Лекція № 7 шкідливі викиди автомобілів

Шкідливі компоненти, що забруднюють довкілля. Ми спалюємо паливо, щоб зробити корисну роботу. Що при цьому відбувається з погляду хімії й фізики? Паливо – це суміш вуглеводнів. Приймемо для простоти, що всі вони алкани (тобто насичені вуглеводні) із загальною формулою C_nH_2n+2. Горіння – це окиснення, тобто з’єднання з киснем:

Для окиснення одного моля палива ми витратили 1,5n+0,5 моля кисню, а він потрібний для дихання людям, тваринам і рослинам. Ми викинули в атмосферу велику кількість тепла Q1 – 43...44 МДж на кожен кілограм згорілого палива, та ще 2...2,5 МДж/кг виділилося при конденсації водяної пари (Q2). Останні два сторіччя техногенне нагрівання атмосфери неухильно зростає, і кліматологи б'ють тривогу: уже відзначене зменшення льодових полярних шапок Землі, а це грозить підйомом рівня світового океану й затопленням величезних ділянок суши, що населені і обробляються. Катастрофу наближає водяна пара й вуглекислий газ, що створють парниковий ефект: сонячні промені, проходячи крізь шар CO₂, нагрівають поверхню Землі, але тепло не може піти в космос, CO₂ і водяні пари поглинають тепло, тобто працюють як ковдра.

У грудні 1997 р. був прийнятий міжнародний документ – Кіотський протокол. Він зобов'язує скоротити або стабілізувати викиди парникових газів. Мета – знизити в 2008-2012 р. сукупний середній рівень викидів 6 типів газів (CO₂, CH₄, гідрофторвуглеводні, перфторвуглеводні, N₂O, SF₆) на 5,2 % у порівнянні з рівнем 1990 р. Росія й Україна зобов’язалися зберегти середньорічні викиди в 2008-2012 р. на рівні 1990 р.

У Європі автомобільний транспорт є причиною близько 20% всіх викидів СО₂, у тому числі легкові автомобілі – близько 12%. І ці цифри ростуть: від 21% в 1990 році до 28% в 2004 році. ЄС поставив мету знизити викид СО₂ до 120 г/км для всіх нових легкових автомобілів до 2012 р. Однак домоглися в 2005 році лише 160 г/км (від 186 г/км в 1995), однак зараз звітні дані наближаються до наміченого.

З іншого боку, усе більше нафти потрібно для виробництва синтетичних матеріалів, у тому числі й білкових препаратів, використовуваних як добавки в корм худобі. Те, що ми спалюємо у двигунах сьогодні, не зможуть з'їсти наші онуки завтра. Що ж робити?

1) удосконалювати конструкцію автомобілів і двигунів, щоб підвищити ККД і знизити нагрівання атмосфери; 2) шукати заміну вуглеводневому паливу, щоб зменшити парниковий ефект. Цим інтенсивно займаються вчені й інженери в усьому світі, намічені цікаві перспективи, досягнуті певні успіхи. У числі інших заходів, новий закон Євросоюзу обмежує опір коченню шин. До 2014 року він має становити не більше 0,0105. Це допоможе заощаджувати бензин і зменшувати, тим самим, шкідливі викиди. Усе більше стає гібридних автомобілів. На нових автомобілях широко застосовуються наддування, системи стоп-старт і рекуперація енергії гальмування. А що робити нам, експлуатаційникам? Використати всі доступні засоби, щоб зменшувати витрату палива.

Але крім проблем завтрашніх, існують і проблеми сьогоднішні: відпрацьовані гази (ВГ) містять не тільки невинні СО₂ і воду, але й безліч домішок, у тому числі токсичних (отруйних). Насамперед, це продукти неповного згоряння палива (170 речовин з 200, що входять в ВГ) – монооксид вуглецю CO (окис вуглецю), незгорілі вуглеводні, незгорілий вуглець (сажа) і ін. Утворюються й інші токсичні з'єднання, наприклад, альдегіди й бенз[а]пірен. Під впливом CO еритроцити крові втрачають здатність брати участь у газовому обміні. Наступає кисневе голодування, яке насамперед впливає на мозок. Людина відчуває головний біль, засипає, а при великій дозі CO – назавжди. Багато які вуглеводні токсичні: метан, етан, пропан (популярне в детективах отруєння побутовим газом), етилен, ацетилен, бензол. Тому припустима концентрація пари бензину в повітрі – 1,5 мг/м³, усього в 1,5 рази більше припустимої концентрації CO. Альдегіди (формальдегід, акролеїн) шкідливо діють на нервову систему й органи дихання. Особливо отруйний акролеїн, уже при концентрації 0,002% він викликає сильне подразнення слизових оболонок. Сажа безпечна сама по собі, але на її частках адсорбуються молекули різних з'єднань, наприклад, бенз[а]пірена – а це типовий хімічний канцероген, він небезпечний для людини навіть при малій концентрації, оскільки має властивість біоакумуляції – накопичування в організмі).

Висновок: необхідно домагатися повнішого згоряння палива. Якими способами?

Насамперед, слід ширше використати режими роботи при збідненій суміші (a>1): чим більше повітря, тобто кисню в паливо-повітряній суміші, тим повніше згоряння. Коефіцієнт надлишку повітря a – відношення фактичної кількості повітря в суміші до теоретично необхідного, тобто такого, при якому кисню в суміші рівно стільки, скільки необхідно для повного згоряння палива без залишку (тоді a =1). Найбільш повне згоряння відбувається, якщо суміш складається з 14,7 частини повітря й однієї частини пари бензину. Таке співвідношення "повітря-паливо" називається стехіометричним.

Менше працювати на холостому ході.

Домагатися поліпшення сумішоутворення – гомогенності (однорідності) суміші, тобто такого стану, коли паливо розпилене в повітрі дрібними, приблизно однаковими краплями, рівномірно розподіленими по обсязі. Для цього застосовують різні вставки між фланцями карбюратора й впускного колектора у вигляді сіток, лопатей і т.п. Вони збільшують турбулентність потоку й сприяють перемішуванню суміші, однак, будучи перешкодами на шляху потоку, зменшують його швидкість, погіршують наповнення камери згоряння й знижують потужність. Набагато краще створений у ХАДІ ультразвуковий гомогенізатор. Ультразвук роздроблює великі краплі й розриває плівки палива. Гомогенізатор не є перешкодою для потоку, тому не знижує потужність. Завдяки повнішому згорянню не тільки зменшується вміст CO і CnHm у ВГ, але й зменшується на 5...10% витрата палива.

У сучасних ДВЗ із упорскуванням палива сопла форсунок забезпечують необхідну якість розпилення палива й гомогенність суміші.

Однак всі описані заходи мають і зворотний бік. Зі збільшенням a (під навантаженням і при середніх оборотах) підвищується температура й тиск у камері згоряння – і утворюється більше оксидів азоту. У звичайних умовах азот інертний і не вступає в реакції окиснення. Але ж він присутній, ми подаємо у двигун не чистий кисень, а повітря, у якому азоту 78%, тобто в 3,7 рази більше, ніж кисню, якого 21%. Строго кажучи, нашу хімічну реакцію треба було записати так:

Зд

Отже, виявляється, в автомобільному вихлопі більш за все саме азоту [3,7 (3n+1)], потім водяної пари [2 (n+1)], потім вуглекислого газу [2n]. Всі інші речовини присутні у вигляді домішок – їх мало, але вони дуже шкідливі.

Повернемося до азоту. Щоб він почав з'єднуватися з киснем, потрібні високі температури й тиски, або ж дія електричних розрядів і інших іонізуючих факторів. Саме такі умови мають місце у камері згоряння, і чим краще згоряння, тим вище температура й тиск і тим більше оксидів азоту утвориться (рис. 17). Найнебезпечніші: геміоксид N₂O (закис азоту, "сміховий газ" – наркотична речовина), оксид NO і діоксид NO₂ – ангідриди азотистої й азотної кислот; потрапляючи в організм людини, вони з’єднуються з парами води й перетворюються в кислоти, які руйнівно діють на дихальні шляхи та легені. Небезпечні захворювання виникають при концентрації оксидів азоту 0,01%. Гранично допустима середньодобова концентрація (ГДКсд) для оксидів азоту – 0,1 мг/м³.

Отже, ті заходи, які знижують зміст у ВГ порівняно безпечних CO і СН, підвищують викид NOх. Щоб знизити їхнє утворення, застосовують рециркуляцію – повертають частину ВГ з випускного колектора у впускний. ВГ підігрівають паливоповітряну суміш і полегшують пароутворення, але виявляються значно холодніше робочих газів після спалаху, відбирають частину тепла й зрізують пік температури й тиску. Це різко знижує вміст NOх – на 35-40%, але трохи зменшує потужність двигуна. Дослідники ХНАДУ відзначили, однак, цікаве явище. Коли рециркульовані ВГ почали подавати через гомогенізатор (щоб він працював не тільки на холостому ході, але й на всіх режимах), потужність не тільки не знизилася, але навіть трохи підвищилася (приблизно на 0,5%).

Ступінь токсичності різних складових ВГ різна (див. табл. 9).

Таблиця 9

Ступінь токсичності складових ВГ

Найменування шкідливої речовини	Показник відносної агресивності	Коефіцієнт небезпеки (1/ГДКсд)
Окис вуглецю CO		0,33
Оксиди азоту в перерахуванні на NO2	41,1
Пари насичених СnНm		0,67
Бенз[ а ]пірен	5×105 (500.000)	106 (1.000.000)
З'єднання свинцю	3×103 (3.000)
Сажа

У таблиці згадані високотоксичні з'єднання свинцю. Вони не є результатом неповного згоряння. Тетраетилсвинець додають у бензин для підвищення протидетонаційної стійкості. Раніше етилування широко застосовували в усьому світі. Це вкрай небезпечно. Коли в США використовували етилований бензин, там провели обстеження ґрунту, рослинності та тварин у смузі 50 м від шосе. Виявилося: у дощових хробаках стільки свинцю, що птах, який склював такого черв'яка, швидко вмирає. Зараз етилований бензин заборонений в Україні, але чи знаєте ви, що вам заливають на АЗС?Без приладу не відрізнити.

Для зменшення токсичності ВГ використовують каталітичні нейтралізатори. Зараз поширені нейтралізатори трикомпонентні окисно-відновні. У відновному контурі у присутності родію йде розкладання оксидів азоту на N₂ і O₂, в окисному – допалювання незгорілих СН і CO (до СO₂) з використанням виділеного раніше кисню. У близькому майбутньому чекати широкого їхнього використання в Україні не доводиться: вони дуже дорогі (»350…400 $, 2500…3000 грн), тому що використовують як каталізатори платину, паладій, родій (ціни в серпні 2012, $ за тройську унцію, тобто 31,1 г: золото – 1673, платина – 1550, паладій – 657, родій – 1125. Вміст у руді – 10...20 г/т. Срібло – 31 $; проблемі платини для нейтралізаторів присвячений відмінний роман-бойовик Фредерика Форсайта "Пси війни"). Крім того, нейтралізатор – пристрій пасивний, він не зменшує утворення шкідливих речовин, а тільки їх ліквідує – і при тому трохи знижує потужність двигуна. Більш привабливі пристрої, що активно управляють витратою палива й утворенням токсичних речовин. Деякі вже широко використовуються на серійних автомобілях (системи рециркуляції ВГ; економайзери примусового холостого ходу з електромагнітним клапаном для перекриття подачі палива; системи упорскування палива з електронним керуванням; закриті системи вентиляції картера з відводом газів з картера у впускний тракт). На машинах старих моделей вигідно застосовувати ультразвуковий гомогенізатор у сполученні з рециркуляцією ВГ: утворення CO і СН зводиться до нуля, вміст оксидів азоту знижується на 25-40% (при ціні комплекту 10-15 $). Одночасно економиться 5-8% палива.

Вибір режимів руху. При русі автомобіля часто міняються швидкісні й навантажувальні режими роботи двигуна. Питома токсичність ВГ зі збільшенням навантаження на двигун знижується, досягаючи мінімуму при 80%-ному навантаженні для бензинових двигунів, 60-70%-ному – для дизелів (це області оптимальних значень a). Найбільш сприятливий рух з постійною швидкістю. Але у великому місті двигун легкового автомобіля працює на холостому ході 20-22% часу, із прискоренням – 20-25%, із уповільненням – 22-25%, а на постійній швидкості – лише 27-37%. При гальмуванні двигуном (без відключення подачі палива), а це буває 16-18% часу, суміш різко збагачується, росте вміст CO і СН. Шкідливіше всього робота на максимальній швидкості з повним навантаженням – при цьому в атмосферу потрапляє в 8-10 разів більше продуктів згоряння, тобто різко зростає абсолютна кількість шкідливих викидів.

Виходить, стабільні режими руху сприяють економії палива й зменшенню викидів. Тут величезну роль можуть зіграти заходи щодо організації дорожнього руху ("зелена хвиля", розв'язки в різних рівнях, підземні пішохідні переходи, вулиці з однобічним рухом і окружні дороги). Треба краще навчати водіїв, прищеплювати їм навички плавної їзди, без різких розгонів і гальмувань, роблячи упор при поясненнях на економії пального, яке водій купує за свої гроші.

Отже, головний висновок: для зменшення загальної загазованості й викиду шкідливих речовин (ШР) необхідно, перш за все, знижувати витрату палива. Підтримувати справний технічний стан рухомого складу, зокрема, двигунів.

Розрахунок викиду ШР (у г/км) за методикою Говорущенка М.Я.:

де M_ШР – молекулярна маса шкідливої речовини; для CO M_ШР = 12+16 = 28, NO – 30, NO₂ – 46, сажа C – 14, вуглеводні для бензинових двигунів (розрахунок по гексану C₆H₁₄) – 86, для дизельних двигунів (розрахунок по нонану C₉H₂₀) – 128; X_ШР – вміст шкідливої речовини, об'ємних %; r _Т – густина палива, кг/л; Q – витрата палива, л/100 км; a – коефіцієнт надлишку повітря.

Вміст шкідливої речовини X_ШР можна оцінити залежно від відсотка використання потужності N₁ по загальній формулі

A ₂, B ₂ і C ₂ для основних ШР – див. таблицю 10.

Значення коефіцієнта надлишку повітря a також можна оцінити в залежності від N ₁ по наступних формулах:

- для карбюраторного двигуна

- для дизельного двигуна

За методикою ЦНДЛТД (Москва) годинний викид забруднювачів

де n – кількість забруднювачів; A_і – показник відносної агресивності (див. вище); m_і – масовий годинний викид, кг/год.

де g_і – питомий викид токсичного компонента, г/кВт год; N_ДВ – потужність, яку знімають з двигуна на даному режимі:

де N ₁ – відсоток використання потужності.

Як і в методиці Говорущенка, викид ШР обчислюється для конкретних умов роботи, які оцінюються відсотком використання потужності, і для усередненого двигуна без урахування його фактичного технічного стану.

Таблиця 10

Значення коефіцієнтів A₂, B₂ і C₂ для основних ШР

	XCO	XCH
карбюраторн. двигун	дизельний двигун	карбюраторн. двигун	дизельний двигун
A2	2,692	0,05	0,057	0,017
B2	-0,081	-1,5·10-3	-1,21·10-3	-0,31·10-3
C2	0,6·10-3	14·10-6	0,88·10-5	2,47·10-6
	XNO	XC
карбюраторн. двигун	дизельний двигун	карбюраторн. двигун	дизельний двигун
A2	0,258	0,02	–	0,053
B2	4,3·10-3	2,3·10-3	–	1,6·10-3
C2	-4,4·10-5	-4·10-6	–	-5·10-6

Таблиця 11