Сгорания и методы снижения

В продуктах сгорания наряду с наличием основных компонентов обнаруживаются токсические составляющие, оказывающие вредное влияние на организм человека и окружающую среду. Количество вредных выбросов регламентируются стандартами, направленные на ограничение токсичности и дымности отработавших газов.

Помимо отработавших газов источниками токсичности являются также картерные газы и испарение топлива в атмосферу.

При работе поршневых двигателей внутреннего сгорания выделяются следующие основные токсические компоненты: оксиды азота NO_k, сажа, оксид углерода CO, углеводороды C_xH_д, альдегиды, канцерогенные вещества, соединения серы.

1. Оксиды азота образуются при избытке кислорода и высокой температуры горения.

2. Сажа представляет собой частицы твердых углеродистых продуктов с содержанием чистого углерода до 90%. Наличие сажи в О.Г. обусловливает черный дым на выхлопе. Эта дымность О.Г. является большим недостатком дизелей, особенно на режимах разгона. Наибольшее количество сажи образуется в процессе диффузионного горения в ядре факела, особенно при работе дизеля на полных нагрузках, что обусловлено большой местной концентрацией компонентов топлива с высокой температурой кипения, а также малой концентрацией кислорода < .

На такте расширения часть образовавшейся сажи выгорает в турбулентном пламени. Степень выгорания сажи зависит от концентрации кислорода вблизи частиц, температуры и времени пребывания частиц в цилиндре. При усилении турбулентности и вихревого движения заряда перемешивание горящей смеси интенсифицируется, в результате чего выгорание сажи усиливается, а образование ее тормозится, т. е. дымность О.Г. уменьшается.

Поскольку в цилиндре карбюраторного двигателя сгорает гомогенная смесь при сажа образуется в ничтожных количествах.

Сажа представляет собой механический загрязнитель легких человека, но значительно больше она опасна как адсорбент и активный переносчик канцерогенных веществ, в частности бензпирена, вызывающего рак легких. Наибольшая скорость образования бензпирена имеет место при температуре 900 – 1200 К. Зонами преимущественного образования бензпирена являются пристеночные слои.

3. Оксид углерода СО образуется главным образом при сгорании топлива с недостатком кислорода, некоторое количество СО может также образовываться в пристеночных слоях смеси или вследствие диссоциации СО₂ при высоких температурах. В дизелях СО образуется в результате холоднопламенных реакций и при сгорании в зонах с локальным недостатком кислорода, значительная часть СО окисляется затем до СО₂, поэтому выброс СО с О.Г. дизелей невелик и не превышает по объему 0,1–0,2%.

4. Углеводороды, содержащиеся в О.Г. состоят из исходных или распавшихся молекул топлива. У стенок камеры сгорания температура газов недостаточно высока для сгорания топлива, поэтому здесь пламя гасится и полного сгорания не происходит. Углеводороды несгоревшего топлива могут появляться в О.Г. и в результате наличия в заряде зон с чрезмерно обедненной или обогащенной смесью, а в карбюраторных двигателях – и при пропусках воспламенения.

Присутствие в О.Г. дизелей углеводородов является одной из причин появления белого или голубого дыма.

Углеводороды в тех количествах, в которых они выбрасываются в атмосферу поршневыми ДВС, сами по себе не представляют большой опасности. Однако при определенных условиях в атмосфере образуется специфический туман, обладающий вредным действием и называемый смогом. Углеводороды способствуют образованию смога, и поэтому во многих странах их содержание в О.Г. ограничивается.

5. Альдегиды получаются в тот период, когда процесс окисления протекает при низких температурах. Такое явление наблюдается при пуске, а также на рабочих режимах в тех зонах, где горящая смесь охлаждается сравнительно холодными поверхностями, ограничивающими камеру сгорания.

6. Другие токсичные компоненты. При сгорании серы, содержащейся в дизельном топливе, образуется токсичный сернистый газ SO₂ и сероводород Н₂S.

Концентрацию токсичных компонентов в сухих О.Г. оценивают в объемных процентах, миллионных долях по объему (млн.^-1) и реже в миллиграммах на 1л О.Г.

Даже в правильно отрегулированном двигателе количество токсичных компонентов может достигать следующих величин:

Дизель Карбюраторный

двигатель

Оксид углерода СО, %.... 0,2 6,0

Оксиды азота, %.............0,35 0,46

Углеводороды, %............ 0,04 0,40

Диоксид серы, %............ 0,04 0,007

Сажа, мг/л.................. 0,30 0,05

На основании действующих в нашей стране санитарных норм на предельное содержание токсичных веществ в воздухе можно в первом приближении принять следующее соотношение токсичных компонентов по отношению к токсичности оксида углерода: СО: NO_х: СН = 1: 20: 0,67. Таким образом, токсичность дизелей зависит в основном от содержания в О.Г. оксидов азота.