Показатели токсичности отработавших газов и способы снижения токсичности

Исходными веществами в реакции горения является воздух, содержащий примерно 85% углерода, 15% водорода и другие газы и углеводородное топливо, содержащее примерно 77% азота, 23% кислорода и некоторое кол-во примесей и присадок. Для полного сжигания 1 кг топлива требуется израсходовать примерно 15 кг воздуха. В идеальном случае конечными продуктами реакции горения должны быть: двуокись углерода СО₂, вода Н₂О и N₂.

В действительности состав отработавших газов гораздо сложнее. Отработавшие газы кроме СО₂, Н₂О и N₂, хотя и в небольших количествах содержат: несгоревшее топливо; продукты полимеризации углеводородных радикалов, которые возникают при расщеплении молекул в процессе активации.

А. Несгоревшее топливо (см. рис.18)

1. Сохраняется в холодном пристенном слое І камеры сгорания, в котором активация не происходит вследствие интенсивного теплоотвода через стенки. Наиболее характерно появление его у бензиновых ДВС. Толщина пленки топлива в зависимости от нагрузки и условий охлаждения стенок несколько десятых долей мм (0,Х мм).

2-я причина – невоспламенение заряда или его вялое сгорание на холостом ходу и малых нагрузках (невоспламенение вследствие сдувания пламени у свечи из-за чрезмерно интенсивной турбулизации).

3-я причина – качество смесеобразования; чем крупнее капли, тем больше времени требуется на их испарение.

4-я – работа ДВС на богатых смесях (холл.ход, малые нагрузки) это делается, чтобы при плохих условиях смесеобразования обеспечить требуемое для воспламенения и сгорания количество испарившихся молекул.

Рис. 18. Зоны образования токсичных веществ в камере сгорания

Б. - Ароматические углеводороды и высокотоксичные альдегиды. Во втором слое (ІІ) энергетические условия достаточны для расщепления углеводородных молекул на радикалы, но под влиянием нахождения вблизи холодной стенки реакция и заканчивается. Радикалы вновь объединяются в более сложные структуры, образуя ароматические углеводороды – обладающие канцерогенным свойством. Если радикалы частично окислились, то образуют высокотоксичные альдегиды, сохраняющиеся в пристенном слое вплоть до завершения сгорания.

В. В ІІІ слое происходит нормальное высокотемпературное сгорание, но не все компоненты реакции вступают во взаимодействия, из-за:

- вероятностного характера столкновений;

- ориентации молекул;

- недостаточного энергетического потенциала, поэтому в ІІІ слое остается какое-то кол-во несгоревших, полимеризовавшихся и частично окислившихся молекул топлива.

При высоких температурах СО₂ разлагается на СО и О₂ и часть молекул угарного газа не успевает вновь окислится до СО₂.

Г. Инертный в обычных условиях азот при температурах более 1000⁰ также вступает в реакцию с кислородом с образованием высокотоксичных

NO и NO₂. Скорость образования оксидов азота и их выброс с отработавшими газами зависят от температуры среды. Чем больше нагрузка на двигатель, тем выше температура и, соответственно, выброс оксидов азота. Кроме того азот может вступать и в соединения с водородом с образованием аммиака NH₃.

Все вещества, содержащиеся в отработавших газах, по их экологическому воздействию можно разделить на три группы: экологически нейтральные (азот, кислород и водород); экологически активные, нарушающие физические свойства окружающей среды; и ядовитые, отрицательно влияющие на организм человека, животных и растительность. К последним можно отнести угарный газ, низшие оксиды азота, оксиды серы и свинца, углеводороды, альдегиды и многие другие соединения.

Окись углерода СО (угарный газ) не способна поддерживать дыхание и является сильным ядом, вызывающим головокружение, тошноту и даже смерть. СО связывает гемоглобин крови и он перестает быть передатчиком кислорода к тканям организма.

Количество окислов азота, выбрасываемы автомобилем в год примерно в 15 раз меньше, чем окиси углерода, но окислы азота в 10 раз токсичнее окиси углерода!

Значительную долю токсичных компонентов составляют углеводороды, альдегиды и угарный газ, т.е. продукты неполного сгорания. Поэтому возникла идея доокисления этих веществ.

Первые – это были дожигатели (термореакторы) Рис. 19, которые устанавливались в системе выпуска в непосредственной близости двигателя. Для более полного окисления продуктов сгорания в них подавался воздух. Принцип их действия следующий: при работе двигателя на больших нагрузках отработавшие газы разогревают массивный керамический или чугунный блок термореактора. При достижении температуры около 550⁰ С на его поверхности начинают идти реакции доокисления углеводородов, СО и альдегидов. Накопленная блоком теплота позволяет продолжать эти процессы и при переходе на малые нагрузки.

Рис. 19. Термореактор: 1 – трубка подачи дополнительного воздуха; 2 – корпус; 3 – блок; 4 – теплоизоляционный материал

Недостатки: расположение под капотом, где места и так мало, длительное время на разогрев блока термореактора, прекращение подачи воздуха в период разогрева. Достоинства – возможность использования этилированных бензинов. Степень очистки отработавших газов 60 – 70%.

Гораздо эффективнее являются нейтрализаторы с каталитическими элементами (катализаторы) (см. Рис. 20). В нормальных условиях для окисления СО требуется температура около 600⁰С, а в присутствии катализатора 200⁰ С.

Т.е. он способен доокислять углеводороды, СО и альдегиды при низких температурах отработавших газов характерных для режимов холостого хода и малых нагрузок. Для дожигания СО с учетом углеводородов и альдегидов надо дополнительно подавать в отработавшие газы 3 – 3,5 % воздуха на 1% СО. Учитывая, что при сжигании 1% СО температура отработавших газов повышается примерно на 100⁰ С, то нейтрализатор может просто сгореть.

Аналогично, при работе двигателя на полных нагрузках СО составляет

2 - 4%, но температура отработавших газов 600 – 700⁰ С. А при температуре выше 800⁰ С наиболее активный катализатор на основе платины и палладия теряет свою активность. Поэтому в систему нейтрализации бензинового двигателя обязательно включаются приборы температурного контроля и устройства ограничения подачи дополнительного воздуха. При работе на средних нагрузках степень очистки от СО и углеводородов достигает 75 – 95%.

Окислы азота тоже можно нейтрализовать с помощью каталитичекского нейтрализатора, либо путем восстановления их до азота, либо доокисления до NO₃. В катализаторах бензиновых двигателей применяют, как правило, первый способ, а дизелей – второй.

Современный катализатор Рис. 20. Представляет собой керамический блок 1, спеченный из тонкостенных ровных и гофрированных пластинок кремнезема SiО₂. На поверхность образовавшихся каналов наносится тонкий слой глинозема Al₂O₃, пропитанный хлористой платиной или хлористым палладием. Керамический блок помещается в корпус 3 из коррозийно-стойкой стали. Между блоком и корпусом закладывается металлоасбестовое уплотнение 2. Если предусмотрена нейтрализация СО, углеводородов и оксидов азота (трехкомпонентный нейтрализатор), то между блоками первой и второй ступеней вводится воздухоподающая трубка 4. На выходе из нейтрализатора устанавливается термопара 5 для контроля температурного состояния. Катализаторы на основе благородных металлов теряют свою активность из-за оксидов свинца, которые возникают при сгорании антидетонационной присадки к бензину – тетраэтилсвинца, который до сих пор используется в большинстве регионов нашей страны.

Рис.20. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор отработавших газов