При полном сгорании топлива в цилиндрах ДВС продуктами сгорания являются диоксид углерода СO2 (углекислый газ), пары воды Н2O и свободный азот N2. Попутно в отработавших газах содержатся разные химические соединения, которые не влияют на тепловой баланс двигателя, но загрязняют атмосферу, являясь веществами, вредными для жизнедеятельности человека, животных и растений. К таким веществам относятся монооксид углерода CO, оксиды азота (NO , N2O5, NO2 и др.) с общей формулой NOx, неокислившиеся углеводороды типа СxНy, сажа, альдегиды, в том числе формальдегиды, соединения серы, свободный кислород O2, высокоопасный свинец Рb, находящийся в топливе в небольших количествах, и др.
В табл. 2.6 приведено удельное содержание основных вредных веществ в отработавших газах ДВС.
Содержание основных вредных веществ в отработавших
газах ДВС
|
Вещество |
Удельное содержание вредных веществ, г/(кВтч), в отработавших газах ДВС |
|
|
бензиновых |
дизелях |
|
|
Монооксид углерода СО |
70… 180 |
4,0…5,5 |
|
Оксиды азота (в пересчете на N205) |
25…28 |
12…19 |
|
Углеводороды СХНy (в пересчете на углерод) |
14…140 |
2…4 |
|
Альдегиды |
3,40 |
0,14…0,20 |
|
Сернистый ангидрид |
0,28 |
0,95 |
|
Сажа |
0,40 |
1,40 |
Монооксид углерода СО образуется в больших количествах при работе бензиновых двигателей на богатых горючих смесях при α < 1 из-за недостатка кислорода. При работе на бедных горючих смесях содержание СО многократно ниже. Для дизелей, как правило, α > 1, поэтому количество СО по сравнению с бензиновыми двигателями в десятки раз меньше. Наличие в отработавших газах дизелей СО объясняется тем, что из-за внутреннего смесеобразования в камере
сгорания образуются зоны, где α < 1, т.е. в зонах с очень богатой топливной смесью молекулы углерода, образовавшегося при высокой температуре, не успевают прореагировать с кислородом и выделяются с отработавшими газами в виде сажи и СО. У бензиновых двигателей из-за однородной рабочей смеси, поступающей в цилиндры в готовом виде, сажи в отработавших газах практически не бывает.
При высоких температурах в камере сгорания и наличии свободного кислорода в небольших количествах образуется монооксид азота NO , но затем в выпускном тракте в условиях снижения температуры и в атмосфере воздуха он окисляется до диоксида азота NO2.
Хотя содержание диоксида азота в отработавших газах значительно меньше, чем СО, но он очень ядовит. Кроме того, при соединении с влагой воздуха NO2 образует азотную и азотистую кислоты, действие которых усиливает проблему кислотных дождей и фотохимического тумана или смога.
Углеводороды СxНy также присутствующие в отработавших газах, образуются из-за недостатка или избытка кислорода в отдельных зонах камеры сгорания.
Альдегиды (органические соединения, содержащие карбонильную группу СОН) образуются в процессе сжатия рабочей смеси при контакте топлива с нагретыми стенками цилиндра в камере сгорания.
Поскольку наиболее токсичным действием обладают монооксид углерода СО, диоксид азота NO2 и углеводороды СхНу (которые способствуют также образованию в атмосфере смога), их содержание в отработавших газах ограничивается. В табл. 2.7 приведены требования по предельному содержанию вредных веществ в отработавших газах, регламентированные ГОСТ 17.2.2.05 — 97 для дизелей и ГОСТ Р 51832 — 2001 для бензиновых ДВС.
Предельное содержание вредных веществ в отработавших газах ДВС
|
Вредное вещество |
Удельный выброс, г/(кВтч), ДВС |
|
|
выхлопного газа |
дизелей |
бензиновых |
|
Оксиды азота NOx |
18,0 |
10,0 |
|
Монооксид углерода СО |
10,0 |
55,0 |
|
Углеводороды CxHy |
3,0 |
2,4 |
Кроме предельного содержания вредных выбросов для ДВС регламентированы требования по дымности выбросов, т.е. по видимым загрязняющим веществам. Дымность определяется ослаблением света, проходящего через слой отработавших газов, и регламентируется нормами ГОСТ Р 52160 — 2003.
В настоящее время во всем мире уделяется большое внимание улучшению экологичности ДВС, поскольку производство автомобилей с ДВС неуклонно развивается, создавая экологическую проблему по причине прогрессирующего роста вредного воздействия на природу, в первую очередь на атмосферу, воду и почву, т.е. неблагоприятного изменения окружающей среды.
Поэтому в технически развитых европейских странах в последние десятилетия ведутся работы по экологическому нормированию с целью оптимизировать взаимодействие человеческого общества с природой. Согласно Правилам Европейской экономической комиссии ООН (ЕЭК ООН) в ряде нормативных документов все более жесткими становятся требования к уровню содержания вредных веществ, в частности, в продуктах сгорания топлива ДВС, т.е. в отработавших газах, выбрасываемых в атмосферу в виде выхлопных газов. Нормы по содержанию вредных веществ в продуктах сгорания, начиная с 1993 г., существенно ограничены и периодически пересматриваются в сторону дальнейшего их уменьшения. Эти нормы получили название Евро-1; Евро-2; Евро-3; Евро-4.
В результате разработчики, производители и эксплуатационники ДВС вынуждены постоянно совершенствовать способы и устройства для снижения вредного воздействия ДВС на окружающую природу. Основные направления при решении этих задач связаны с реализацией технических решений, с помощью которых можно достигнуть заметного улучшения условий эксплуатации при выполнении требований экологического нормирования.
Прежде всего необходимо иметь в виду, что на качество выхлопа ДВС большое влияние оказывают тип двигателя (бензиновый или дизель) и режим его работы. Если машина длительное время должна работать на предельных режимах по мощности, то бензиновый двигатель малопригоден для этого. Работа бензинового двигателя на максимальной мощности происходит при обогащенных смесях (α = 0,85…0,9), а на таких режимах в выхлопах бензинового двигателя увеличивается содержание СО и СxНy Длительная работа бензинового двигателя на обедненных смесях (α = 1,05… 1,15) приводит к многократному снижению содержания этих веществ (СО и СХНУ) в отработавших газах, но к заметному увеличению содержания NO. Поэтому при окончательном решении выбора типа двигателя следует уделить особое внимание возможностям его регулировки по качеству смеси (уровню а) и по углу опережения зажигания или впрыска топлива. Эти регулировки должны обеспечивать оптимальное протекание процесса сгорания рабочей смеси.
Заметный эффект по уменьшению вредных выбросов ДВС достигается при строгом выполнении требований правил эксплуатации двигателей относительно применения предусмотренных марок топлива и отказа от применения этилированных бензинов.
При разработке конструкции двигателя уделяют повышенное внимание совершенствованию системы питания с целью обеспечения приготовления оптимального состава горючей смеси, дозировки топлива, равномерного распределения топлива по цилиндрам.
Внедрение соответствующих конструктивных изменений в систему питания также способствует заметному снижению вредности и дымности отработавших газов ДВС. Например, при внедрении в систему питания устройства по отбору части отработавших газов на режимах малых и средних нагрузок и направлению их в впускной тракт удается снизить температуру продуктов сгорания, уменьшить содержание свободного кислорода и тем самым на 40…50% уменьшить выброс оксидов азота, хотя при этом несколько снижается мощность двигателя.
Применяются устройства, которые нагнетают в отработавшие газы свежий нагретый воздух, в результате чего догорание СО и СхНу происходит при более высокой температуре с образованием СO2 и Н20 (это способ термической нейтрализации отработавших газов).
Наиболее широко для ДВС применяются в настоящее время каталитические нейтрализаторы продуктов сгорания, которые используются в виде вставки катализатора в выпускном тракте. Продукты сгорания, проходя через такую вставку, интенсивно окисляются. Действие каталитического нейтрализатора заключается в ускорении догорания неокислившегося топлива. В качестве катализаторов применяются палладий, платина, оксиды меди, никеля и др. В настоящее время такие устройства для снижения вредности и дымности выхлопа являются наиболее эффективными.
Заметный эффект по снижению объема вредных выбросов дает перевод двигателей с жидкого топлива на газообразное. Объем выброса оксидов азота при этом удается снизить приблизительно в 2 раза, снижение объема выброса монооксида углерода и углеводородов достигает 30 %.
Кроме того, этот способ существенно повышает экономичность работы двигателей, так как газообразное топливо дешевле жидких топлив.