Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Волгоградский государственный технический университет
(ВолгГТУ)
Кафедра "Теплотехники и гидравлики"
Реферат по экологическим проблемам автомобильного транспорта
Тема: "Причины образования токсичных компонентов в ОГ ДВС"
Выполнил:
студентка гр. АТ-315
Кузьмина М.В.
Проверил:
доц. Захаров Е.А.
Волгоград 2009
Содержание
Введение
Образование токсичных компонентов
Сажа
Монооксид углерода
Углеводороды
Диоксид углерода
Оксид азота
Сера
Свинец
Альдегиды
Заключение
Список используемой литературы
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.
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.
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.
Таким образом, разобравшись в причине образования отработавших газов, человечество может повлиять в лучшую сторону на решение экологических проблем автомобильного транспорта.
Таблица 1Содержание веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, % по объему
| Компонент | Бензиновый двигатель | Дизель |
| Азот | 74...77 | 74...78 |
| Кислород | 0,3...10,0 | 2...18 |
| Водяной пар | 3,0...5,5 | 0,5...9,0 |
| Углекислый газ (диоксид углерода) | 5...12 | 1...12 |
| Оксид углерода (угарный газ) | 0,5...12,0 | 0,005...0,4 |
| Оксиды азота | 0,01...0,80 | 0,004...0,5 |
| Углеводороды | 0,2...3,0 | 0,009...0,3 |
| Альдегиды | До 0,2 | 0,001...0,009 |
| Сажа, г/м3
|
До 0,004 | 0,01...1,1 |
| Бснз(а)пирен, мкг/ м3
|
До 25 | До 10 |
| Оксиды серы | До 0,008 | 0,002...0,02 |
| Оксиды свинца | До 0,02 | Отсутствуют |
Примечание: в ОГ 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.
Рассмотрим подробнее механизмы образования тех из веществ, содержание которых в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания нормируется или предполагается нормировать в будущем.
Образование токсичных веществ
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.
Частица сажи — это агломерат пакетов (кристаллитов), которые, в свою очередь, состоят из набора отдельных сеток (пластинок) графитовых шестиугольников. Кроме углерода сажа содержит 1—3% по массе (т. е. 10—30% по числу атомов) водорода, который может быть химически или физически связан с углеродом.
Образование сажи представляет собой объемный процесс термического разложения (пиролиза) углеводородов в газовой (паровой) фазе в условиях сильного недостатка (отсутствия) окислителя (кислорода).
Реакция пиролиза углеводородов может быть выражена уравнением
(1)
которое не описывает действительного механизма, приводящего к образованию твердого углерода. 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.
Необходимо отметить, что образование сажи в предварительно перемешанном и диффузионном пламени (ламинарном и турбулентном) также происходит через пиролиз молекул углеводорода.
Многочисленными экспериментальными исследованиями установлены концентрации окислителя, при которых начинается выделение сажи из пламени. Эти концентрации оценивают коэффициентом избытка воздуха при сгорании α.
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 (1) контролируется ее кинетикой. Подобным образом влияет и увеличение давления.
В исследованиях сажеобразования на модельной установке (при впрыске вторичного жидкого топлива в продукты сгорания) установлено существование равновесной температуры процесса, т. е. температуры, при которой процесс характеризуется равновесием между скоростями горения и распада топлива в тепловом выражении.
Максимальное сажесодержание в продуктах горения соответствует равновесной температуре. Уменьшение или увеличение температуры по сравнению с равновесной уменьшает сажесодержание. Равновесная температура зависит от условий эксперимента и вида топлива.
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.
Различные углеводороды (с одинаковым числом атомов С) по степени увеличения склонности к образованию сажи располагаются следующим образом: нормальные парафины, изопарафины, циклопарафины, олефины, циклоолсфнни, деолефины, ароматики.
В дизеле можно наблюдать явление, когда при большой нагрузке топливо, содержащее ароматические углеводороды, меньше образует дыма, чем топливо, имеющее в своем составе парафины. Это происходит из-за более длительного периода индукции в случае сгорания топлива с ароматическими углеводородами, вследствие чего смесь в камере сгорания имеет больше возможностей стать гомогенной до начала горения.
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). Было определено, что вся образовавшаяся в пламени сажа может выгореть только в том случае, если размеры частиц не будут превышать 100 А. Все это позволяет объяснить особенности выделения сажи в процессах сгорания в двигателях.
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.
Первичные структуры, из которых состоит сажа, образующаяся в дизелях, представляют собой частицы сферической формы диаметром 150—1700 А с удельной поверхностью до 76 м2
/г. Однако еще в процессе сгорания происходит коагуляция частиц сажи, приводящая к образованию вторичных и третичных структур. Сажа в отработавших газах дизелей представляет собой образования неправильной формы с линейными размерами 0,3—100 мкм. Большая часть сажевых образований имеет размеры 0,4—5 мкм. В процессе расширения газов в цилиндре дизеля к частицам сажи поступает кислород (вследствие движения газов и диффузии кислорода), т. е. создаются условия, благоприятные для выгорания сажи. Исследования образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля, выполненные методом спектрального анализа, показали, что значительная часть сажи выгорает в процессе расширения. Выделение сажи с отработавшими газами дизеля зависит, следовательно, как от процесса образования, так и от процесса выгорания ее. Однако некоторые исследователи процессу выгорания сажи при расширении придают меньшее значение.
Исследование образования сажи в цилиндре дизеля 12/14 с камерой сгорания в поршне, выполненное с использованием газоотборного клапана стробоскопического типа, показало, что выгорание сажи в процессе расширения может быть значительно.
При турбулентном перемешивании горящей смеси образование сажи уменьшается, а выгорание ее увеличивается. Интересно сопоставить экспериментальные данные с концентрацией С, полученной расчетом из условий равновесия для средних параметров газа в цилиндре. Равенство нулю равновесной концентрации С является дополнительным подтверждением того, что образование сажи происходит в местных переобогащенных топливом зонах.
Образование сажи в дизелях может происходить также при попадании струй топлива на сравнительно холодные стенки цилиндра.
Моноксид углерода СО. В двигателях внутреннего сгорания образование окиси углерода может происходить в ходе холоднопламенных реакций, при сгорании топливовоздушных смесей с некоторым недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации двуокиси углерода, происходящей при высоких температурах (более 2000 К). В процессе последующего сгорания и расширении при наличии кислорода возможно горение окиси углерода. Оно происходит по цепному механизму, который установлен на основе работ советских ученых (Я. Б. Зельдовича, Н. Н. Семенова, В. Н. Кондратьева) и который может быть представлен следующими элементарными стадиями.
Зарождение цепей
Н2
O + СО = Н2
+ СO2
; (2)
Н2
+ O2
= 2OН. (3)
Продолжение цепей
ОН + СО = С02
+ Н. (4)
Разветвление цепей
Н + O2
= ОН + О; (5)
О + Н2
= ОН + Н. (6)
Обрыв цепей на стенках
2Н + стенки = Н2
. (7)
Обрыв цепей в объеме
СО + О = СO2
. (8)
Скорость процесса определяет наиболее медленная реакция (4). Таким образом, окисление СО зависит от концентрации водорода и гидроксила в продуктах сгорания.
В дизелях, работающих при α> 1, вероятность указанных превращений во фронте пламени мала и в отработавших газах содержится меньше СО, но в цилиндрах находятся дополнительные источники его появления:
— низкотемпературные участки пламени стадии воспламенения топлива;
— капли топлива, поступающие в камеру на поздних стадиях впрыска и сгорающие в диффузионном пламени при недостатке кислорода;
— частицы сажи, образовавшейся в период распространения турбулентного пламени по гетерогенному заряду, в котором при общем избытке кислорода могут создаваться зоны с его дефицитом и осуществляться реакции типа
2С+О2
→2СО (9)
Так как при нормальной эксплуатации дизелей концентрация СО в отработавших газах обычно не велика (не превышает 0,1—0,2%), то основное внимание в последние годы было уделено анализу механизма образования и сгорания окиси углерода в карбюраторных двигателях.
Рис.2 Равновесные концентрации CO в зависимости от степени расширения
Сравнение равновесных концентраций СО, подсчитанных для идеального цикла с подводом тепла при постоянном объеме в зависимости от расширения смеси (рис. 2), с опытными данными о концентрациях СО в отработавших газах показало, что последние значительно выше равновесных при температуре конца расширения. Значения 0 и 1,0 по оси абсцисс соответствуют началу и концу расширения. Замеренные концентрации СО ближе к равновесным при условиях начала расширения. Исследования последних лет показали, что это расхождение может быть объяснено на основе законов кинетики химических реакций. В качестве реакции, определяющей содержание окиси углерода в отработавших газах, принята реакция (4). Скорость уменьшения концентрации СО (или увеличения концентрации СО2
) определяется при этом уравнением
- d[СО]/dτ = К1С
[СО] [ОН], (10)
где К1
C
— константа скорости реакции; К1
C
=7,10-1012
ехр(-32200/RT) см3
/(моль∙с) [Т—абсолютная температура, R— универсальная газовая постоянная; Дж/(моль∙К)]; [СО] и [ОН] — концентрации СО и ОН.
При частоте вращения коленчатого вала n=1500 об/мин процесс расширения в четырехтактном двигателе длится около 20 мс. За это время температура изменяется примерно на 1200 К, т. е. скорость изменения температуры составляет около 60 К/(м∙с).
В определенный момент расширения происходит "закалка" продуктов догорания окиси углерода. При составе смеси, близкой к стехиометрическому, температура "закалки" равна примерно 1020 К. По мере обогащения смеси температура "закалки" несколько увеличивается, приближаясь при α ≈0,7 к максимальной теоретической температуре цикла.
Углеводороды СХ
НУ
—свыше двухсот различных углеводородов, образующихся в отработавших газах двигателей в результате:
— реакций цепочно-теплового взрыва — пиролиза и синтеза (полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), альдегиды, фенолы);
— неполноты сгорания в результате нарушения процесса горения (из-за прекращения реакций окисления углеводородов при низких температурах, неоднородности топливо-воздушной смеси, пропусков зажигания в отдельных циклах или цилиндрах двигателя (несгоревшие компоненты топлива и масла).
Рис.3
В ряде исследований было также установлено, что вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания происходит гашение пламени. Это приводит к замедлению или исключению реакций горения в части смеси, находящейся в зоне гашения. Фотографирование процес
Н12
. Возможная реакция образования С20
Н12
при пиролизе углеводородных топлив при температуре более 873К возможно соответствует виду:
С6
Н2
+3С2
Н2
+4С2
Н→С20
Н12
(11)
где С6
Н2
— полирадикал, являющий зародыш сажи; С2
Н2,
С2
Н — элементные строительные блоки. Бенз(α)пирен образуется одновременно с сажей примерно по аналогичному механизму.
Диоксид углерода СО2
не является токсичным веществом. Его вредность связана с постоянным повышением концентрации в атмосфере Земли и его влиянием на изменение климата планеты. В последние десятилетия начали предпринимаются меры по регламентированию его выброса энергетическими, промышленными и транспортными объектами.
Львиная доля образовавшихся в цилиндрах двигателя СО окисляется до СО2
, не проникая за пределы камеры сгорания, так как померенная объемная доля двуоксиси углерода в отработавших газах примерно равна 10—15%, т. е. в 300—450 раз больше, чем в нашей атмосфере. Самый большой вклад в образование СО2
вносит следующая реакция
СО+ОН-→СО2
+Н- (12)
которая к тому же необратимая. Процесс окисления СО в СО2
идет в выпускном трубопроводе и в нейтрализаторах (дожигателях) отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, устанавливающихся на современном автомототранспорте для принудительного окисления СО и несгоревших углеводородов до СО2
, дабы соблюдать нормы токсичности.
Величина выбросов CО2
зависит от физико-химических и теплофизических свойств топлив и их расхода. При использовании в качестве автомобильного топлива водорода в продуктах сгорания СО2
отсутствует.
Оксиды азота NOX
представляют набор следующих соединений: N2
O, NO, N2
O3
, NO2
, N2
O4
и N2
O5
. Преобладает NO (99% в бензиновых двигателях и более 90% в дизелях).
В камере сгорания NO может образовываться:
1)при высокотемпературном окислении азота воздуха (термический NO);
2)в результате низкотемпературного окисления азотсодержащих соединений топлива (топливный NO);
3)из-за столкновения углеводородных радикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсаций температуры (быстрый NO).
В процессе сгорания топлив окислы азота (практически лишь окись NO) образуются в результате реакций окисления азота кислородом воздуха. В реакции образования NO может участвовать как азот, содержащийся в топливе, так и азот атмосферного воздуха.
В нефтепродуктах содержится до 5% азотистых соединений (0,3—0,6% по весу чистого азота). Основными азотосодержащими компонентами твердого и жидкого топлив являются пиридин и его производные. Азот топлива легче вступает в реакцию окисления, чем атмосферный азот.
Предполагаемый механизм образования NO из топливного азота
I+R+NO+…; (13)
I+NO→N2
+…; (14)
где R— компоненты, не содержащие азота.
Возможно, что I представляет собой NH2
, а R— это ОН.
При содержании в топливе азота в количестве 1,4% от веса было зафиксировано в процессе сгорания увеличение выделения NO примерно в 10 раз.
Ряд исследований, выполненных на лабораторных установках с добавкой к топливу азотосодержащих соединений (пиридина, аммиака и др.), показал, что количество образовавшихся окислов азота не зависит от типа азотосодержащего компонента и определяется содержанием чистого азота в топливе.
Установлено также, что степень окисления азота топлива зависит от его концентрации в топливе и от вида пламени. Так, например, при α=1,1 в предварительно перемешанном пламени метана в воздухе и добавке аммиака от 1 до 9,3% степень превращения NH3
в NO уменьшается с 95 до 63%. В диффузионном пламени NO образуется в 2—3 раза меньше, чем в предварительно перемешанном.
В пламени при сжигании азотосодержащих топлив были зафиксированы концентрации окислов азота, значительно превышающие равновесные:
N2
+ О2
⇆2NO. (15)
Это можно объяснить тем, что механизм образования NO включает также реакции (13). (14), поэтому невозможно сравнивать действительные концентрации NО с равновесными по уравнению (15), которое справедливо только для образования NО в зоне продуктов сгорания из атмосферного азота.
Исследования Р. А. Липштейна показывают, что при перегонке нефти азотистые соединения остаются в тяжелых фракциях. Фракции с температурой перегонки до 350°С содержат не более 4% всего азота, находящегося в нефти. Поэтому для дизельных топлив, а тем более бензинов, получаемых из нефти, можно не учитывать при анализе образования NOреакции с топливным азотом.
Однако для используемых в тихоходных дизелях моторных топлив (ДТ-1, ДТ-2, ДТ-3), у которых только 15% составляющих топлив перегоняется до температуры 250°С, а также для мазутов нельзя пренебрегать содержанием топливного азота.
Общепринятой теорией образования окиси азота из атмосферного азота и кислорода в процессе сгорания является термическая теория.
Основные положения этой теории приведены ниже.
1. Окисление азота происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания.
2. Выход оксидов азота зависит от максимальной температуры горения, концентрации азота и кислорода в продуктах сгорания и не определяется природой топлива (при отсутствии в топливе азота).
3.Окисление азота происходит по цепному механизму:
N2
+ О ⇆NO + N — 316 кДж/моль; (16)
N + О2
⇄NO+ О + 136 кДж/моль. (17)
Главной является реакция (16). Её скорость определяется концентрацией атомарного кислорода. Когда в газовой смеси есть водяные пары, процесс образования NOможет стать комбинированным и включать вместе с реакциями (16) и (17) следующие реакции:
ОН + N2
= NO + NH; (18)
NH + 02
= NO + OH. (19)
Но все-таки главным механизмом термического образования является цепная реакция через атомы кислорода(16).
4.Выход NO определяется скоростью охлаждения продуктов сгорания.
5.При сгорании бедных смесей (при малой подвижности реакции) выход NO зависит от максимальной температуры взрыва, то есть от кинетики ее образования. При сгорании богатых смесей выход NOуже не определяется максимальной температурой взрыва и зависит от кинетики разложения, то есть от "закалки" образовавшейся окиси азота.
6.Концентрация окислов азота не будет больше равновесной при максимальной температуре взрыва.
7.Махе-эффект (неравномерное распределение температуры в зоне продуктов сгорания) заметно влияет на выход NO при горении бедных смесей и слабо при горении богатых смесей.
Для анализа образования окиси азота в цилиндре двигателей внутреннего сгорания имели место попытки применения бимолекулярного механизма. В некоторых случаях при использовании указанного механизма было получено достаточно хорошее совпадение опытных и расчетных концентраций NO. Однако расчеты показывают, что при условиях, существующих в цилиндре двигателей в процессе сгорания, доля бимолекулярного механизма в общем процессе образования NO незначительна (по сравнению с цепным механизмом). В последние годы в связи с выделением в атмосферу значительных количеств окислов азота с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания было проведено много исследований для выяснения механизма образования окислов азота в цилиндрах двигателей различных типов и влияния на количество окислов азота в отработавших газах параметров рабочего процесса. Исследование процесса образования окислов азота в цилиндре двигателя внутреннего сгорания усложняется изменением объема камеры сгорания (из-за движения поршня), гетерогенностью топливовоздушной смеси, движением смеси в камере сгорания, диссоциацией продуктов сгорания, неравномерностью распределения топлива по отдельным цилиндрам и цикловой неравномерностью. Установлено, что при максимальных температурах цикла в дизелях и двигателях с искровым зажиганием (Tm
ах
=1800÷2800 К) из окислов азота практически образуется только NO. В отработавших газах двигателей с искровым зажиганием содержание NО составляет 99% количества всех окислов азота (NOx
), а в отработавших газах дизелей — более 90%. В выпускной системе двигателя (при наличии кислорода в продуктах сгорания) после выхода отработавших газов в атмосферу происходит окисление NO до NO2
по реакции
2NO+О2
= 2NO2
. (20)
В ряде работ установлено, что в цилиндре двигателей внутреннего сгорания (дизелей и двигателей с искровым зажиганием) происходит "закалка" ("замораживание") окиси азота на уровне максимальной концентрации. Исключением является случай сжигания обогащенных смесей (при α<1). Таким образом, в процессе расширения и выпуска концентрация NO не изменяется.
На рис. 4,aприведены результаты исследований по образованию NО в цилиндре двигателя с искровым зажиганием, выполненных с помощью быстродействующего газоотборного клапана с гидравлическим приводом. Подобная картина наблюдалась и в цилиндре дизеля 1Ч 12/14 с камерой сгорания в поршне. Отбор проб проводился газоотборным клапаном, установленным в крышке цилиндра.
Увеличение максимальной температуры в процессе сгорания, получаемое изменением различных параметров рабочего процесса, всегда приводило к увеличению выхода NO (для топлив, не содержащих азот). В цилиндре двигателя в процессе сгорания топлива температура газа в различных частях объема камеры сгорания различна. В тех зонах, где сгорание топлива произошло раньше, температура газа выше вследствие "поджатая" газа из-за сгорания в последующих зонах. Кроме того, из-за неоднородности топливовоздушной смеси в цилиндре содержание кислорода в продуктах сгорания может быть неодинаковым в различных частях камеры сгорания. Это приводит к различию концентраций окиси азота по объему камеры сгорания, особенно в случаях, когда в камере сгорания нет организованного движения воздуха.
Сказанное выше подтверждается экспериментальными данными, полученными при отборе проб газа газоотборным клапаном, установленным в разных местах камеры сгорания четырехтактного двигателя с искровым зажиганием (рис. 4, а). Концентрация NОx
в пробах газа, отобранных при расположении клапана в боковом отверстии 2, оказалась значительно выше (примерно на 1500 млн-1
), чем в пробах при верхнем расположении клапана.
В случае расположения клапана в боковом отверстии фронт пламени от свечи зажигания подходит к нему раньше, что соответствует отбору пробы из зоны с более высокой температурой. Достаточного перемешивания продуктов сгорания при отсутствии организованного движения воздуха в цилиндре не происходит и в процессе расширения. В тонком пограничном слоена поверхности камеры сгорания процесс сгорания практически отсутствует. Температура этого слоя, называемого также "зоной гашения", ниже температуры продуктов сгорания, отдаленных от стенок камеры. Концентрация окиси азота в "зоне гашения" также значительно ниже. Это подтверждается зависимостью концентрации NOX
в пробе газа, отбираемой газоотборным клапаном, от объема пробы за цикл (рис. 5). Уменьшение объема пробы газа, отбираемой из цилиндра за один цикл, при прочих равных условиях эквивалентно уменьшению толщины слоя газа, из которого взята проба.
В дизелях также наблюдается заниженное содержание продуктов окисления в пробах газа, отобранных в зоне слоя, расположенного около стенки цилиндра. На рис. 6 приведена зависимость различных компонентов в пробе газа, отбираемой из цилиндра дизеля 1Ч 12/14 с камерой сгорания в поршне, от объема пробы за цикл. Изменение концентрации NОХ
имеет такой же характер, как и для двигателей с электрическим зажиганием.
Все проведенные исследования по образованию NОХ
в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания подтверждают термический характер данной реакции.
В последние годы были высказаны предположения о том, что образование окиси азота может происходить во фронте пламени, в котором наблюдаются концентрации атомарного кислорода (О) и гидроксильного радикала (ОН), на несколько порядков превышающие равновесные в зоне продуктов сгорания. Однако для условий сгорания в двигателях, в цилиндрах которых температура продуктов сгорания в процессе сгорания повышается также в результате "поджатая" сгоревших элементов заряда, образование NО во фронте пламени незначительно влияет на общее выделение N.
Расчетные данные образования NO в цилиндре двигателей по двум реакциям цепного механизма (через О и N) и реакции бимолекулярного механизма по равновесным концентрациям О2
и О в зоне продуктов сгорания достаточно хорошо согласуются с экспериментальными. Это также является подтверждением того, что в основном NO в цилиндре двигателей образуется в зоне продуктов сгорания по термическому механизму (при работе на топливах без содержания азотистых соединений).
Сера, которая содержится в автомобильном топливе, во время горения интенсивно окисляется до двуокиси серы по способу, похожему на механизм образования СО. Двуокись серы может окисляться (с намного меньшей скоростью) до SO3
по следующему уравнению:
SO2
+0,5O2
→SO3
(21)
Далее происходит реакция SO3
с парами воды, приводящая к образованию H2
SO4
, которая протекает на стенках при температуре ниже 815К.
Свинец в составе твердых частиц (из-за использования этилированных бензинов) присутствует в виде соединений галогенидов свинца, которые образуются по сходному механизму образования сажи.
Альдегиды RCHO
В дизелях альдегиды образуются в период предпламенных реакций, протекающих в период подготовки топливовоздушной смеси к сгоранию, когда процесс окисления протекает при низких температурах (их называют также холодным пламенем). Альдегиды и пероксиды (перекиси) являются типичными продуктами этих реакций. При образовании альдегидов выделяется тепло. В процессе самовоспламенения топлива они активной роли не играют. Как в дизелях, так и в двигателях с искровым зажиганием могут образоваться альдегиды, если часть процесса сгорания протекает при низких температурах, что наблюдается при охлаждении горящей смеси сравнительно холодными поверхностями, ограничивающими камеру сгорания, или при сгорании очень обедненной смеси, характерной для малых нагрузок у дизеля, или сгорание последней порции топлива в бензиновых двигателях, или в конце процесса сгорания в двигателях с послойным смесеобразованием. В процессе сгорания, происходящем при высоких температурах, альдегиды могут сгорать.
Заключение
Я думаю, что когда немецкие изобретатели Г.Даймлер и К.Бенц сделали и запатентовали первый автомобили с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания, они не думали к каким серьезным экологическим проблемам придет их детище. В идеале при полном сгорании углеводородного топлива, в частности бензина, конечными продуктами должны являться углекислый газ и водяные пары. Но, к сожалению, в реальной жизни полного сгорания добиться пока технически невозможно. Кроме того, любое топливо содержит множество добавок, которые отнюдь не улучшают свойства отработанных газов.
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.
Но меры, направленные на улучшение экологической обстановки все же предпринимаются. Правительство Российской Федерации одобрило специальный технический регламент <О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории РФ, вредных (загрязняющих) веществ> (ПОСТАНОВЛЕНИЕ от 12 октября 2005 г. N 609(в ред. Постановления Правительства РФ от 27.11.2006 N 718). В соответствии с регламентом вводятся экологические классы указанной техники, в зависимости от уровня выбросов вредных веществ; определены сроки введения в действие в отношении выпускаемой в обращение на территории РФ нормативов автомобильной техники: экологического класса 2 (ЕВРО-2) - с даты вступления в силу данного Регламента, экологического класса 3 (ЕВРО-3) - с 1 января 2008 года, экологического класса 4 (ЕВРО-4) - с 1 января 2010 года, экологического класса 5 (ЕВРО-5) - с 1 января 2014 года.
Одновременно устанавливаются основные технические требования к характеристикам бензина и дизельного топлива, позволяющие обеспечить введение вышеперечисленных экологических классов автомобильной техники.
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.
Будем верить, что в ближайшем будущем будет предприняты все вышеперечисленные методы по улучшению экологической обстановки. Желательно, чтобы все эти методы были приведены в действие в комплексе, ибо как мы знаем из медицины только комплексное лечение дает существенные результаты по улучшению здоровья больного, в нашем случае матушки-Земли.
Список используемой литературы
1. Кульчикий А.Р. "Токсичность автомобильных и транспортных двигателей", 2004г.
2. Лукашин В.Н., Трофименко Ю.В. "Промышленно-транспортная экология", 2001г.
3. Звонов В.А. "Токсичность двигателей внутреннего сгорания", 1981г.