Токсичность продуктов сгорания и методы ее снижения

Автомобильные и тракторные двигатели внутреннего сгорания имеют высокую надежность, хорошую топливную экономичность, создают необходимые тягово-сцепные свойства автомобиля и трактора в различных производственных условиях. Вместе с тем, по мере роста автомобильного и тракторного парка, все больше стал проявляться существенный недостаток ДВС — он оказался причиной значительного загрязнения окружающей среды, особенно в крупных городах. При большом скоплении автомобилей количество выбрасываемых с выхлопными газами вредных веществ становится недопустимо большим. В Российской Федерации, как и в других развитых странах, двигатели автомобилей и тракторов стали главными загрязнителям атмосферы. Установлено, что во многих городах РФ вредные выбросы отработавших газов ДВС в 4-5 раз превышают загрязнение воздуха промышленными предприятиями.
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.
Во время работы автотракторного двигателя внутреннего сгорания изменяются скоростные и нагрузочные режимы. На всех режимах работы желательно обеспечить питание двигателя оптимальным составом горючей смеси. Известно, что топливо сгорает в камере при взаимодействии с кислородом из воздуха. Этот процесс сопровождается интенсивным выделением тепла, которое и преобразуется в работу. По химическому составу топлива можно подсчитать, какое количество воздуха нужно для его полного сгорания. Теоретически, при идеальной организации рабочих процессов, для сгорания 1 кг бензина требуется 14,85 кг воздуха, однако на практике этого количества оказывается недостаточно. Однако воспламенение и сгорание горючей смеси длится тысячные доли секунды, и к такому быстрому процессу она недостаточно хорошо подготовлена. В смеси остаются газы от предыдущего цикла, препятствующие доступу кислорода к частицам топлива; кроме того, не удается добиться ее идеального перемешивания. В результате не все топливо окисляется до конечных продуктов, и для нормального протекания процесса сгорания его приходится добавлять.
При средних нагрузках главное внимание обращается на экономичность, поэтому в камеру сгорания подается несколько обедненная смесь. При небольшом обогащении смеси скорость ее сгорания увеличивается, в камере развиваются более высокие температура и давление. Для максимальных нагрузок или резкого перехода с малой нагрузки на большую требуется богатая смесь. Большое количество топлива подается в цилиндры и при пуске холодного двигателя, когда горючую смесь образуют только самые легкие фракции топлива. В этих случаях из-за недостатка кислорода топливо сгорает не полностью. Двигатель хотя и развивает большую мощность, но работает неэкономично и выбрасывает в атмрсферу токсичные продукты неполного сгорания. Это объясняется тем, что в процессе такого горения топлива синтезируются ядовитые вещества и выбрасываются с продуктами сгорания в атмосферу. В таких отработанных газах содержится свыше 200 вредных компонентов, из них около 160 — углеводороды.
Итак, в процессе горения образуются отработавшие газы, которые содержат основные компоненты CO2, H2O, N2, окись углерода CO, соединения азота, представляющие собой смесь различных окислов (NO, N2O5 и др.), различные не окислившиеся углеводородные соединения CxHy, частицы сажи С, альдегиды и другие компоненты. Сгорание богатых смесей (α < 1) в цилиндрах карбюраторных двигателей сопровождается образованием окиси углерода, а однородных обедненных смесей — образованием окислов азота (рис. 5.1). В дизелях, работающих на обедненных смесях, образование в продуктах сгорания небольшого количества окиси углерода объясняется несовершенством смесеобразования и появлением в камерах сгорания зон с обогащенной смесью. При работе дизелей на богатых смесях (α < 0,5) происходит распад молекул топлива с выделением углерода в виде сажи. Количество образуемых окислов азота в продуктах сгорания жидких моторных топлив определяется в основном температурой и наличием свободного кислорода в разных зонах камеры сгорания. В условиях высоких температур в цилиндре при сгорании топлива образуется в основном окись азота, которая превращается в NO2 при снижении температуры и наличии свободного кислорода в системе выпуска и даже атмосфере. Значительную опасность для здоровья человека представляют окислы азота, которых выбрасывается в атмосферу при работе двигателя значительно меньше, чем окиси углерода, но которые примерно в 10 раз токсичнее, чем окись углерода. Углеводороды несгоревшего топлива появляются в продуктах сгорания из-за наличия в рабочей смеси зон с чрезмерным недостатком или избытком кислорода, а также при пропусках воспламенения. Альдегиды образуются в период, предшествующий основному горению, когда рабочая смесь контактирует со стенками камеры сгорания, имеющими относительно низкую температуру.
Токсичность продуктов сгорания топлива в дизелях зависит в основном от содержания в них окислов азота, а в карбюраторных двигателях — от концентрации окиси углерода и окислов азота. Углеводороды, выбрасываемые в атмосферу поршневыми ДВС, не представляя сами по себе большой опасности, при определенных атмосферных условиях способствуют образованию тумана, обладающего вредным действием и называемого смогом.

Дизельные двигатели, кроме всего прочего, выбрасывают твердые частицы: сажу, аэрозоли масла и несгоревшего топлива, продукты износа двигателя. Если сажи много, выхлопные газы делаются видимыми — двигатель дымит. Токсичные вещества образуются и при применении топлива с некоторыми присадками и примесями: это свинец, присутствующий в этилированном бензине, и сернистый ангидрид — продукт сгорания дизельного топлива, содержащего серу. Следует отметить: дизельное топливо может содержать очень большое количество серы.
Для уменьшения выброса оксидов азота используется рециркуляция — перепуск части отработавших газов из выпускного трубопровода во впускной — при этом понижается температура сгорания и их образуется значительно меньше. Рециркуляция применяется не только на двигателях с искровым зажиганием, но и на дизелях. Перспективны в этом плане и системы электронного регулирования, оптимизирующие работу двигателя на всех режимах.
Благодаря этим усовершенствованиям, загрязнение атмосферного воздуха заметно уменьшается. И все же полностью удалить токсичные вещества из отработавших газов не удается.
К основным компонентам в продуктах сгорания относятся следующие.
Окись углерода CO является сильным ядом, вредно влияющим на здоровье людей. Сжигание в карбюраторных двигателях смесей, богатых топливом (α ≤ 1), сопровождается образованием в процессе реакции окисления из части углерода CO. Количество окиси углерода в продуктах сгорания резко снижается (в 10...12 раз) при обеднении смеси. В дизельных двигателях, работающих при α ≥ 1, вследствие неравномерного распределения топлива в камере сгорания и появление зон с α ≤ 1, образуется небольшое количество CO, составляющее по объему 0,1...0,2%. В камере сгорания дизельного двигателя могут появляться зоны с переобогащенной смесью α ≤ 0,5), в конце происходит распад молекул топлива с выделением углерода в виде сажи. При нормальной работе карбюраторного двигателя, благодаря однородности смеси, сажа образуется в весьма малых количествах. На основных режимах работы автомобильные карбюраторные двигатели выделяют в десятки раз больше CO, чем дизельные автомобили.
Окислы азота представляют собой смесь различных окислов (NO, NO2 и др.), из которых наиболее токсичны диоксид азота NO2 и его полимеры. Количество окислов азота в продуктах сгорания в основном определяется температурой в отдельных зонах камеры сгорания и присутствием свободного кислорода. Окислы азота образуются при высоких температурах и наличии свободного кислорода. При высоких температурах азот способен к реакциям. Сгорание богатых смесей сопровождается образованием незначительного количества окислов азота. Снижение температуры в камере сгорания вследствие дросселирования двигателя или уменьшения цикловой подачи топлива в дизеле приводит к сокращению суммарного количества окислов азота в продуктах сгорания. При высоких температурах в основном образуется NO, а при понижении температуры NO превращается в выпускном тракте и даже в атмосфере в NO2. Хотя окислов азота, в среднем, выбрасывается двигателем ориентировочно в 15 раз меньше, чем в окиси углерода, но их считают примерно в 10 раз более токсичными.
Углеводороды Cx, Hy — различные непрореагировавшие углеводородные соединения. Продукты сгорания имеют в незначительных количествах углеводороды, природа образования которых различна. В основном, они образуются при низких температурах процесса окисления от соприкосновения рабочей смеси с элементами камеры сгорания, имеющими относительно низкую температуру. Углеводороды способствуют образованию смога, и поэтому их содержание в продуктах сгорания, выбрасываемых двигателем, ограничивается.
Кроме перечисленных компонентов в продуктах сгорания могут быть свободный кислород (O2), альдегиды, формальдегиды, сернистый газ, сероводород, свинец.
Следует отметить, что даже при исправном, отрегулированном двигателе количество вредных веществ может достигать величин, приведенных в табл. 5.1.

Мероприятия и методы снижения токсичности продуктов сгорания можно объединить в несколько групп:
- совершенствование организации рабочих процессов: улучшение смесеобразования и процесса сгорания, равномерное распределение горючей смеси или дозирования топлива по цилиндрам; применение электронных и электромеханических систем впрыска топлива, зажигания, контроля и регулирования параметров, влияющих на процессы рабочего цикла;
- совершенствование конструкции и параметров систем и механизмов двигателя: оптимизации формы и параметров камеры сгорания; совершенствование системы питания; уменьшение степени сжатия и частоты вращения коленчатого вала двигателя без снижения топливной экономичности; совершенствование системы вентиляции картера;
- повышение качества топлива и применение альтернативных топлив. Применение дизельного топлива с повышенным цетановым числом, антидымными присадками на основе бария, марганца и др. приводит к снижению в продуктах сгорания окислов азота, углеводородов и дымности. Значительно снижается токсичность продуктов сгорания при работе карбюраторного двигателя на бензине без антидетонаторов. Применение альтернативных топлив — метанола, природного газа, сжиженного пропан-бутана и других, приводит к снижению токсичности продуктов сгорания в 1,5...4,0 раза;
- поддержание в нормальном техническом состоянии: правильная регулировка карбюратора на режиме холостого хода; стабильность и точность работы топливоподающей аппаратуры дизельного двигателя, контроль токсичности и дымности продуктов сгорания.
Перспективным направлением снижения токсичности продуктов сгорания следует считать дожигание отработавших газов в специальных нейтрализаторах, расположенных в выпускном тракте. Чаще применяются каталитические нейтрализаторы, состоящие из шариков, покрытых слоем нейтрализатора. Для более полного окисления продуктов сгорания иногда подводят воздух в систему выпуска.