Возрастающий объем потребления энергии, прежде всего, за счет минерального горючего, увеличивает степень загрязнения атмосферного воздуха, чистота которого зависит от многих условий. Автомобильный транспорт, наряду с вредными выбросами промышленных предприятий и электростанций, также причастен к загрязнению атмосферы. В ведущих индустриальных государствах его доля выбросов составляет около 20% от общей эмиссии вредных веществ.
Чтобы уменьшить степень загрязнения окружающей среды вредными веществами от автомобильных двигателей внутреннего сгорания, допустимые предельные значения уровня эмиссии вредных веществ в последние годы неуклонно уменьшаются. Для этого транспортные средства снабжаются дополнительными системами, ограничивающими уровень эмиссии отработавших газов.
Сгорание топливовоздушной смеси
Ни один двигатель внутреннего сгорания не обеспечивает полного сгорания топливовоздушной смеси в своих цилиндрах, даже при избытке кислорода. Чем хуже протекает процесс сгорания смеси, тем больше уровень эмиссии вредных веществ. В результате отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания, наряду с высоким процентом основных нетоксичных компонентов, содержат сопутствующие примеси, которые, особенно в высокой концентрации, являются вредными для окружающей среды и поэтому считаются токсичными.
Система вентиляции картера двигателя
Еще одной причиной вредных выбросов является работа системы вентиляции картера двигателя. Отработавшие газы через поршневые кольца просачиваются в картер, откуда через систему вентиляции направляются во впускной тракт и вновь оказываются в цилиндре, увеличивая концентрацию отработавших газов на выпуске.
Испарение топлива
Системы питания бензиновых двигателей дополнительно загрязняют атмосферу за счет испарения бензина из бака, что круглосуточно происходит даже на неработающем автомобиле. Эти испарения состоят преимущественно из углеводородов. Чтобы предотвратить их просачивание в атмосферу, на современных автомобилях пары бензина собираются системой возврата топливных испарений и поступают в двигатель для сгорания.
Из-за отсутствия летучих компонентов в дизельном топливе для дизелей этот вид загрязнения атмосферы мало актуален.
Компоненты отработавших газов
При полном, идеальном сгорании чистого топлива в смеси с достаточным количеством кислорода, протекает следующая химическая реакция:
n1CxHy + m1О2 —> n2Н2O + m2СО2
Из-за неидеальных условий сгорания и особенностей состава топлива, наряду с основными компонентами отработавших газов — водой (H2О) и диоксидом углерода (СО2) — образуются вредные побочные составляющие отработавших газов (рис. «Составные части ОГ ДВС без применения систем нейтрализации»).
Рис. Составные части ОГ ДВС (в процентах по массе) без применения систем нейтрализации. Данные приведены в процентах по массе. Концентрация составных частей отработавших газов и в частности, вредных веществ может отличаться от приведенной т.к. она зависит, кроме всего прочего от условий эксплуатации двигателя и условий окружающей среды, например, влажности воздуха. 1) С использованием накопительных нейтрализаторов NOx и фильтров твердых частиц уровень эмиссии NО2 и твердых частиц может быть снижен более чем на 90%. 2) Уровень эмиссии вредных веществ может быть снижен на 99% благодаря использованию нейтрализаторов. отвечающих современному состоянию техники.
Вода (Н2О)
Содержащийся в топливе химически связанный водород сгорает до водяного пара, который при охлаждении конденсируется в крупную составляющую отработавших газов. Ее можно видеть в холодные дни в виде облака пара на срезе глушителя. Доля воды в отработавших газах зависит от режима работы дизеля.
Диоксид углерода (СО2)
Содержащийся в топливе химически связанный углерод образует при полном сгорании топливовоздушной смеси диоксид углерода, который зачастую называют углекислым газом (СО2). Его содержание также зависит от режима работы дизеля и пропорционально расходу топлива. Уровень эмиссии СО2 при использовании стандартного дизельного топлива можно сократить только изменением расхода топлива.
Диоксид углерода — это естественная составная часть атмосферного воздуха и в отношении эмиссии отработавших газов автомобилей не классифицируется как вредное вещество. Тем не менее, это один из «виновников» парникового эффекта и связанного с этим глобального изменения климата. Содержание СО2 в атмосфере непрерывно возрастает — так если в 1920 г. Оно составляло 0,03% состава атмосферы, то к 2001 г. оно составит уже 0,045% Соответственно, любые способы сокращения уровня эмиссии СО2 и вместе с ним расхода топлива имеют все более важное значение.
Азот (N2)
Азот как основной компонент поступающего в двигатель воздуха (78%) не участвует в процессе страниц. Он составляет самую крупную долю отработавших газах — порядка 69…75%.
Продукты неполного сгорания топлива
При сгорании топливовоздушной смеси выделяются многочисленные продукты неполного сгорания в отработавших газов, основными из которых являются:
- Оксид углерода (СО);
- Углеводороды (СН);
- Оксиды азота (NOx).
Системы очистки отработавших газов и работы по регулировке процессов собственно дизеля могут сократить уровень эмиссии этих веществ.
У дизелей, при сгорании топливовоздушной смеси с избытком воздуха, уровень эмиссии СО и СН значительно ниже, чем у бензиновых двигателей. Соответственно, наибольшие проблемы возникают со снижением уровней эмиссии NOx и твердых частиц. Содержание этих составляющих в отработавших газах может быть уменьшено более чем на 90% путем применения современных накопительных нейтрализаторов NOx и фильтров твердых частиц.
Оксид углерода (СО)
Оксид углерода возникает при неполном сгорании богатой топливовоздушной смеси в следствие недостатка воздуха. IIа режимах сгорания с избытком воздуха оксид углерода образуется в очень незначительном количестве, на основе богатых «выбросов» или неоднородной топливовоздушной смеси. Неиспарившиеся капли топлива образуют области богатой смеси, которые полностью не сгорают.
Оксид углерода — бесцветный газ, лишенный запаха. Он снижает содержание кислорода в крови человека и приводит к отравлению организма.
Углеводороды (СН)
Под углеводородами (в англоязычной литературе они обозначаются НС, от hydrocarbon) понимается сумма всех химических соединений углерода С и водорода Н. Эмиссию СН следует приписывать неполному сгоранию топливовоздушной смеси при недостатке кислорода. При этом, однако, могут возникать новые углеводородные соединения, которых изначально не было в топливе (например, при расщеплении длинных цепей молекул).
Алифатические углеводороды (алканы, алкены, алкины, а также их циклический ряд) почти лишены запаха. Ароматические углеводороды с кольцеобразной структурой молекул (например, бензол, толуол, полициклические углеводороды) имеют характерный запах.
Считается, что углеводороды при длительном воздействии на организм человека могут вызывать раковые заболевания. Частично окисленные углеводороды (например, альдегиды, кетоны) неприятно пахнут и образуют на солнечном свете побочные продукты, которые при длительном воздействии, как считается, также могут служить причиной этой болезни.
Оксиды азота (NOx)
Оксиды азота являются соединениями азота и кислорода. Они образуются вследствие побочной реакции при любых процессах сгорания топлива с воздухом, в котором всегда имеется азот. В двигателе внутреннего сгорания преимущественно возникают оксид азота (NO), диоксид азота (NO2) и в незначительный степени — закись азота (N2О).
Оксид азота (NO) бесцветен, лишен запаха и медленно превращается на воздухе в диоксид азота NO2. Последний в чистой форме является красно-коричневым, резко пахнущим, ядовитым газом.
При концентрациях NO2, которые встречаются в сильно загрязненном воздухе, это может привести к раздражению слизистой оболочки организма человека. Оксиды азота ответственны за нанесение вреда лесам (кислотные дожди) и вместе с углеводородами — за образование смога.
Диоксид серы (SО2)
Соединения серы в отработавших газах (преимущественно диоксид серы) являются результатом наличия серы в топливе. С весьма незначительной долей вероятности эмиссию этого вредного вещества можно приписать движению автомобилей в условиях городов. Уровень эмиссии диоксида серы не ограничивается законодательством по отработавшим газам.
Диоксид серы не может конвертироваться нейтрализатором, но может задерживаться в нем, реагируя с покрытием его внутренних поверхностей и сокращая его очищающее действие в отношении других компонентов отработавших газов. В системе выпуска бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива применяют накопительные нейтрализаторы NOx, пластины которых способны периодически очищаться, однако это связано с большой затратой энергии и уменьшает преимущество таких двигателей в отношении расхода топлива.
Предельное содержание серы в топливе, равное 500 промилей (миллионных частей) или 0,05%, было обязательным до конца 1999 г. С 2000 г. содержание серы установлено на уровне 0,015% для бензина и 0,035% для дизельного топлива, а с 2005 г. предусматривается норма в 0,005% серы для обоих видов топлива. Тем не менее, внедрение в эксплуатацию топлива, свободного от серы, происходит гораздо быстрее. Так, в Германии уже с 2003 г. используются бензин и дизельное топливо с содержанием серы 0,001%.
Твердые частицы в отработавших газах
Твердые частицы в отработавших газах являются основной проблемой конструирование дизеля. У бензиновых двигателей со впрыском топлива во впускной трубопровод эмиссия частиц практически отсутствует.
При неполном сгорании топливовоздушной смеси твердые составляющие образуются в форме частиц. Они состоят, в зависимости от процесса сгорания и рабочего состояния двигателя, преимущественно из сцепленных друг с другом частиц углерода (сажа) с очень большой удельной поверхностью. На саже откладываются несгоревшие или частично сгоревшие углеводороды, а также альдегиды с их стойким запахом. С сажей связаны аэрозоли топлива и смазочного масла (тонко распределенные в газах твердые или жидкие составляющие), а также сульфаты, за наличие которых ответственна содержащаяся в топливе сера. В свободном от серы топливе эта составляющая отработавших газах отсутствует.
Озон и смог
Под действием солнечного света молекулы диоксида азота (NО2) диссоциируют. Возникает оксид азота (NО) и атомарный кислород (О), который, связываясь с молекулярным кислородом (О2) воздуха, дает озон (О3). Поддерживают образование озона и летучие органические соединения, такие, как углеводороды, поэтому летом в теплые, солнечные и безветренные дни при высоком загрязнении атмосферного воздуха отработавшими газами необходимо считаться с повышенной концентрацией озона.
В нормальной концентрации озон жизненно важен для человека. Тем не менее, в больших количествах этот газ вызывает кашель, раздражение слизистой оболочки рта и горла, а также резь в глазах. Он приводит к ухудшению работы легких и снижению общего состояния здоровья человека.
Между озоном, который возникает у поверхности земли, и стратосферным озоном, который ослабляет воздействие ультрафиолетового излучения Солнца, нет никакой связи.
Наряду с возникновением озона летом, в зимние месяцы, при определенных метеорологических условиях и при незначительных скоростях ветра, может образовываться смог. Из-за изменения температуры в слоях воздуха, обогащенных вредными веществами, холодный, более тяжелый воздух не может удерживаться наверху и распределяется над поверхностью земли.
Смог ведет к раздражению слизистой оболочки глаз и дыхательных путей. Кроме того, он ограничивает видимость на дорогах. От этого и возникло его название: слово смог (smog) составлено из английских слов дым (smoke) и туман (fog).
