Загрязнение атмосферного воздуха при горении топлива в двигателях внутреннего сгорания

Оглавление

Введение

Глава 1. Образование газов в двигателях внутреннего сгорания

Глава 2. Автомобильные выхлопные газы.

2.1. Характеристики выхлопных газов

2.2. Воздействие на организм полициклических углеводородов, оксидов азота и углерода

Глава 3. Мероприятия по снижению выбросов автотранспорта

3.1. Нормирование в области охраны атмосферного воздуха

Правовые основы в области защиты атмосферного воздуха регулируются достаточно большим количеством законодательных актов, среди которых наиболее важными являются:

3.2. Мероприятия по снижению выбросов автотранспорта

Выводы

Использованная литература

Введение

Среди проблем защиты окружающей среды наиболее актуальной проблемой является охрана воздушного бассейна, так как загрязненный воздух является основным фактором, обуславливающим экологическую обстановку. Ежегодно  в мире в атмосферный воздух поступает более 200 млн т оксида углерода до 150 млн т диоксида серы (сернистого газа), свыше 50 млн т оксида азота, более 50 млн т различных углеводородов, более 250 млн т мелкодисперсных аэрозолей и т. д. В 2002 г. насчитывалось 200 городов с общим населением 65,4 млн человек, в которых средине за год концентрации одной или нескольких примесей превышали ПДК максимальные концентрации загрязняющих веществ превысили 10 ПДК в 48 городах с населением 21 млн человек. Проблему загрязнения атмосферы в городах определяют главным образом высокие концентрации бенз(а)пирена, взвешенных веществ, диоксида азота, сероуглерода и формальдегида. В 2002 г. Концентрации бенз(а)пирена превышали ПДК в 157 городах, формальдегида – в 117, диоксида азота – в 103, взвешенных веществ – в 69 городах. Поэтому выбранная тема представляется весьма актуальной в настоящее время.

Целью работы явилось охарактеризовать основные загрязнители атмосферного воздуха при работе двигателей внутреннего сгорания.

Задачи:

1.        выяснить механизм образования газов в двигателях внутреннего сгорания;

2.        дать характеристику выхлопных газов;

3.        определить влияние выхлопных газов на человека и атмосферу;

4.        предложить мероприятия по снижению выбросов автотранспорта.

Глава 1. Образование газов в двигателях внутреннего сгорания
 

В поршневых двигателях внутреннего сгорания рабочее тело состоит из окислителя, топлива и продуктов его сгорания. Окислителем для большинства двигателей служит атмосферный воздух, содержащий 21 % (по объему) кислорода и 79 % инертных газов, в основном азота. При реализации цикла рабочее тело претерпевает физические и химические изменения. В зависимости от типа двигателя, в период впуска в цилиндр поступает либо воздух, либо горючая смесь, состоящая из газообразного или жидкого топлива и воздуха. Воздух или горючую смесь, поступающие в цилиндр и остающиеся в нем к моменту начала сжатия, называют свежим зарядом. В процессе сжатия в цилиндре находится смесь свежего заряда с остаточными газами, которая называется рабочей. В процессе расширения и выпуска рабочим телом являются продукты сгорания топлива.

Подвод теплоты к рабочему телу в действительном цикле осуществляется в результате сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя, что предъявляет определенные требования к физическим и химическим свойствам топлива, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики жидких топлив для двигателей внутреннего сгорания

Сгорание топлива в цилиндрах двигателя протекает согласно следующим реакциям:

; .

Количество кислорода, необходимое для полного сгорания топлива, можно подсчитать следующим образом:

Для топлива, имеющего состав по весу:

весовое количество кислорода, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, составит:

, или

или, исчисляя в кмоль,

.

При расчете состав сухого атмосферного воздуха принимают равным: в % по весу О – 23, N – 77, а в % по объему О – 21, N – 79.

Сгорание топлива в двигателе обычно происходит при некотором недостатке или некотором избытке воздуха по сравнению с теоретически необходимым количеством.

Отношение количества воздуха L (l) в горючей смеси к количеству воздуха L0 (l0), которое необходимо для полного сгорания топлива, называется коэффициентом избытка воздуха:

При работе двигателя состав горючей смеcи изменяется. Горючую смесь принято называть нормальной, если α = 1, бедной, если α > 1 и богатой, если α < 1.

Коэффициент избытка воздуха находится в следующих пределах: для карбюраторных двигателей α = 0.8–1.3, для дизельных – α = 1.2 – 5.

Процесс сгорания сопровождается тепловыми потерями. Часть тепла в процессе сгорания передается в охлаждающую среду через стенки цилиндра. Часть топлива проникает в картер через неплотности поршневых колец. Из-за недостатка времени и несовершенства смесеобразования часть топлива не успевает сгореть и догорает во время расширения. В то же время под влиянием высоких температур происходит расщепление молекул Н2О и CO2 продуктов сгорания, расщеплению сопутствует поглощение тепла.

Коэффициент использования тепла, в зависимости от режима работы двигателя, изменяется в карбюраторных двигателях в пределах 0.85–0.95, в дизельных от 0.7 до 0.9.

При полном сгорании жидкого топлива, когда α≥ 1, образуются следующие основные продукты сгорания: CO2 и Н2О – продукты полного сгорания углерода и водорода, содержащихся в топливе, N2 – азот воздуха и O2 – свободный кислород воздуха.

Глава 2. Автомобильные выхлопные газы.
 

2.1. Характеристики выхлопных газов
 

Выхлопные газы (или отработавшие газы) – основной источник токсичных веществ двигателя внутреннего сгорания – это неоднородная смесь различных газообразных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха, аэрозолей и различных микропримесей (как газообразных, так и в виде жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателей в его выпускную систему. В своем составе они содержат около 300 веществ, большинство из которых токсичны.

Загрязнение атмосферного воздуха, связанное с работой агрегатов автомобиля, имеет три основных источника: отработавшие газы, газы вентиляции картера и системы питания топливом. Распределение основных типов токсичных веществ по источникам неравномерно. В отработавших газах — от 95 до таких соединений, а других — от 2 до 5%. Состав основных соединений в отработавших газах зависит от режима работы двигателя, его технического состояния и состава, а также свойств применяемых топлив и масел.

Сами топлива и смазочные масла до процесса сгорания в двигателе содержат относительно нетоксичные соединения, и прямого вредного воздействия газообразных углеводородов, попадающих в воздух с испарениями, на здоровье человека не обнаружено. Различные легкокипящие углеводороды и неуглеводородные примеси опасны тем, что образуют промежуточные токсичные продукты окисления в некоторых атмосферных химических реакциях.

Основная часть загрязнений, выделяемых двигателем автомобиля, приходится на долю отработавших газов, в составе которых содержится более 300 соединений, опасных для здоровья человека и вредных для окружающей среды.

В среднем состав отработавших газов двигателей автомобилей представлен в табл. 2.

Табл. 2

Состав отработавших газов (ОГ) бензинового двигателя с принудительным воспламенением

Экологическая характеристика компонентов отработавших газов.

1.    Диоксид углерода (СО2). Образуется при полном сгорании топлива. Содержание диоксида углерода в воздухе ненормировано. Усваивается и преобразуется растениями в процессе фотосинтеза.

2.    Оксид углерода (СО). Ядовитый газ, не имеющий запаха и цвета. Образуется при горении богатой смеси (а< 1) вследствие недостатка кислорода для полного окисления топлива. Его концентрация в выпускных газах двигателей с принудительным воспламенением может достигать 6% по объему. В дизелях всегда имеется избыток кислорода (а > 1), и концентрация оксида углерода составляет 0,2—0,3%. Сохраняется в атмосфере около 3—4 месяцев. Предельно допустимые концентрации в воздухе рабочих помещений —20 мг/м3, в населенных пунктах — 3 мг/м3 (максимальная разовая) и 1 мг/м3 — среднесуточная.

3.    Оксиды азота (NOX). В результате воздействия азота и кислорода воздуха в камере сгорания двигателя при высокой температуре образуются оксиды азота. Из шести стабильных газообразных оксидов азота: N2O, NO, NO2, N2O3, N2O4 и N2O5 в отработавших газах содержатся 80—90% NO и 10—20% NO2, т.е. смесь оксида и диоксида азота. Эти два газа составляют около 40% общего выброса оксидов азота в атмосферу больших городов. Некоторое количество оксидов азота может образовываться и за счет азотистых соединений самого топлива.

4. Оксиды серы (SOx). Влияют на здоровье человека, растительный и животный мир, разрушают различные материалы: металлы, краску, строительные материалы, бумагу, текстильные ткани. Предельно допустимая концентрация диоксида серы, мг/м3: в рабочей зоне — 10, максимальная разовая в атмосфере населенных пунктов — 0,5, среднесуточная — 0,05.
5. Углеводороды (СхНy) – органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода, являются токсичными веществами. В выхлопных газах содержится более 200 различных CH, которые делятся на алифатические (с открытой или закрытой цепью) и содержащие бензольное или ароматическое кольцо. Ароматические углеводороды содержат в молекуле один или несколько циклов из 6 атомов углерода, соединенных между собой простыми или двойными связями (бензол, нафталин, антрацен и др.). Имеют приятный запах.
Наличие CH в отработавших газах двигателей объясняется тем, что смесь в камере сгорания является неоднородной, поэтому у стенок, в переобогащенных зонах, происходит гашение пламени и обрыв цепных реакций. Не полностью сгоревшие CH, выбрасываемые с выхлопными газами и представляющие собой смесь нескольких сотен химических соединений, имеют неприятный запах.

6. Твердые частицы отработавших газов. Твердые продукты неполного сгорания топлив и масел увеличивают дымность отработавших газов. Состав твердых частиц связан с режимом работы и различается для бензиновых двигателей и дизелей.

2.2. Воздействие на организм полициклических углеводородов, оксидов азота и углерода
 

Диоксид углерода (СО2). Возрастание концентрации опасно в том отношении, что при поглощении длинноволнового теплового излучения (при недостатке озонового слоя) создается «парниковый эффект», обусловливающий перегрев поверхности земли.

Оксид углерода (СО). Оксид углерода, соединяясь с гемоглобином крови, дает устойчивое соединение — карбоксигемоглобин, затрудняющий процесс газообмена в клетках, что приводит к кислородному голоданию (сродство гемоглобина с оксидом углерода примерно в 210 раз выше его сродства с кислородом). Поэтому прямое воздействие состоит в уменьшении способности крови переносить кислород. Процесс образования карбоксигемоглобина обратимый. После прекращения вдыхания оксида углерода кровь пострадавшего начинает очищаться от него наполовину за каждые 3—4 часа.

Степень воздействия СО на организм человека зависит также от длительности воздействия (экспозиции) и вида деятельности человека. Например, при содержании СО в воздухе 10—50 мг/м3, которое наблюдается на перекрестках улиц больших городов, при экспозиции ~ 60 мин отмечаются нарушения, приведенные в п.1, а при экспозиции от 12 часов до 6 недель — в п.2. При тяжелой физической работе отравление наступает в 2—3 раза быстрее. Образование карбоксигемоглобина — процесс обратимый, через 3—4 ч содержание его в крови уменьшается в 2 раза. Время пребывания СО в атмосфере составляет 2—4 месяца.

Таблица 3.

Действие угарного газа на организм человека

Оксиды азота (NOX). Основное действие на организм человека оказывают не окислы азота, а азотная и азотистая кислоты, образующиеся непосредственно в дыхательных путях человека при соединении их с водой. Раздражаются слизистые оболочки глаз, носа, рта (предельно допустимая разовая концентрация — 0,6 мг/м3). Монооксид азота оказывает вредное действие на гемоглобин крови, который превращается в нитрогемоглобин. Степень воздействия NOX на организм человека приблизительно в 10 раз сильнее воздействия СО. Оксиды азота сохраняются в окружающей атмосфере в течение 3—4 дней. Диоксид азота, реагируя с атмосферной влагой, образует азотную кислоту, что приводит к значительной коррозии металлов.

Оксиды серы (SOx). Сернистый газ неядовит, но в соединении с другими загрязнениями и влагой раздражает глаза, нос и горло, вредно влияет на легкие. Сернистый газ образует сернистую кислоту и далее серную, обладающую высокой коррозионной агрессивностью.
При концентрации диоксида серы 20—30 мг/м3 раздражается слизистая оболочка рта и глаз, во рту возникает неприятный привкус. Весьма чувствительны к SО2 хвойные леса. При концентрации SО2 в воздухе 0,23—0,32 мг/м3 в результате нарушения фотосинтеза происходит усыхание хвои в течение 2— 3 лет. Аналогичные изменения у лиственных деревьев происходят при концентрациях SО2 0,5—1 мг/м3.

Диоксиды серы и азота являются причиной выпадения так называемых кислотных дождей. Кислотные дожди значительно повышают кислотность почвы, оказывают разрушающее действие на конструкционные материалы, влияют на урожайность сельскохозяйственных культур, здоровье человека. Вместе с воздушными массами оксиды азота и серы могут переноситься на большие расстояния. В ходе газофазных окислительных процессов, в которых участвуют в основном летучие органические соединения, олефины, продукты неполного окисления углеводородов, образуются также и органические кислоты, главным образом муравьиная и уксусная, которые также являются предшественниками кислотных дождей. Формирование кислотного дождя зависит от скорости поглощения загрязнений аэрозольными частицами.

Выпадение кислотных дождей приводит к гибели лесов, повышению кислотности почвы и может отрицательно влиять на урожайность сельскохозяйственных культур. Велики разрушения и повреждения конструкционных материалов, которые вызывают кислотные дожди. Основные повреждающие вещества: катион водорода, оксиды серы и азота, формальдегид, озон, пероксид водорода и др. Загрязнение атмосферного воздуха наносит непоправимый вред памятникам культуры, ускоряя их старение. Так, за 90 лет пребывания в Центральном парке Нью-Йорка древний египетский обелиск «Игла Клеопатры» пострадал значительно сильнее, чем за три тысячелетия пребывания в Египте.

Углеводороды (СхНy). Углеводороды обладают наркотическим действием, вызывают головную боль, головокружение. При вдыхании в течение 8 часов паров бензина с концентрацией более 600 мг/м3 возникают головные боли, кашель, неприятные ощущения в горле. Углеводороды опасны прежде всего как промежуточные продукты физических процессов, приводящие к образованию стойких аэрозолей, получивших название «смог». Это особый тип загрязнения атмосферы, впервые отмеченный около 50 лет назад в Лос-Анджелесе. При неблагоприятном состоянии атмосферы (отсутствие ветра, повышенная влажность, фотохимическое воздействие света, запыленность и т. д.) возникают характерная голубоватая дымка и ухудшение видимости. При этом наблюдается сильное раздражение слизистой оболочки дыхательных путей, глаз. Длительное воздействие смога ведет к повышению заболеваемости среди населения, повреждению растительности, усилению коррозии металлов. Именно из-за смога во многих городах мира полицейские были вынуждены находиться на посту в противогазах. Образование смога протекает при довольно низких температурах, важным фактором активации молекул является солнечный свет. При поглощении света изменяется электронная, вращательная и колебательная энергия молекул, что приводит к возбужденному состоянию. Электронно-возбужденные молекулы могут вступать в такие реакции, которые при данной температуре им не свойственны. Так, например, продукты фотолиза озона, кислорода, воды, оксидов азота могут в верхних слоях атмосферы (свыше 80 км) атаковать молекулярный кислород с образованием кислорода в виде одноатомных молекул. Несколько ниже (16—32 км) снова образуется озон. Именно здесь слой озона выполняет роль фильтра для ультрафиолетовой радиации. Кроме углеводородов, в образовании смогов участвуют продукты окисления из состава отработавших газов (альдегиды .и кетоны, карбоновые кислоты и спирты), многие кислые продукты сгорания серы и азота, твердые частицы неполного сгорания топлива и другие аэрозоли. Непосредственные причины образования ядовитых туманов-смогов различны. В Нью-Йорке, например, смог часто возникает при реакциях фтористых или хлористых соединений с капельками воды. В некоторых городах Японии наблюдается смог в виде грязного тумана из частиц сажи и пыли. В Лондоне смог образуется в результате атмосферной инверсии, связанной с присутствием сажи, оксидов серы и сероводорода. Для Калифорнии характерно формирование смогов сравнительно невысокой степени загрязнения воздуха оксидами азота и продуктами окисления углеводородов, что вызывает раздражение глаз, бронхиальную астму и другие заболевания дыхательных путей.

Существует отдельная группа углеводородов, состоящая из многих кольцевых структур в одной молекуле, так называемых полиядерных ароматических углеводородов, обладающая канцерогенными свойствами. В этой группе найдено около 20 соединений типа 3,4-бенз(а)пирен. Этот углеводород, называемый часто просто «бензпиреном», является своего рода индикатором присутствия в смеси других полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Такие углеводороды присутствуют в отработавших газах в небольшом количестве — до 0,00002 мг/м3. При этом в отработавших газах двигателя с принудительным зажиганием содержание соединений типа бенз(а)пирен на порядок больше, чем в отработавших газах дизеля.
Попадая в дыхательные пути человека, полициклические ароматические углеводороды постепенно накапливаются до критических концентраций и стимулируют образование злокачественных опухолей.

Твердые частицы отработавших газов. Наибольшую опасность вызывают не столько твердые частицы, сколько многие жидкие продукты, адсорбированные на их поверхности. Образование таких частиц измеряется при оценке экологических свойств топлива и масел при их испытаниях на двигателях. Особую опасность для организма человека представляют частицы токсичных выбросов аэрозолей с радиусом менее 20 мкм, задерживающиеся в атмосфере длительный срок и попадающие вдыхательные пути. При соприкосновении с канцерогенными веществами аэрозольные частицы сорбируют их на своей поверхности. Такие аэрозоли, попадая в организм, стимулируют образование злокачественных опухолей.
 

Глава 3. Мероприятия по снижению выбросов автотранспорта
 

3.1. Нормирование в области охраны атмосферного воздуха

Правовые основы в области защиты атмосферного воздуха регулируются достаточно большим количеством законодательных актов, среди которых наиболее важными являются:

Закон об охране  окружающей среды. Головной, базовый закон природоохранного законодательства РФ. Принят 14 января 2002 г. Соответствует конституционным основам охраны окружающей среды. В  законе предусматриваются задачи и система природоохранного законодательства, принципы охраны окружающей среды, объекты охраны окружающей среды, экологическое право, управление в области охраны окружающей среды, экономический механизм охраны окружающей среды, нормирование в области охраны окружающей среды.

Закон об охране атмосферного воздуха. Принят 4 мая 1999 г. Его задачами являются регулирование общественных отношений в этой области в целях сохранения в чистоте и улучшения состояния атмосферного воздуха, предотвращения и снижения вредных химических, физических, биологических и иных воздействий на атмосферу, вызывающих неблагоприятное последствие для населения, хозяйства страны, растительного и животного мира, а также укрепления законности в области охраны атмосферного воздуха.

В кодексе РФ об административных правонарушениях охране атмосферного воздуха посвящены несколько статей, частности ст. 8.21.

Статья 8.21. Нарушение правил охраны атмосферного воздуха

1. Выброс вредных веществ в атмосферный воздух или вредное физическое воздействие на него без специального разрешения влечет наложение административного штрафа на граждан в размере от двух тысяч до двух тысяч пятисот рублей; на должностных лиц - от четырех тысяч до пяти тысяч рублей; на лиц, осуществляющих предпринимательскую деятельность без образования юридического лица, - от четырех тысяч до пяти тысяч рублей или административное приостановление деятельности на срок до девяноста суток; на юридических лиц - от сорока тысяч до пятидесяти тысяч рублей или административное приостановление деятельности на срок до девяноста суток.

2. Нарушение условий специального разрешения на выброс вредных веществ в атмосферный воздух или вредное физическое воздействие на него влечет наложение административного штрафа на граждан в размере от одной тысячи пятисот до двух тысяч рублей; на должностных лиц - от трех тысяч до четырех тысяч рублей; на юридических лиц - от тридцати тысяч до сорока тысяч рублей.

3. Нарушение правил эксплуатации, неиспользование сооружений, оборудования или аппаратуры для очистки газов и контроля выбросов вредных веществ в атмосферный воздух, которые могут привести к его загрязнению, либо использование неисправных указанных сооружений, оборудования или аппаратуры влечет наложение административного штрафа на должностных лиц в размере от одной тысячи до двух тысяч рублей; на лиц, осуществляющих предпринимательскую деятельность без образования юридического лица, - от одной тысячи до двух тысяч рублей или административное приостановление деятельности на срок до девяноста суток; на юридических лиц - от десяти тысяч до двадцати тысяч рублей или административное приостановление деятельности на срок до девяноста суток.

Уголовная ответственность. В УК РФ (от 1 января 1997 г.) имеется специальная глава (№26) –«экологические преступления».

1. Нарушение правил выброса в атмосферу загрязняющих веществ или нарушение эксплуатации установок, сооружений и иных объектов, если эти деяния повлекли загрязнение или иное изменение природных свойств воздуха, наказываются штрафом в размере до восьмидесяти тысяч рублей или в размере заработной платы или иного дохода осужденного за период до шести месяцев, либо лишением права занимать определенные должности или заниматься определенной деятельностью на срок до пяти лет, либо обязательными работами на срок от ста двадцати до ста восьмидесяти часов, либо исправительными работами на срок до одного года, либо арестом на срок до трех месяцев.

2. Те же деяния, повлекшие по неосторожности причинение вреда здоровью человека, наказываются штрафом в размере до двухсот тысяч рублей или в размере заработной платы или иного дохода осужденного за период до восемнадцати месяцев, либо обязательными работами на срок от ста восьмидесяти до двухсот сорока часов, либо исправительными работами на срок до двух лет, либо лишением свободы на срок до двух лет.

3. Деяния, предусмотренные частями первой или второй настоящей статьи, повлекшие по неосторожности смерть человека, наказываются лишением свободы на срок до пяти лет.

Во многих странах мира установлены нормы на выбросы СО, СН и NOx двигателями с принудительным воспламенением. Для дизелей нормируют твердые частицы и только для автомобилей, эксплуатируемых на рудниках, в открытых карьерах и шахтах, нормируют выбросы СО, СхНy и NOX.
Выброс токсических веществ двигателями легковых автомобилей определяют во время испытаний на стендах с беговыми" барабанами по ездовому циклу, имитирующему режимы работы двигателя при эксплуатации в крупных юродах. При испытаниях по ездовому циклу США подсчитывают количество выбросов токсических веществ в граммах на километр. При испытаниях по Европейскому испытательному циклу, принятому в России, определяют суммарные выбросы СН, СО и NOx за одно испытание в граммах.

3.2. Мероприятия по снижению выбросов автотранспорта

К числу эффективных мероприятий в борьбе с загрязнением атмосферы выхлопными газами относятся:

1.      строгий (автоматический) контроль за техническим состоянием двигателей при выезде машин на линию (своевременный ремонт моторов, правильная регулировка карбюраторов и т. д.);

2.      запрещение работы двигателей св. 1-1,5 мин. в гаражах;

3.      устройство и строгий контроль за работой приточновытяжной вентиляции во всех рабочих помещениях, где работают двигатели внутреннего сгорания;

4.      строительство хорошо проветриваемых широких улиц, окружных автомобильных дорог;

5.      организация безостановочного движения на нескольких уровнях, зонирование территории города с выделением жилых и промышленных микрорайонов и т. д.;

6.      замена топлива в двигателях внутреннего сгорания на экологически чистое –  водород и т. д.,

7.      совершенствование и создание принципиально новых двигателей.

В 2000 г. руководство Москомприроды решило организовать мониторинг атмосферного воздуха в местах наибольшего скопления автотранспорта. Для этого в городе было создано 50 постов непрерывного контроля (10 стационарных и 40 мобильных). Все они оборудованы американской техникой. Приборы представляют собой небольшие ящики, которые были размещены на столбах на Таганской площади, Садовом кольце в районе Сухаревской площади, на проспекте Мира, в районе Рижского вокзала, а также установлены на автотранспорте. Анализ отобранных проб воздуха позволит разработать профилактические мероприятия.