Примерный состав выхлопных газов карбюраторных и

дизельных двигателей, об.%[13]

Диоксид серы образуется в отработавших газах в том случае, когда сера содержится в исходном топливе (дизельное топливо). Анализ данных, приведенных в табл. 16, показывает, что наибольшей токсичностью обладает выхлоп карбюраторных ДВС за счет большего выброса СО, NO_x, C_nH_m и др. Дизельные ДВС выбрасывают в больших количествах сажу, которая в чистом виде нетоксична. Однако частицы сажи, обладая высокой адсорбционной способностью, несут на своей поверхности частицы токсичных веществ, в том числе и канцерогенных. Сажа может длительное время находиться во взвешенном состоянии в воздухе, увеличивая тем самым время воздействия токсических веществ на человека.

Применение этилированного бензина, имеющего в своем составе соединения свинца, вызывает загрязнение атмосферного воздуха весьма токсичными соединениями свинца. Около 70% свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в атмосферу с отработавшими газами, из них 30% оседает на земле сразу за срезом выпускной трубы автомобиля, 40% остается в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5–3 кг свинца в год. Концентрация свинца в воздухе зависит от содержания его в бензине. Исключить поступление высокотоксичных соединений свинца в атмосферу можно заменой этилированного бензина на неэтилированный, что используют в Российской Федерации и ряде стран Западной Европы.

Состав отработавших газов ДВС зависит от режима работы двигателя. У двигателя, работающего на бензине, при неустановившихся режимах (разгон, торможение) нарушаются процессы смесеобразования, что способствует повышенному выделению токсичных продуктов. Зависимость состава отработавших газов ДВС от коэффициента избытка воздуха приведена на рис. 77, а. Переобогащение горючей смеси до коэффициента избытка воздуха а = 0,6–0,95 на режиме разгона ведет к увеличению выброса несгоревшего топлива и продуктов его неполного сгорания.

В дизельных двигателях с уменьшением нагрузки состав горючей смеси обедняется, поэтому содержание токсичных компонентов в отработавших газах при малой нагрузке уменьшается (рис. 77, б). Содержание СО и С_nН_m возрастает при работе на режиме максимальной нагрузки.

Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей и особенно от двигателя – источника наибольшего загрязнения. Так, при нарушении регулировки карбюратора выбросы СО увеличиваются в 4–5 раз.

В процессе старения двигателя выбросы его увеличиваются из-за ухудшения всех характеристик. При износе поршневых колец увеличивается прорыв через них. Утечки через выхлопной клапан могут стать основным источником выбросов углеводородов.

Характеристики режима работы и конструкции, которые оказывают влияние на выбросы в карбюраторных двигателях, включают следующие параметры:

1) коэффициент избытка воздуха;

2) нагрузка или уровень мощности;

3) скорость;

4) управление моментом;

5) образование нагара в камере сгорания;

6) температура поверхности;

7) противодавление выхлопа;

8) перекрытие клапанов;

9) давление во впускном трубопроводе;

10) соотношение между поверхностью и объемом;

11) рабочий объем цилиндра;

12) степень сжатия;

13) рециркуляция выхлопного газа;

14) конструкция камеры сгорания;

15) соотношение между ходом поршня и диаметром цилиндра.

Уменьшение количества выбрасываемых загрязняющих веществ достигается в современных автомобилях за счет использования оптимальных конструкторских решений, точной регулировки всех элементов двигателя, выбором оптимальных режимов движения, использованием топлива более высокого качества. Управление режимами движения автомобиля может осуществляться с помощью компьютера, устанавливаемого в салоне автомобиля.

Эксплуатационные и конструкторские параметры, влияющие на выбросы двигателей, в которых зажигание смеси происходит за счет сжатия, включают следующие характеристики:

1) коэффициент избытка воздуха;

2) опережение впрыска;

3) температура входящего воздуха;

4) состав топлива (включая присадки);

5) турбонаддув;

6) завихрение воздуха;

7) конструкция камеры сгорания;

8) характеристики форсунки и струи;

9) рециркуляция выхлопного газа;

10) система вентиляции картера.

Турбонаддув увеличивает температуру цикла и, таким образом, усиливает окислительные реакции. Эти факторы приводят к сокращению выбросов углеводородов. Чтобы уменьшить температуру цикла и таким образом сократить выброс оксидов азота, совместно с турбонаддувом может быть использовано промежуточное охлаждение.

Одним из наиболее перспективных направлений снижения выбросов токсичных веществ карбюраторных двигателей является использование методов внешнего подавления выбросов, т.е. после того, как они выйдут из камеры сгорания. К таким устройствам относятся термические и каталитические реакторы.

Цель использования термических реакторов состоит в том, чтобы доокислить углеводороды и оксид углерода посредством некаталитических гомогенных газовых реакций. Эти устройства предназначены для окисления, поэтому они не приводят к удалению оксидов азота. Такие реакторы поддерживают повышенную температуру выхлопных газов (до 900°С) в течение периода времени доокисления (в среднем до 100 мс), так что окислительные реакции продолжаются в выхлопных газах и после того, как они покинут цилиндр.

Каталитические реакторы устанавливаются в выхлопной системе, которая часто несколько удалена от двигателя и, в зависимости от конструкции, используется для удаления не только углеводородов и СО, но, кроме того, и оксидов азота. Для автомобильных транспортных средств используются такие катализаторы, как платина и палладий, для окисления углеводородов и СО. Для уменьшения содержания оксидов азота в качестве катализатора используется родий. Как правило, используется всего 2–4 г благородных металлов. Основные металлические катализаторы могут быть эффективными при использовании спиртовых топлив, но их каталитическая активность быстро падает при использовании традиционных углеводородных топлив. Применяются два вида носителей катализаторов: таблетки (γ-оксид алюминия) или монолиты (кордиерит или коррозионно-стойкая сталь). Кордиерит при применении его в качестве носителя покрывают γ-оксидом алюминия перед нанесением каталитического металла.

Каталитические нейтрализаторы конструктивно состоят из входного и выходного устройств, служащих для подвода и вывода нейтрализуемого газа, корпуса и заключенного в него реактора, представляющего собой активную зону, где и протекают каталитические реакции. Реактор-нейтрализатор работает в условиях больших температурных перепадов, вибрационных нагрузок, агрессивной среды. Обеспечивая эффективную очистку отработанных газов, нейтрализатор по надежности не должен уступать основным узлам и агрегатам двигателя.

Нейтрализатор для дизельного двигателя показан на рис. 78. Конструкция нейтрализатора осесимметрична и имеет вид «трубы в трубе». Реактор состоит из наружной и внутренней перфорированных решеток, между которыми размещен слой гранулированного платинового катализатора.

Назначение нейтрализатора заключается в глубоком (не менее
90 об %) окислении СО и углеводородов в широком интервале температур (250…800°С) в присутствии влаги, соединений серы и свинца. Катализаторы этого типа характеризуются низкими температурами начала эффективной работы, высокой термостойкостью, долговечностью и способностью устойчиво работать при высоких скоростях газового потока. Основным недостатком нейтрализатора этого типа является высокая стоимость.

Для того чтобы каталитическое окисление происходило нормально, окисляющие катализаторы требуют некоторого количества кислорода, а восстанавливающие катализаторы – некоторого количества СО, C_nН_m или Н₂. Типичные системы и реакции каталитического окисления-восстановления приведены на рис. 79. В зависимости от селективности катализатора в процессе восстановления оксидов азота может образоваться некоторое количество аммиака, который затем снова окисляется в NO, что приводит к снижению эффективности разрушения NO_x.

Крайне нежелательным промежуточным продуктом может оказаться серная кислота. Для почти стехиометрической смеси сосуществуют как окисляющиеся, так и восстанавливающиеся составляющие в выхлопных газах.

Эффективность катализаторов может быть снижена в присутствии соединений металлов, которые могут поступать в выхлопные газы из топлива, добавок смазывающих материалов, а также вследствие износа металлов. Это явление известно под названием отравления катализатора. Особенно существенно понижают активность катализатора антидетонационные добавки тетраэтилсвинца.

Кроме каталитических и термических нейтрализаторов отработанных газов двигателей используются и жидкостные нейтрализаторы. Принцип действия жидкостных нейтрализаторов основан на растворении или химическом взаимодействии токсичных компонентов газов при пропускании их через жидкость определенного состава: вода, водный раствор сульфита натрия, водный раствор бикарбоната натрия. В результате пропускания отработанных газов дизельного двигателя снижается выброс альдегидов примерно на 50%, сажи – на 60–80%, происходит некоторое снижение содержания бенз(а)пирена. Главные недостатки жидкостных нейтрализаторов – это большие габариты и недостаточно высокая степень очистки по большинству компонентов выхлопных газов.

Повышение экономичности автобусов и грузовых автомобилей достигается прежде всего применением дизельных ДВС. Они обладают экологическими преимуществами по сравнению с бензиновыми ДВС, поскольку имеют меньший на 25–30% удельный расход топлива; кроме того, состав отработавших газов у дизельного ДВС менее токсичен.

Для оценки загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта установлены удельные значения газовых выбросов. Имеются методики, позволяющие по удельным выбросам и количеству автомобилей рассчитать количество выбросов автотранспорта в атмосферу для различных ситуаций [3].