Методы снижения токсичности отработанных газов

СОДЕРЖАНИЕ 
 

       ВВЕДЕНИЕ 5

       1 ТОКСИЧНОСТЬ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 7

       1.1 Принцип работы двигателя внутреннего сгорания 7

       1.2 Состав отработанных газов 10

       1.3 Влияние отработанных газов на организм человека 14

       2 МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ РАБОТЫ ДВС 17

       2.1 Технические достижения 17

       2.2 Альтернативные виды топлива 20

       ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22

       СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 23

ВВЕДЕНИЕ 
 

На сегодняшний  день одной из наиболее острых проблем  является проблема загрязнения окружающей среды, в том числе загрязнение атмосферного воздуха. Уже ни для кого не секрет, что основными источниками загрязнения атмосферы являются транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Достаточно отметить, что, согласно данным Минздрава РФ, на долю автотранспорта в ряде регионов России приходится свыше 70% от общего объёма выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, в том числе в Пензенской области – 77%, в Санкт-Петербурге – 71%, в Воронежской области – 77%, в Краснодарском крае – 78%. А в Москве в 2001 году все заводы выбросили в атмосферу загрязняющих веществ в 6,5 раз меньше, чем автомобильный транспорт.

Учитывая, что с каждым годом число автомобилей  неуклонно растет, снижению токсичности и нейтрализации отработанных газов в настоящее время уделяется все большее внимание. На сегодняшний день разрабатывается и внедряется множество способов, позволяющих уменьшить токсичность выхлопных газов. К ним относится разработка альтернативных видов топлива; усовершенствование технических достижений, обеспечивающее более полное сгорание топлива ( каталитический нейтрализатор, электронный контроль образования горючей смеси ) , замена традиционного двигателя внутреннего сгорания на более поздние разработки: гибридный, бензиново-водородный, инерционный, электро- двигатели, двигатель Стирлинга.

Об этих способах снижения токсичности работы двигателя внутреннего сгорания и пойдет речь в данном реферате.

       1 ТОКСИЧНОСТЬ РАБОТЫ  ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО  СГОРАНИЯ 
 

       1.1 Принцип работы  двигателя внутреннего  сгорания 
 

       С двигателем внутреннего сгорания, он же карбюраторный или бензиновый, мы встречаемся каждый день, не задумываясь о том, как он работает, когда и как был изобретен, в чем причина того, что именно он – ДВС – составляет 30% от всех видов загрязнения окружающей среды. Пришло время во всем этом разобраться!

       Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей, а следовательно сокращения затрат, один оказался особенно эффективным. Сущность его состояла в устранении части  потерь теплоты перенесением места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра.

       Отсюда  и название – «двигатель внутреннего сгорания».

       Первый  двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 году французским  инженером Этьеном Ленуаром, но эта  машина была еще весьма несовершенной.

       В 1862 году французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл:

1. Всасывание;
2. Сжатие;
3. Горение и расширение;
4. Выхлоп.

       Эта идея была использована немецким изобретателем  Н.Отто, построившим в 1878 году первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал уже 22%, что превосходило значения, полученные при использовании всех предшествующих видов двигателей /1/.

       Современный поршневой двигатель внутреннего сгорания (рисунок 1) состоит из картера-1, цилиндра-2, впускного-3 и выпускного-4 клапанов, крышки (головки цилиндра)-5, поршня-6, шатуна-7 и коленчатого вала-8. Пространство, ограниченное стенками цилиндра, поршня и головки, является камерой сгорания. В камеру сгорания вводятся топливо и воздух, они сжимаются поршнем и затем топливо сгорает. В результате повышения температуры при горении давление газов, образующихся в результате сгорания топлива (в основном СО₂, Н₂О и N₂), повышается (Р~Т), что приводит в движение поршень; поступательное движение поршня через шатун передается на коленчатый вал и преобразуется во вращательное. Двигатели внутреннего сгорания работают при периодическом сгорании топлива. После стадии сгорания, при которой совершается работа, происходит удаление газов из рабочего пространства двигателя, наполнение его топливно-воздушной смесью и сжатие смеси. Наиболее распространены двигатели с повторяющимся рабочим циклом, которые состоят из четырех стадий: впуск рабочей смеси, сжатие рабочей смеси и сгорание, рабочий ход, выпуск отработанных газов. Полный цикл совершается за два поворота коленчатого вала, при этом полезная работа совершается за пол-оборота коленчатого вала, остальные стадии (такты) требуют затрат энергии. Стабильная равномерная работа двигателя обеспечивается наличием в двигателе нескольких цилиндров, соединенных шатунами с коленчатым валом так, что вал вращается при рабочем такте, происходящем поочередно в разных цилиндрах/2/. 

       Рисунок 1 – Схема поршневого двигателя  внутреннего сгорания. 

       В бензиновых двигателях воспламенение топливовоздушной смеси происходит в результате поджигания электрическим зарядом – искрой.

       Результаты, получаемые при работе четырехтактных двигателей, и конструкция двигателей в большой степени зависят  от соотношения объемов камеры сгорания при нахождении поршня в нижней (V_max) и в верхней мертвой точке(V_min), называемой степенью сжатия: ε=V_max/V_min /2/_. 
 
 
 
 
 

       1.2 Состав отработанных газов 
 

       Состав  отработанных газов не может быть постоянным при всем цикле работы двигателя и при различных  топливах (вид топлива и его качество).Поэтому для рассмотрения данного вопроса воспользуемся таблицами 1,2. Таблица 1 представляет собой зависимость выброса вредных токсичных веществ от режима работы двигателя.

       Таким образом, очевидно, что с увеличением  числа остановок, т.е. наличие холостого хода, увеличивается выброс угарного газа и углеводородов, а число оксидов углерода наоборот уменьшается.

       Таблица 2 наглядно показывает зависимость  количества токсичных веществ от наличия устройств снижения токсичности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Таблица 1 – Зависимость выброса вредных  токсичных веществ от режима работы двигателя. 

       Таблица 2 - Зависимость количества токсичных веществ от наличия устройств снижения токсичности. 

       Антитоксичные устройства понижают содержание поллютантов примерно в 1,5-2 раза, что не может не сказаться на общем количестве загрязнений, но все же этого недостаточно, т.к. число автомобилей неуклонно растет.

       Стоит сказать, что далеко не все выбросы  токсичны. Некоторые из них не представляют опасности, как для человека, так и для окружающей среды. Это такие вещества как оксид углерода IV, пары воды и сажа.

       Для любых видов транспорта, в том  числе и для автомобильного парка, существуют определенные экологические требования или нормы токсичности. Для бензиновых и дизельных двигателей эти нормы различаются. Для бензиновых двигателей нормируются выбросы СО и несгоревших углеводородов, а для дизельных двигателей – сажа и иногда оксиды азота. Почему же так происходит?

       Все дело в различном составе отработанных газов, который зависит как раз от принципа работы двигателя. Зависимость количества определенных компонентов отработанных газов (в процентах от объема всего выброса) от типа двигателя представлена в таблице 3.

      Необходимо  напомнить, что нетоксичными являются компоненты отработанных газов такие как азот, кислород, водород, водяные пары, а также диоксид углерода. А токсичными - оксид углерода, оксиды азота, многочисленная группа углеводородов, альдегиды, сажа. Причем сажа сама по себе нетоксична, но она адсорбирует на поверхности частиц канцерогенные полициклические углеводороды, в том числе наиболее вредный и токсичный 3,4-бенз-А-пирен. Кроме перечисленных компонентов при сгорании сернистых топлив образуются неорганические газы - диоксиды серы и сероводород.

       В среднем токсичные компоненты составляют 0,2–5% от объема отработанных газов, в зависимости от типа двигателя и режима его работы.

       Рассматривая  таблицу, выясняем, что в бензиновом двигателе, в отличие от дизельного, наибольший выброс следующих токсичных веществ: оксида углерода, альдегидов, углеводородов, оксидов азота и бенз-А-пирена. В дизельном двигателе максимальны выбросы оксида серы и сажи, обладающей сорбирующей способностью. Но, например, нижняя граница выбросов оксидов азота, альдегидов, сажи и оксида серы для карбюраторного двигателя равна нулю, т.е. они вообще могут не образоваться. Когда как для дизеля нулевая нижняя граница существует только для оксида серы (т.к. она содержится только в сернистых топливах) и альдегидов, которые образуются лишь на холостом ходу и при малых нагрузках.

       Таблица 3 – Содержание отработанных газов. 

       Таким образом, приходим к выводу, что необходимо очищать отработанные газы в первую очередь от постоянно образующихся веществ, не зависящих от режима работы. Для дизельного двигателя этим веществом является сажа, а доля карбюраторного – оксид углерода.

       Для того, чтобы справится с большим  количеством СО, необходимо бороться с причинами его образования. Причины образования СО:

       - несовершенство смесеобразования;

       - короткий период времени горения;

       - разбавление смеси СО после  прохождения горячего пламени;

       - неполное сгорание сажи;

       - диффузионное горение отдельных  капель;

       - диссоциация СО₂ в условиях горения:

СО₂ = СО + 1/2О₂.

       О том, как можно препятствовать образованию  такого большого количества СО, пойдет речь в третьей главе этой работы /7/. 
 

3. Влияние отработанных газов  на организм человека

       Как уже было сказано, выхлопные газы содержат большое количество различных соединений, большая часть из которых является токсичными. Какие это токсичные вещества и как именно они влияют на наш человеческий организм и на окружающую среду в целом, мы рассмотрим в этом пункте.

       Сажа. Сама по себе сажа не представляет особой опасности для человека, является нетоксичным веществом (как и любая пыль раздражающе действует на органы дыхания). Но на своей поверхности сажа может сорбировать другие вещества - особенно токсичные канцерогены.

       Альдегиды. Доля токсичности альдегидов относительно невелика и составляет 4—5% от общей токсичности выхлопных газов. Но этого количества хватает для раздражения слизистых оболочек глаз и ротовой полости, поражения центральной нервной системы, печени и почек.

       Сернистый газ. Образуется из содержащейся в топливе серы, может, окисляясь и взаимодействуя с парами воды, образовывать аэрозоли серной кислоты. На организм человека действует общетоксично, раздражает центральную нервную систему.

       Соединения  свинца. Содержатся в этилированных бензинах. Сильные яды! Поражают все органы и ткани организма. Главная опасность, что с течением времени эти соединения ни во что не перерабатываются, поэтому оседают в почве, накапливаются в организме.

       Оксиды  азота. Образуются при сжигании любого топлива из азота воздуха. Представляют наибольшую опасность из всех продуктов сгорания. Примерно в 10 раз опаснее, чем угарный газ. Диоксид азота, взаимодействуя с парами воды, способен образовывать аэрозоли азотной кислоты – причину кислотных облаков и осадков, раздражения нервной системы человека. Монооксид азота представляет двойную опасность, т.к. не раздражает дыхательные пути – человек не чувствует его присутствия! При вдохе связывается с гемоглобином крови, вызывает кислородное голодание, а затем смерть.

       Углеводороды:

       - предельные – свыше 32%;

       - непредельные – 27%;

       - арены – 4%;

       -альдегиды  – 2%.

       По  характеру воздействия на человека делятся на раздражающие (раздражают слизистые оболочки, обладают наркотическими свойствами) и канцерогенные – наиболее опасные. К ним относятся Полициклические Ароматические Углеводороды (ПАУ), опасные даже в малых концентрациях, т.к. обладают свойством аккумулироваться в организме – особенно в жировых тканях. (К ним относится и мозг).

       Оксиды  углерода. Диоксид углерода не является токсическим веществом (обладает наркотическими и раздражающими свойствами). Гораздо более опасен монооксид углерода или угарный газ. Газообразное вещество без цвета и запаха. При вдохе прочно связывается с гемоглобином крови, вызывая кислородное голодание. Даже при кратковременном воздействии высокая концентрация СО может привести к смерти. В малых дозах вызывает головокружение, головную боль, чувство усталости, замедляет реакцию. Особенно пагубно влияние СО для сердечной мышцы, вызывает стенокардию. Именно потому, что в выхлопных газах содержится большое количество оксида углерода, следует очищать отработанные газы методом доокисления.

       Длительный  контакт со средой, отравленной выхлопными газами автомобилей, вызывает общее ослабление организма – иммунодефицит. Кроме того, газы сами по себе могут стать причиной различных заболеваний. Например, дыхательной недостаточности, гайморита, ларинготрахеита, бронхита, бронхопневмонии, рака лёгких. Кроме того, выхлопные газы вызывают атеросклероз сосудов головного мозга. Опосредованно через легочную патологию могут возникнуть и различные нарушения сердечнососудистой системы /5/.

       Экологические требования к современному автомобилю являются в настоящее время приоритетными. Экологическая безопасность - это свойство автомобиля снижать негативные последствия влияния эксплуатации автомобиля на участников движения и окружающую среду. Она направлена на снижение токсичности отработанных газов, уменьшение шума, снижение радиопомех при движении автомобиля.

       Несмотря  на многочисленные попытки заменить двигатель внутреннего сгорания каким-либо другим, не выделяющим токсичные вещества, альтернативы ему пока нет. А если принципиально новый двигатель и появится, то переналадка производства для его крупносерийного выпуска потребует грандиозных капиталовложений и произойдет далеко не сразу. Вместе с тем уже сейчас человечество подошло к той черте, когда без экологически чистого автомобиля просто не обойтись. И выход пока видится один - надо если не полностью исключить, то во всяком случае свести к минимуму вредные выбросы ДВС. 
 

       2 МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ РАБОТЫ ДВС 
 

       2.1 Технические достижения 
 

       В настоящее время, когда экологические проблемы стали привлекать к себе все больше и больше внимания, одной из первостепенных задач стало сокращение вредных выбросов автотранспорта. Сегодня ведутся разработки в областях:

       - оборудования автотранспорта боле  совершенными устройствами, обеспечивающими максимальное сгорание топлива;

       - установки каталитических нейтрализаторов;

       - замены двигателя внутреннего  сгорания на электродвигатель;

       - изобретения гибридных двигателей;

       - получения моторных топлив из  растительного сырья;

       - внедрения инерционных двигателей;

       - внедрения двигателей Стирлинга  (использование работы инертных газов);

       - внедрение бензиново-водородного  двигателя.

       Но  на данном этапе развития промышленности наиболее быстро достижимым и наименее затратным способом является установка  каталитических нейтрализаторов. В соответствии с законом “Об охране атмосферного воздуха”, с учетом международных обязательств, Правительство России своим постановлением планирует введение мероприятий по ограничению содержания токсичных веществ в выхлопных газах. В связи с этим автозаводы уже готовятся оснащать нейтрализаторами автомобили, предназначенные для поставки на внутренний рынок, а не только на экспорт.

       Именно  трехкомпонентный нейтрализатор наиболее эффективен при определенном составе отработавших газов. Это значит, что нужно очень точно выдерживать состав горючей смеси возле так называемого стехиометрического отношения воздух/ топливо, значение которого лежит в узких пределах 14,5- 14,7.

       Если  горючая смесь будет богаче, то упадет эффективность нейтрализации СО и СН, если беднее- NOx. Поддерживать стехиометрический состав горючей смеси можно было только одним способом- управлять смесеобразованием, немедленно получая информацию о процессе сгорания, то есть, организовав обратную связь.

       Для этого в выпускной коллектор  поместили специально разработанный  кислородный датчик- так называемый лямбда-зонд. Он вступает с раскаленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень которого зависит от количества кислорода в выхлопе. Если кислорода осталось много- значит, смесь слишком бедная, если мало- богатая. А по результатам мгновенного анализа, которым занимается электроника, можно быстро корректировать состав смеси в ту или иную сторону. Напряжение на выходе кислородного датчика принимает два уровня. Если смесь бедная, то низковольтный сигнал дает команду на обогащение топливной смеси, и наоборот. На современных нейтрализаторах устанавливается два кислородных датчика. Первый определяет качество смеси - богатая или бедная. Другой, установленный за нейтрализатором, отслеживает эффективность нейтрализации.

       Дальнейшим  развитием систем коррекции являются адаптивные системы с возможностью «самообучения» в процессе эксплуатации. Суть работы таких систем заключается в том, что по мере изменения характеристик различных систем и компонентов двигателя в процессе эксплуатации (например, загрязнение форсунок, уменьшение компрессии, подсос воздуха) в специальной области памяти блока управления накапливаются «поправочные коэффициенты», используемые процессором при расчете длительности времени впрыска на различных установившихся режимах. Это позволяет поддерживать стехиометрический состав смеси даже при значительных отклонениях в состоянии системы.

       Остается  надеяться, что все эти преобразования позволят решить хотя бы часть уже существующих проблем /4/. 

       2.2 Альтернативные виды  топлива 
 

       К альтернативным видам топлива относится  в первую очередь природный газ  или биогаз. Биогаз - газообразный продукт, получаемый в результате анаэробной, т.е. происходящей без доступа воздуха, ферментации органических веществ самого разного происхождения.

       Основными компонентами биогаза являются метан (СН₄) (55–70%) и углекислый газ (СО₂) (28–43%), а также незначительные примеси H₂ и H₂S .

Всего в мире в  настоящее время используется или  разрабатывается около 60-ти разновидностей технологий получения биогаза. Наиболее распространённый метод – анаэробное сбраживание в метатанках, или анаэробных колоннах. Часть энергии, получаемой в результате утилизации биогаза, направляется на поддержание процесса.

При подготовке биогаза  к использованию его предварительно очищают от сероводорода и углекислого газа. Сероводород удаляют для того, чтобы предотвратить коррозию, вызываемую при соединении с остаточными продуктами сгорания, а также избавиться от ядовитого газа. При удалении СО₂ повышается теплота сгорания биогаза и он легче сжижается. Очищенный от H₂S и СО₂ биогаз после сжатия можно использовать в качестве топлива для автотракторных двигателей. Однако делать это нецелесообразно из-за большой дополнительной массы баллонов для сжатого газа и значительной стоимости сжатия.

      Использование биогаза имеет ряд преимуществом  перед другими нетрадиционными  источниками энергии:

      – Альтернативное использование компоста, жидкого навоза и другого органического сырья в качестве источника энергии;

      – Высокая экономическая эффективность и короткие сроки окупаемости;

– БИОГАЗ заменяет традиционное топливо;

      – Высокий общий КПД (электрический и тепловой) - до 92%;

      – Оставшийся сухой осадок от ДИГЕСТОРА может быть использован в качестве сельскохозяйственного удобрения

      – Коррозийный эффект нейтрализуется высоким уровнем рН;

– Отходы от ферментации не содержат запаха;

      – способствует снижению влияния факторов, влияющих на возникновение парникового эффекта (выработка энергии с пониженными выбросами СО₂).  

  ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
 

       Работа  по данной теме очень меня заинтересовала своей актуальностью. Во-первых, со стороны экологической – загрязнения воздуха и окружающей среды в целом, а во-вторых, со стороны водителей и автолюбителей, заинтересованных в первую очередь не во всемирной экологической ситуации, а в личной экономии (топливной и как следствие денежной) и повышении мощности железного друга или подруги.

      Увы, нам пока не до таких нюансов, как  токообогрев нейтрализаторов или  индивидуальный контроль сгорания с  помощью специальных датчиков в  каждом из цилиндров. Россия по уровню автомобильной техники находится сейчас на пороге первой фазы эры нейтрализации — нам надо хотя бы внедрить нейтрализаторы на отечественные автомобили. Как это было сделано 30 лет назад в Америке и Японии, придется правительственными решениями "закрутить гайки" всем без исключения автозаводам и принудить их к выпуску автомобилей, отвечающих реально выполнимым экологическим требованиям.

       Но  по моему мнению, в ближайшее время  технология и непосредственно ее внедрение позволят решить проблему сокращения выбросов отработанных газов. 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 
 

1. Моторные  топлива: учебное пособие для вузов/ Магарил Е.Р., Магарил Р.З.-М.: Университет,2008.-160с.
2. Физика: Справочные материалы: Учебное пособие для учащихся.-2-е изд., перераб. и доп.-М.: Просвещение,1998.-367с.
3. Электронный источник:

       http://www.avtonov.svoi/info/euro.html