет 0,8 г/м3. Скорость сжигания сажи зависит от размера частиц (при размере частиц меньше 0,01 мкм сажа сжигается полностью).

Оксиды свинца (РЬО) возникают в ОГ карбюраторных двигателей, когда используется этилированный бензин для повышения октанового числа и уменьшения детонации, т. е. быстрого, взрывного сгорания отдельных участков рабочей смеси в цилиндрах двигателя со скоростью распространения пламени до 3000 м/с, сопровождающегося значительным повышением давления газов. РbО выбрасываются с ОГ в виде аэрозолей в соединении с бромом, фосфором, хромом. Аэрозоли, попадая в организм при дыхании, через кожу и с пищей, 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. Этот газ вызывает раздражение глаз, кашель, нарушает белковый обмен и ферментативные процессы. S02 и H2S также очень опасны для растительности.

S02 образуется во время  работы двигателя из топлива, получаемого из сернистой нефти (особенно в дизелях).

Альдегиды (RCHO). В ОГ присутствуют в основном формальдегид и акролеин (С2Н3СНО).

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.

Альдегиды образуются при сжигании топлива при низких температурах, при обедненной смеси, из-за окисления тонкого слоя масла в стенке цилиндра.

Именно эти газы определяют запах ОГ.

Следует отметить, что загрязнение воздуха идет следующим образом (по усредненным показателям):

ОГ, выбрасываемые через выхлопную трубу (65 %);

картерные газы (20 %);

углеводороды в результате испарения топлива из бака, карбюратора и трубопроводов (15 %)3.

2. МЕРЫ ПО СНИЖЕНИЮ  ТОКСИЧНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

2.1 Эксплуатационные мероприятия  по снижению токсичности отработавших  газов

 

Основными эксплуатационными мероприятиями снижения токсичности ОГ являются следующие:

Для карбюраторных двигателей

Своевременное регулирование карбюраторов по оптимальному составу рабочей смеси.

Оптимизация характеристики ускорительного насоса при разгоне автомобиля.

Поддержание оптимальной регулировки зазоров между торцами стержней клапанов и носками коромысел газораспределительного механизма.

Контроль и регулировка оптимального угла опережения зажигания. Поддержание нормального зазора в контактах прерывателя.

Повышение минимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя на 50—100 об/мин.

Периодическая промывка системы смазки специальным промывочным маслом.

Периодическая проверка герметичности цилиндро-поршне-вой группы.

Движение, по возможности, с постоянной скоростью.

Систематическая промывка топливных и воздушного фильтров систем питания двигателя.

Работа двигателя на средних скоростных режимах и нагрузках 60—80 % от максимальной мощности.

Добавка в бензин 3 % антитоксичного изопропилового спирта.

Для дизельных двигателей

Систематический контроль оптимального угла опережения начала подачи топлива. Он должен быть у двигателей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 16-19° до ВМТ.

Поддержание постоянной цикличности подачи топлива для каждого цилиндра. Допускается неравномерность подачи топлива +5 %.

Контроль и регулировка оптимальной максимальной подачи топлива, исключающей дымный выхлоп.

Своевременный контроль технического состояния и регулировка оптимального давления начала впрыска топлива каждой форсункой. Для двигателей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 давление начала подъема иглы должно быть 150+5 кгс/см2.

Разогрев двигателя и его систем перед началом движения автомобиля до температуры не ниже 30°С и полная нагрузка двигателя при температуре охлаждающей жидкости не ниже 55°С.

Работа двигателя на средних скоростных режимах и нагрузках 60—70 % от максимальной мощности.

Периодическая проверка герметичности цилиндро-поршне-вой группы.

Движение, по возможности, с постоянной скоростью.

9.Своевременная промывка топливных и воздушных фильтров. 
Чтобы судить о своевременном выполнении вышеуказанных мероприятий на АТП, организуется контроль за токсичностью ОГ с применением современных газоанализаторов.

Углубленная проверка исправного технического состояния топливных систем двигателей обычно проводится 2 раза в год. При этом проверяют:

производительность топливных жиклеров;

износ деталей привода ускорительного насоса и его производительность;

— систему балансировки поплавковой камеры.

Хорошая взаимосвязь системы холостого хода карбюратора и главной дозирующей системы обеспечивают автомобилю хорошие ходовые качества.

При ТО-2 техническое состояние карбюратора и воздушного фильтра проверяют в первую очередь, т. е. контролируют: состояние системы холостого хода; положение винта минимального открытия дросселя; минимальные обороты холостого хода и содержание СО в ОГ. Затем проверяют техническое состояние аккумуляторных батарей и системы зажигания.

У дизельных двигателей в первую очередь определяется техническое состояние топливной системы. То есть проверяется исправность топливной аппаратуры (форсунок, топливных насосов). Обращается также внимание на техническое состояние воздухоочистителя, топливных фильтров и их герметичность.

Кроме того, автомобили с дизельными двигателями проверяются на дымность при техническом обслуживании и при проведении годовых технических осмотров4.

2.2 Основные направления, мероприятия, методы и средства  по снижению токсичности и  дымности отработавших газов

1. Новые схемы двигателя:

с турбокомпаундированием;

с утилизацией теплоты в цикле Ренкина—Стирлинга;

комбинированные;

газотурбинные;

аксиальные;

двухтактные;

электрические.

2. Совершенствование рабочего  процесса:

оптимизация камеры сгорания;

оптимизация параметров топливоподачи;

улучшение наполнения цилиндров;

оптимизация структуры воздушного вихря;

оптимизация фаз газораспределения;

разработка малотоксичных рабочих процессов;

теплоизоляция камеры сгорания;

предварительная физико-химическая обработка топлива, воздушного заряда, рабочей смеси;

совершенствование систем турбонаддува:

совершенствование систем впуска и выпуска.

3. Совершенствование конструкции  и технологии изготовления ДВС:

снижение механических потерь;

утилизация теплоты ОГ;

ужесточение допусков;

оптимизация степени сжатия:

совершенствование систем теплоподачи:

совершенствование узлов и деталей дизеля;

совершенствование систем охлаждения и смазывания;

создание электронных систем управления.

4. Разработка средств и методов снижения токсичности и дымности ДВС:

— воздействие на рабочий процесс:

• регуляция ОГ;

•впрыскивание воды, присадки и эмульсии;

— устанавливаемых в системе выпуска:

каталитические или жидкостные катализаторы, фильтры, термореакторы;

прочие устройства;

комбинированные системы очистки ОГ;

химические поглотители.

5. Применение альтернативных  топлив и масел:

жидкие топлива;

водород;

сжатый газ (природный, синтетический и др.);

сжиженный газ (природный, синтетический и др.);

антидымные присадки;

масла;

смеси топлив, масел и присадок;

метанол, этанол;

подсолнечное, рапсовое масла.

6. Технологическое обеспечение, эксплуатация, техническое 
обслуживание и ремонт: