Какие компоненты входят в состав твердых частиц в отработанных газов ог дизелей

Обновлено: 05.07.2024

Отработавшие газы - смесь газов с примесью взвешенных частиц, образовавшихся в результате сгорания моторного топлива (проект федерального закона "Об обеспечении экологической безопасности автомобильного транспорта"). В состав отработавших газов входят оксиды углерода, азота, серы, углеводороды, сажа и другие вещества. Количественный состав отработавших газов зависит от вида топлива.

Состав отработавших газов

В таблице 3.1. представлены состав выхлопных газов автомобилей с бензиновым и дизельными двигателями.

Таблица 3.1 - Состав автомобильных выхлопных газов

Компоненты выхлопного газа

Содержание по объему, %

Как видно из таблицы 3.1. при работе дизельных двигателей выделяется меньше выхлопных газов. При работе двигателя на этилированном бензине в составе выхлопных газов присутствует свинец, а у двигателей, работающих на дизельном топливе - сажа [10].

Оксид углерода (CO - угарный газ). Прозрачный, не имеющий запаха ядовитый газ, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Оксид углерода - продукт неполного сгорания топлива, на воздухе горит синим пламенем с образованием диоксида углерода (углекислого газа). В камере сгорания двигателя CO образуется при неудовлетворительном распыливании топлива, в результате холоднопламенных реакций, при сгорании топлива с недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода при высоких температурах. При последующем сгорании после воспламенения (после верхней мертвой точки, на такте расширения) возможно горение оксида углерода при наличии кислорода с образованием диоксида. При этом процесс выгорания CO продолжается и в выпускном трубопроводе.

Необходимо отметить, что при эксплуатации дизелей концентрация CO в выхлопных газах невелика (примерно 0,1 … 0,2%), поэтому, как правило, концентрацию CO определяют для бензиновых двигателей.

Оксиды азота (NO, NO2, N2O, N2O3, N2O5). Оксиды азота являются одними из наиболее токсичных компонентов отработавших газов. При нормальных атмосферных условиях азот представляет собой весьма инертный газ. При высоких давлениях и особенно температурах азот активно вступает в реакцию с кислородом. В выхлопных газах двигателей более 90% всего количества NOx составляет оксид азота NO, который еще в системы выпуска, а затем и в атмосфере легко окисляется в диоксид (NO2). Оксиды азота раздражающе воздействуют на слизистые оболочки глаз, носа, разрушают легкие человека, так как при движении по дыхательному тракту они взаимодействуют с влагой верхних дыхательных путей, образуя азотную и азотистую кислоты. Как правило, отравление организма человека NOx проявляется не сразу, а постепенно, причем каких либо нейтрализующих средств нет. Закись азота (N2O - гемиоксид, веселящий газ) - газ с приятным запахом, хорошо растворим в воде. Обладает наркотическим действием. NO2 (диоксид) - бледно-желтая жидкость, участвующая в образовании смога. Диоксид азота используется в качестве окислителя в ракетном топливе. Считается, что для организма человека оксиды азота примерно в 10 раз опаснее CO, а при учете вторичных превращений - в 40 раз. Оксиды азота представляют опасность для листьев растений. Установлено, что их непосредственное токсичное влияние на растения проявляется при концентрации NOx в воздухе в пределах 0,5…6,0 мг/м3. Азотная кислота вызывает сильную коррозию углеродистых сталей. На величину выброса оксидов азота оказывает значительное влияние температура в камере сгорания. Так, при повышении температуры от 2500 до 2700 К скорость реакции увеличивается в 2,6 раза, а при уменьшении от 2500 до 2300 К - уменьшается в 8 раз, т.е. чем выше температура, тем выше концентрация NOx. Ранний впрыск топлива или высокие давления сжатия в камере сгорания также способствуют образованию NOx. Чем выше концентрация кислорода, тем выше концентрация оксидов азота [11].

Углеводороды (CnHm - этан, метан, этилен, бензол, пропан, ацетилен и др.) Углеводороды - органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода, являются токсичными веществами. В выхлопных газах содержится более 200 различных CH, которые делятся на алифатические (с открытой или закрытой цепью) и содержащие бензольное или ароматическое кольцо. Ароматические углеводороды содержат в молекуле один или несколько циклов из 6 атомов углерода, соединенных между собой простыми или двойными связями (бензол, нафталин, антрацен и др.). Имеют приятный запах. Наличие CH в отработавших газах двигателей объясняется тем, что смесь в камере сгорания является неоднородной, поэтому у стенок, в переобогащенных зонах, происходит гашение пламени и обрыв цепных реакций. Не полностью сгоревшие CH, выбрасываемые с выхлопными газами и представляющие собой смесь нескольких сотен химических соединений, имеют неприятный запах. CH являются причиной многих хронических заболеваний. Токсичны также и пары бензина, которые являются углеводородами. Допустимая среднесуточная концентрация паров бензина составляет 1,5 мг/м3. Содержание CH в выхлопных газах возрастает при дросселировании, при работе двигателя на режимах принудительного холостого хода. При работе двигателя на указанных режимах ухудшается процесс смесеобразования (перемешивания топливовоздушного заряда), уменьшается скорость сгорания, ухудшается воспламенение и, как результат, - возникают его частые пропуски. Выделение CH вызывается неполным сгоранием вблизи холодных стенок, если до конца сгорания остаются места с сильным локальным недостатком воздуха, недостаточным распыливанием топлива, при неудовлетворительном завихрении воздушного заряда и низких температурах (например, режим холостого хода). Углеводороды образуются в переобогащенных зонах, где ограничен доступ кислорода, а также вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания. Они играют активную роль в образовании биологически активных веществ, вызывающих раздражение глаз, горла, носа и их заболевание, и наносящих ущерб растительному и животному миру. Углеводородные соединения оказывают наркотическое действие на центральную нервную систему, могут являться причиной хронических заболеваний, а некоторые ароматические CH обладают отравляющими свойствами. Углеводороды (олефины) и оксиды азота при определенных метеорологических условиях активно способствуют образованию смога.

Смог. Смог (Smog, от smoke - дым и fog - туман) - ядовитый туман, образуемый в нижнем слое атмосферы, загрязненном вредными веществами от промышленных предприятий, выхлопными газами от автотранспорта и теплопроизводящих установок при неблагоприятных погодных условиях. Он представляет собой аэрозоль, состоящую из дыма, тумана, пыли, частичек сажи, капелек жидкости (во влажной атмосфере). Возникает в атмосфере промышленных городов при определенных метеорологических условиях. Поступающие в атмосферу вредные газы вступают в реакцию между собой и образуют новые, в том числе и токсичные соединения. В атмосфере при этом происходят реакции фотосинтеза, окисления, восстановления, полимеризации, конденсации, катализа и т.д. В результате сложных фотохимических процессов, стимулируемых ультрафиолетовой радиацией Солнца, из оксидов азота, углеводородов, альдегидов и других веществ образуются фотооксиданты (окислители). Низкие концентрации NO2 могут создать большое количество атомарного кислорода, который в свою очередь образует озон и вновь реагирует с веществами, загрязняющими атмосферный воздух. Наличие в атмосфере формальдегида, высших альдегидов и других углеводородных соединений также способствует вместе с озоном образованию новых перекисных соединений. Продукты диссоциации взаимодействуют с олефинами, образуя токсичные нитроперекисные соединения. При их концентрации более 0,2 мг/м3 наступает конденсация водяных паров в виде мельчайших капелек тумана с токсичными свойствами. Их количество зависит от сезона года, времени суток и других факторов. В жаркую сухую погоду смог наблюдается в виде желтой пелены (цвет придает присутствующий в воздухе диоксид азота NO2 - капельки желтой жидкости).

Смог вызывает раздражение слизистых оболочек, особенно глаз, может вызвать головную боль, отеки, кровоизлияния, осложнения заболеваний дыхательных путей. Ухудшает видимость на дорогах, увеличивая тем самым количество дорожно-транспортных происшествий. Опасность смога для жизни человека велика. Так, например, лондонский смог 1952 г. называют катастрофой, так как за 4 дня от смога погибло около 4 тыс. человек. Наличие в атмосфере хлористых, азотных, сернистых соединений и капелек воды способствует образованию сильных токсичных соединений и паров кислот, что губительно сказывается на растениях, а также сооружениях, особенно на исторических памятниках, сложенных из известняка. Кроме того при использовании сернистых бензинов в отходящие газы могут входить оксиды серы, при применении этилированных бензинов -- свинец (Тетраэтилсвинец), бром, хлор, их соединения. Считается, что аэрозоли галоидных соединений свинца могут подвергаться каталитическим и фотохимическим превращениям, участвуя в образовании смога [12].

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Байбарин Василий Алексеевич, Божко Артем Викторович

Приведен анализ состава отработавших газов бензиновых и дизельных двигателей и их влияние на экологию . Приведенные данные по составу отработавших газов позволяют их использовать при разработке двигателей и устройств для снижения выбросов вредных компонентов.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Байбарин Василий Алексеевич, Божко Артем Викторович

Исследование возможности практического применения способа очистки выхлопных газов судового двигателя адсорбцией твердым веществом в присутствии озона

Сравнительный анализ экологических показателей дизеля Д-243 при работе на рапсовом масле и дизельном топливе

The article presents the analysis of the composition of exhaust gases of gasoline and diesel engines and their impact on the environment. Data on the composition of the exhaust ha-call allow them to use when developing engines, and devices to reduce emissions of harmful components.

УДК 62-144: 504.054

ВЛИЯНИЕ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЕЙ МЭС НА ЭКОЛОГИЮ И ИХ СОСТАВ

О 2014 г. Я/4. Байбарип, Л. В. Божко

Приведен анализ состава отработавших газов бензиновых и дизельных двигателей и их влияние на экологию. Приведенные данные по составу отработавших газов позволяют их использовать при разработке двигателей и устройств для снижения выбросов вредных компонентов.

Ключевые слова: сажа, дизель, токсичность, отработавшие газы, экология.

There is given analysis of the exhaust gas generated by gasoline and diesel engines and its impact on the environment. These data on the exhaust gases composition allows to use it in the engines and devices design to reduce the harmful components emission.

Key words: carbon black, diesel, toxicity, waste gases, ecology.

Двигатели внутреннего сгорания играют существенную роль в загрязнении окружающей среды. В крупных городах они являются одним из главных источников токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу. Так, например, доля автомобильного транспорта в выбросе вредных веществ составляет в США 60,6%, в Англии - 33,5%, во Франции - 32% [2]. Вредные выбросы автотракторных двигателей сокращают урожайность (до 25%) и снижают качество сельскохозяйственных культур (картофеля, подсолнечника, зерновых), особенно в придорожной зоне крупных автомагистралей, и приводят к серьезным заболеваниям сельскохозяйственных животных [5, 6, 7]. Поэтому наряду с улучшением экономических показателей дизелей снижение токсичности их ОГ является важнейшей задачей.

Отработавшие газы дизелей представляют собой сложную многокомпонентную смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твердых частиц. Всего отработавшие газы (ОГ) двигателей внутреннего сгорания содержат около 280 компонентов, среди которых можно выделить содержащиеся в воздушном заряде азот N2 и кислород О2, продукты полного сгорания топлива (диоксид углерода СО2 и водяной пар Н2О), вещества, образующиеся в результате термического синтеза из воздуха при высоких температурах (оксиды азота 1ЧОх), продукты неполного сгорания топ-

лива (монооксид углерода СО, углеводороды СН, дисперсные твердые частицы, основным компонентом которых является сажа), а также оксиды серы, альдегиды, продукты конденсации и полимеризации (таблица) [3]. Кроме продуктов сгорания топлива в ОГ дизелей присутствуют продукты сгорания смазочного масла и вещества, образующиеся из присадок к топливу и маслу. В незначительных количествах (1-2%) ОГ содержат водород Н2 и инертные газы - аргон Аг и другие.

Наиболее массовыми компонентами ОГ являются атмосферный азот, диоксид углерода (углекислый газ), пары воды и избыточный кислород, которые приведены в таблице. На большинстве эксплуатационных режимов их суммарный объем в ОГ составляет 90-95%. Из этих основных компонентов лишь углекислый газ относится к слаботоксичным веществам. Объемная концентрация токсичных веществ в ОГ сравнительно невелика и составляет 0,2-2%. При этом около 80-95% от общей массы токсичных компонентов ОГ приходится на долю пяти основных компонентов: Ж)х, СО, СН\, альдегидов ЯСНО, диоксида серы 802 [3]. Нормируемыми токсичными компонентами ОГ дизелей в соответствии с современными нормативными документами Е1ЖО-1, Е1ЖО-2, Е1ЖО-3 являются N0^, СО, СНЧ и твердые частицы. Нормирование выбросов с ОГ оксидов серы осуществляется косвенно, через огра-

ничение содержания серы в топливе. Наибольшее содержание альдегидов в ОГ отмечается при работе непрогретого двигателя на режимах пуска и холостого хода,

Наиболее значимые газообразные токсичные компоненты ОГ - оксиды азота ЫОх Около 42% выбросов оксидов азота в

имеющих сравнительно небольшую долю в общем распределении режимов работы. Поэтому их содержание в ОГ дизелей, как правило, не нормируется.

атмосферу приходится на автомобильный транспорт [4]. Причем сорт сжигаемого топлива не оказывает существенного влия-

Усредненный состав ОГ отечественных двигателей внутреннего сгорания

Компонент ОГ Концентрация в ОГ Токсичные компоненты ОГ дизелей на режиме полной нагрузки

бензиновый двигатель дизель концентрация, г/ м удельный выброс, г/(кВт-ч)

Азот N2 74-77% 74-78% - -

Кислород О2 0,3-8% 2,0-18% - -

Водяной пар Н2О 3,0-5,5% 0,5-9,0% 15-100 -

Диоксид углерода СО2 5,0-12,0% 1,0-12% 40-240 -

Оксиды азота N0, в том числе: 0,01-0,8% 0,004-0,5% 1,0-8 10-30

монооксид азота N0 - 0,004-0,5% 1,0-4,5 6-18

диоксид азота N02 - 0,00013-0,013% 0,1-0,8 0,5-2,0

Монооксид углерода СО 0,5-12% 0,005-0,4% 0,25-2,5 1,5-12,0

Углеводороды СЯХ 0,2-3,0% 0,009-0,3% 0,25-2,0 1,5-8,0

Бен.з(а)пирен С20Н12 0-20 мкг/ м-3 0,05-1,0 мкг/м3 0,2-10 ь-0,5-10 0 110 "-2-10 0

Сажа С 0-0,04 гЫ' 0,01-1,1 г/мл 0,05-0,5 0,25-2,0

Оксиды серы 80] , в том числе: до 0,008% 0,002-0,02% — —

три оксид серы 80з — 0,00004-0,0006% — —

Альдегиды И-СНО, в том числе: 0-0,2% 0,0001-0,002% 1,0-10,0 —

формальдегид НСНО — 0,0001-0,0019% — —

акролеин СН2СНСНО 0,0001-0,00013% 0,001-0,04 0,06-0,2

ния на образование оксидов азота в камере сгорания (КС). Из оксидов азота N0.4, содержащихся в ОГ дизелей, 80-90% объема приходится на монооксид N0 и 10-20% -на диоксид N02. Содержание других газообразных оксидов азота (N20, N203, N204, N205) в ОГ ничтожно мало. У двигателей с принудительным воспламенением объемное содержание N0 достигает 99% всего объема N0*. Монооксид азота является нестабильным компонентом. В атмосфере при нормальных условиях N0 окисляется до N02 в течение от 0,5—1 до 100 часов (в зависимости от концентрации в воздухе).

Монооксид углерода (угарный газ) СО присутствует в атмосфере в очень малых количествах, а в ОГ двигателей внутреннего сгорания его содержание может достигать очень значительных величин. Так, в бензиновых двигателях, работающих на режимах с низкими коэффициентами избытка воздуха (например, на режиме холостого хода при а e, 2007, No 3, pp. 59-61.

Токсичными называют газы и вещества, содержащиеся в продуктах сгорания и оказывающие негативное воздействие на окружающую среду и организм человека. Токсичные продукты сгорания топлива из-за малого количества не учитываются в энергетических расчетах, но именно они определяют экологические показатели теплосиловых и теплогенерирующих установок. Основными источниками выброса токсичных газов являются: автомобильный транспорт, тепловые электростанции, котельные, промышленные предприятия.

Основными токсичными веществами являются: оксид углерода СО, оксиды азота NO_х, углеводороды С_nH_m, сажа и соединения, содержащие серу и свинец (для этилированных бензинов).

Оксид углерода образуется в ходе предпламенных реакций при сгорании углеводородного топлива с некоторым недостатком воздуха, а также при диссоциации диоксида углерода СО₂ при температурах более 2000 К. Образование СО является одним из возможных направлений реакций в механизме окисления углеводородов, которое можно представить как

Реакция радикала RCO, приводящая к образованию СО, может протекать в результате одновременного взаимодействия с четырьмя компонентами:

В дизельных двигателях, которые являются основными тепловыми двигателями на подвижном составе железных дорог, оксиды углерода появляются в цилиндре в области низкотемпературных участков пламени в период воспламенения топлива. Дополнительными источниками его появления также являются капли топлива, сгорающие при недостатке кислорода, и частицы сажи, образовавшиеся в зонах с дефицитом кислорода.

Во всех случаях имеет место реакция типа

Основная доля образовавшегося в камерах сгорания оксида углерода окисляется до СО₂. При этом наибольший вклад в образование СО₂ вносит реакция

Оксид углерода – не имеющий запаха бесцветный газ. Попадая в организм человека, он вступает в реакцию с гемоглобином крови, замещая кислород, и воздействует на нервную систему, вызывая обмороки.

Оксиды азота представляют собой набор следующих соединений: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₄ и N₂O₅. В дизельных двигателях преобладают NO (более 90 %).

В камере сгорания оксид азота NO может образовываться:

1) при высокотемпературном окислении азота воздуха (термический NO);

2) в результате низкотемпературного окисления азотсодержащих соединений топлива (топливный NO);

3) из-за столкновения углеводородных радикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсаций температуры (быстрый NO).

В атмосфере NO, являясь неустойчивым компонентом, окисляется до NO₂. Это газ красновато-бурого цвета, обладающий при наличии больших концентраций, удушливым запахом. Токсичность NO₂ в 3-5 раз выше токсичности NO. При высокой концентрации в воздухе, попадая в организм человека, NO₂ может вызвать отек легких. Соединяясь с атмосферной влагой, оксиды азота образуют азотную кислоту, которая губительно действует на растительность и вызывает коррозию металлов.

Углеводороды, находящиеся в продуктах сгорания топлива, образуются из исходных или распавшихся молекул топлива, не принимавших участия в процессе сгорания. Известно более 200 наименований углеводородов, относящихся к группе токсичных веществ.

Наиболее токсичными являются полициклические углеводороды. Они образуются в результате пиролиза (термического разложения) легких и средних фракций углеводородного топлива при температурах 600-700 К вблизи холодных поверхностей цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Максимальный уровень токсичности имеет С₂₀Н₁₂ (бенз(а)пирен). Бенз(а)пирен относится к канцерогенным веществам. Попадая в организм человека, они накапливаются, вызывая образование злокачественных опухолей.

Сажа является основным компонентом твердых частиц, содержащихся в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. Сажа состоит из углерода и небольшого количества 1-3 % (по массе) водорода. Она образуется при температуре более 1500 К при объемном пиролизе в условиях сильного недостатка кислорода. Образование сажи зависит от свойств топлива: чем больше отношение С/Н в топливе, тем выход сажи больше.

В состав твердых частиц, кроме сажи, входят соединения серы, свинца. Попадая в организм человека, частицы сажи могут откладываться в носовых пазухах, трахеях или бронхах.

Сера, содержащая в каменном угле, мазуте, дизельном топливе, попадает в атмосферу в виде диоксида серы SO₂. Диоксид серы далее может окисляться до SO₃, а при взаимодействии SO₃ с парами воды образуется серная кислота, которая способствует возникновению “кислотных” дождей. Наличие в атмосфере сернистых газов отрицательно действует на дыхательные пути человека, вызывая их раздражение. Если концентрация SO₂ в атмосферном воздухе превышает 0,9 мг/м 3 , происходит ухудшение процессов фотосинтеза растений.

Свинец, содержащийся в этилированных бензинах, попадает в атмосферу в виде твердых частиц, которые образуются по сходному механизму образования сажи. Эти частицы попадают в организм человека через кожу или вместе с воздухом, вызывая головную боль, утомление, нарушение сна. Накапливаясь в организме человека, соединения свинца могут вызывать тяжелые расстройства нервной и кровеносной систем.

Одна секция тепловоза выбрасывает в атмосферу за час работы до 28 кг оксида углерода, до 17,7 кг оксидов азота, до 2 кг сажи. Но тепловозные дизели магистральных тепловозов при поездной работе имеют более стабильный режим нагрузок, поэтому абсолютное выделение загрязняющих веществ в атмосферу значительно сокращается. Маневровые тепловозы работают в переменных режимах с частыми троганиями, ускорениями и торможениями. В этом случае выброс отработавших газов значительно возрастает. Аналогичный характер загрязнения у тепловозов временной эксплуатации, обеспечивающих перевозки строительных и других грузов к участкам и объектам проведения строительных работ.

Совместная экспертная оценка специалистами ЦНИДИ, МАДИ, НАМИ современного состояния проблемы загрязнения атмосферы всеми видами транспорта показывает, что эксплуатируемый на территории РФ транспорт сжигает ежегодно примерно 110-115 млн.т топлива, 12-15 млн. т смазочного масла. При этом в атмосферу выбрасывается около 30 млн. т вредных веществ, в том числе до 15 млн.оксида углерода (СО), 12 млн. тонн оксидов азота (NO_х), 2 млн. т углеводородов (С_nH_m), 1,2 млн.т сажи (С) и 2·10 12 МДж тепловой энергии, что эквивалентно сжиганию примерно 50 млн.т условного топлива.

В США в загрязнении воздуха, создаваемом различными предприятиями, выхлопные газы тепловозов составляют менее 0,5 %. С 1972 года на мероприятия по ограничению выделения выхлопных газов железные дороги затратили 2,7 млн. долларов. Эти мероприятия принесли пользу железным дорогам, поскольку выхлопы в виде дыма имеют, как правило, неисправные локомотивы, требующие ремонта. Железные дороги США затратили в 1972 году 13,5 млн. долларов на работы по ограничению загрязнения воздуха дымами стационарных установок, по предварительной оценке на эти цели должно быть израсходовано еще до 6,5 млн.долларов.

Для защиты окружающей среды, наряду с ограничением дыма, необходимо бороться с искрами, источниками которых являются выхлопные устройства тепловозов и чугунные тормозные колодки. Загрязнение среды при перевозке сыпучих грузов, таких как песок, уголь и др., в открытых выгонах вызывает выдувание мелких фракций. Это явление можно ограничить увлажнением грузов и применением крыш на вагонах.

Тепловозные дизели выбрасывают в атмосферу громадное количество токсичных веществ, хотя выхлопные газы, как правило, бесцветны, что вызывает представление об их безвредности. В определенных же условиях эксплуатации тепловозы могут стать исключительно опасным источником загрязнения воздуха ядовитыми для человека веществами.

О концентрации вредных компонентов в отработавших газах можно судить по токсическим характеристикам дизелей, но по ним нельзя достоверно установить величину вредных выбросов в эксплуатации и характеризовать тепловоз как источник загрязнения окружающей среды.

Выбросы отработавших газов из выпускной системы тепловозов достигают 5-6 кг/с.

В выхлопе тепловозного дизеля содержится свыше 280 компонентов, из них можно выделить 36 элементов, содержание которых наибольшее. (В таблице 3 перечислены основные продукты сгорания дизельного топлива).

По ГОСТ 12.1.007-88 все вещества делятся на 4 категории по вредности воздействия на человека:

1) Чрезвычайно опасные

2) Высоко опасные

3) Умеренно опасные

Компонентный состав выхлопных газов содержится в таблице 4.

Для определения содержания отдельных компонентов используют уравнения материального баланса и уравнения Дальтона.

Таблица 3. Продукты сгорания дизельного топлива в дизеле 14Д40.

Наименование продукта сгорания

Таблица 4. Компонентный состав выхлопа локомотива.

Наименование компонентов

Содержание

Уменьшение дымности выхлопа дизеля и изменение количества вредных компонентов могут быть достигнуты введением присадок в топливо и масло (см. таблицы 5, 6).

Таблица 5. Удельные выбросы вредных веществ в отработавших газах дизельных двигателей, г/кВт·ч.

Наименование вредных веществ

Применяемое топливо

Таблица 6. Снижение токсичности отработавших газов за счет применения присадок к бензину и дизельному топливу.

Вредные компоненты отработавших газов

% снижения токсичности при присадках

Исследования дизелестроительных фирм показали, что возможность снижения содержания вредных веществ в выхлопных газах дизелей даже при электронном впрыске топлива и сжигании бедных топливо-воздушных смесей достигла своих пределов и дальнейшее снижение выбросов возможно только за счет использования специальных устройств для очистки выпускных газов перед выбросом их в атмосферу. Работы по созданию таких устройств – каталитических нейтрализаторов – ведутся с начала 70–х годов. Ведущие дизелестроительные фирмы “Caterpillar” (США), “MAN” (Германия), “B&W” (Дания), “Jenbacher” (Австрия), “F.G.Wilson” (Великобритания) и другие проводят интенсивные исследования по их созданию.

Основным методом очистки выхлопных газов от диоксидов и оксидов азота является каталитический. Однако каталитические установки имеют большие габариты и массу из-за малых скоростей конверсии диоксидов и оксидов азота. Большие успехи достигнуты в разработке каталитических нейтрализаторов для снижения содержания в выхлопных газах таких вредных компонентов, как СО, С_nH_m и сажа. Каталитический нейтрализатор снижает содержание вредных компонентов СО и С_nH_m на 60%, а сажи на 20 %.

Эффективность такого каталитического нейтрализатора увеличивается с ростом температуры выпускных газов, поступающих в него. Однако верхняя допустимая температура газов ограничена значением 650 0 С и лежит вне максимальных значений температур газа в выпускном коллекторе современных стационарных дизелей. Поэтому каталитический катализатор необходимо устанавливать на выпускном тракте сразу за дизелем, перед глушителем. Дополнительным положительным эффектом от установки каталитического нейтрализатора является снижение шума выпуска газов дизеля на 5…7 дБА, что также смягчает отрицательное воздействие теплового двигателя на окружающую среду.

При этом на тепловозах (дизельных двигателях транспортных систем) можно снизить количество вредных выхлопных газов, но невозможно изменить количество парниковых газов. Существует “Киотское соглашение” – регламентирующие квоты стран на выбросы парниковых газов.

Экологический налог на выбросы в атмосферу для каждой эксплуатирующейся серии тепловоза рассчитывается по формуле

где γ – коэффициент, вводимый для передвижных источников загрязняющих веществ; γ=0,8.

В_m – количество дизельного топлива, фактически израсходованного тепловозами данной серии за рассматриваемый период, т;

С_i – ставка налога за i-тое вредное вещество, р/т;

К_i – количество i-того вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу при сгорании 1 т дизельного топлива (коэффициент эмиссии), кг/т.

Если в локомотивном депо организован экологический контроль отработавших газов тепловозов, известны режимы вождения поездов по обслуживаемым плечам, то возможен расчет экологического налога по фактическим выбросам. В этом случае администрация локомотивного депо заинтересована в снижении экологического налога не только путем снижения расхода топлива, но и снижением токсичности отработавших газов и выбором наиболее безопасных с экологической точки зрения режимов ведения поезда.

Для снижения накладных расходов на экологические испытания тепловозов в условиях локомотивного депо предлагаются следующие режимы (таблица 7).

Таблица 7. Перечень режимов для измерения состава отработавших газов.

Серия тепловоза	ПКМ
2ТЭ10	0; 5; 10; 15

Также рассчитан удельный экологический налог (р./(10 4 ткм бр.)) по действующим на 05.02.02 г. ставкам (формула (3)):

m_i-удельная эмиссия i-го вредного вещества, кг/(10 4 ткм бр);

с_i-предельно допустимая концентрация i-го вредного вещества, мг/м 3 ;

Н CT _i – ставка налога для i-го вредного вещества, р./т.

Одним из возможных путей снижения количества вредных выбросов тепловозными дизелями является перевод их на газообразное топливо. Этим топливом может быть сжатый или сжиженный природный газ, а также пропан-бутановая смесь.

Перевод двигателя внутреннего сгорания на газообразное топливо улучшает процесс смесеобразования и горения. Кроме уменьшения продуктов неполного сгорания топлива и оксидов азота в отработавших газах, такой двигатель имеет больший коэффициент полезного действия. При этом уменьшается расход смазочного масла и полностью исчезает нагар. В то же время ухудшаются удельные параметры силовой установки по массе и габаритам и увеличиваются эксплуатационные расходы. Последнее связано с созданием газонаполнительных станций, производством газобаллонной аппаратуры, изготовлением специального оборудования для ремонта и технического обслуживания.

Если в основу прогноза совершенствования теплосиловых установок локомотивов положить возможность появления дефицита жидкого топлива, то актуальной задачей становится создание подвижного состава с газотурбинными двигателями, работающими на газообразном или твердом топливе.

Исследования, выполненные во ВНИИЖТе, показали, что удельная стоимость жизненного цикла грузового локомотива с современной газотурбинной установкой при использовании природного газа в два раза ниже, чем у тепловоза с дизельным двигателем. По экологическим и массогабаритным показателям газотурбинные двигатели намного превосходят дизельные.

Нейтрализация отработавших газов дизельных двигателей

При очистке отработавших газов дизелей особое внимание уделяется сокращению содержания двух компонентов:

· твердых частиц, которые возникают из-за неоднородного распределения смеси в камере сгорания;

· оксидов азота ( NO _х ), которые образуются при высоких температурах сгорания топливовоздушной смеси в дизеле.

В последние годы, благодаря совершенствованию систем впрыска топлива дизельных двигателей, уровень эмиссии этих компонентов отработавших газов значительно снизился.

1.Окислительный нейтрализатор

Чтобы быстрее достигнуть рабочей температуры, окислительный нейтрализатор 9 (рис. 1) должен располагаться в системе выпуска как можно ближе к двигателю. Он уменьшает уровень эмиссии углеводородов (СН), оксида углерода (СО) и летучих составляющих твердых частиц, превращая все это в воду (Н₂О) и диоксид углерода (СО₂).

Рисунок 1 – Система выпуска отработавших газов с окислительным нейтрализатором, фильтром твердых частиц и системой добавления присадок:

1 – блок управления добавлением жидкой каталитической присадки; 2 – блок управления работой двигателя; 3 – насос для добавления жидкой каталитической присадки; 4 – датчик уровня жидкой каталитической присадки; 5 – бак с жидкой каталитической присадкой; 6 – клапан дозирования жидкой каталитической присадки; 7 – топливный бак; 8 – двигатель; 9 - окислительный нейтрализатор; 10 – фильтр твердых частиц; 11 – датчик температуры; 12 - дифференциальный датчик давления; 13 – сажевый датчик

2.Фильтр твердых частиц

В фильтре 10 (рис. 1) собираются содержащиеся в ОГ твердые частицы. Падение давления за фильтром твердых частиц — это возможный индикатор его загрязнения сажей, и в этом случае фильтр нуждается в очистке и регенерации. Необходимая для дожигания этой сажи температура (свыше 600°С) при нормальных режимах работы дизеля не возникает. С помощью некоторых регулировок аппаратуры подачи топлива и воздуха, например, установкой позднего момента начала впрыскивания и дросселированием воздуха на впуске, можно повысить температуру ОГ.

К настоящему времени разработаны специальные фильтры из пористой керамики, которые уже применяются серийно на легковых автомобилях.

Каталитические присадки

Добавлением в топливный бак каталитических присадок обеспечивается снижение температуры дожигания твердых частиц в фильтре на 100°С. Разумеется, противодавление ОГ будет постепенно увеличиваться во время работы дизеля, так как негорючие отложения (пепел каталитических присадок) задерживаются фильтром. Это повышает расход топлива и ограничивает срок службы фильтра.

Система регенерации фильтра

При наличии системы регенерации фильтр твердых частиц подсоединяется к окислительному нейтрализатору, который окисляет содержащийся в ОГ оксид азота NO в диоксид азота NO ₂ . В этом случае собранная в фильтре сажа непрерывно сжигается при подаче сюда N О₂ уже при температуре 250°С, что значительно ниже температуры сгорания твердых частиц в обычных фильтрах, где происходит сгорание с подачей обычного кислорода О₂.

Датчики температуры, дифференциальный датчик давления и датчик сажи за фильтром твердых частиц контролируют функционирование системы регенерации фильтра. Для длительной работы окислительных нейтрализаторов, из-за их чувствительности к сере, требуется топливо с низким ее содержанием.

Окислительный нейтрализатор и фильтр твердых частиц могут быть интегрированы в один конструктивный элемент с каталитическим покрытием фильтра. Этот фильтр сокращенно именуется CSF ( Catalyzed Soot Filter , т. е. фильтр с каталитическим покрытием) или CDPF ( Catalyzed Diesel Particulate Filter , т. е. каталитический дизельный фильтр твердых частиц).

3.Накопительный нейтрализатор NO_x

Дизель всегда работает с избытком воздуха (бедная смесь), поэтому трехкомпонентный нейтрализатор, применяемый на бензиновых двигателях со впрыском топлива во впускной трубопровод, не может использоваться для снижения количества оксидов азота ( NO_x ). При избытке воздуха СО и СН реагируют с остаточным кислородом ОГ до образования СО₂ и Н₂О и, таким образом, не могут быть использованы для превращения NO_x в азот ( N ₂ ).Для снижения концентрации оксидов азота в ОГ дизелей легковых автомобилей разработан накопительный нейтрализатор NO_x , который уменьшает содержание оксидов азота другим способом: собирает их, а затем конвертирует. Этот процесс протекает в два этапа:

· накопление NO_x из ОГ при работе дизеля на бедной смеси ( a > 1; от 30 секунд до нескольких минут);

· выделение NO_x и восстановление (конверсия) в ОГ при работе дизеля на богатой смеси ( a

Накопление NO _х

Оксиды азота при избытке кислорода в ОГ превращаются с помощью металлических окислительных нейтрализаторов на поверхности накопительного нейтрализатора NO_x в нитраты. При этом к накопительному нейтрализатору добавлен окислительный нейтрализатор 3 (рис. 2), который окисляет NО в N О₂.

Рисунок 2 – Схема системы выпуска отработавших газов с накопительным нейтрализатором NO_X :

1 – двигатель; 2 – система электрического подогрева отработавших газов; 3 – окислительный нейтрализатор; 4 – датчик температуры; 5 – широкополосный лямбда-зонд; 6 – накопительный нейтрализатор NO_X ; 7 – датчик NO_X или лямбда-зонд; 8 – блок управления работой двигателя

С возрастанием количества накопленных оксидов азота уменьшается способность нейтрализатора их связывать.

Имеются две возможности узнать, когда нейтрализатор нагружен так, что фазу накопления необходимо завершить:

· количество накопленных оксидов азота рассчитывается смоделированным процессом с учетом температуры нейтрализатора;

· датчик N О _X за накопительным нейтрализатором измеряет концентрацию оксидов азота в ОГ.

Восстановление N О _X

Начиная с определенной степени загрузки, накопительный нейтрализатор NO_x должен регенерироваться, т. е. накопленные оксиды азота должны снова высвобождаться и преобразовываться в азот и кислород. Для этого двигатель кратковременно переключается на режим работы с недостатком воздуха ( a = 0,95). При двухступенчатой регенерации (рис. 2) возникают диоксид углерода (СО₂) и азот ( N ₂ ).

Существуют два различных способа определить конец фазы восстановления:

· смоделированный процесс рассчитывает количество оставшихся на нейтрализаторе оксидов азота;

· лямбда-зонд 7 (рис. 2), установленный за нейтрализатором, измеряет концентрацию кислорода в ОГ, и изменение напряжения с состава ОГ с недостатком воздуха ( a a > 1) указывает на то, что процесс восстановления закончен (отсутствие СО).

Чтобы и при холодном пуске достичь значительного сокращения уровня содержания NO_x , можно применить систему 2 электрического подогрева ОГ.

4.Принцип SCR

В процессе очистки ОГ по принципу SCR ( Selective Catalytic Reduction , т. е. селективное каталитическое восстановление) в ОГ очень точно добавляется восстановитель, например, раствор мочевины с концентрацией 32,5% по массе. В гидролизном нейтрализаторе из раствора мочевины добывается аммиак (рис. 3).

Рисунок 3 – Система выпуска отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением:

1 – двигатель; 2 – датчик температуры; 3 – окислительный нейтрализатор; 4 – форсунка для впрыскивания восстановителя; 5 – датчик NO_X ; 6 – гидролизный нейтрализатор; 7 - нейтрализатор SCR ; 8 – заграждающий нейтрализатор NH ₃ ; 9 – датчик NH ₃ ; 10 – блок управления работой двигателя; 11 – насос восстановителя; 12 – бак для восстановителя; 13 – датчик уровня восстановителя

Аммиак реагирует в нейтрализаторе SCR с NO_x , в результате чего образуются азот и вода. Современные нейтрализаторы SCR могут исполнять функции гидролизного нейтрализатора так, что последний становится не нужен.

Окислительный нейтрализатор перед добавлением восстановителя увеличивает эффективность системы. Окислительный нейтрализатор (заграждающий нейтрализатор NH ₃ ),установленный за нейтрализатором SCR , предотвращает возможный выброс NH ₃ .

Благодаря высокой степени снижения NO_x возможна регулировка двигателя, оптимальная по расходу топлива. Таким образом, с этой системой можно сэкономить до 10% топлива.

5.Комбинированные системы

Для соблюдения будущих норм состава ОГ для многих дизельных автомобилей необходимо будет наличие систем очистки ОГ, которые делают возможным как фильтрацию твердых частиц, так и максимально эффективное снижение уровня эмиссии NO_x . Такие системы называются четырехкомпонентными, поскольку наряду с NO_x и твердыми частицами они снижают также содержание СН и СО.

Комбинация систем требует эффективного управления работой дизеля. К настоящему времени разработаны комбинации накопительного нейтрализатора NO_x и фильтра твердых частиц, а также нейтрализатора SCR и фильтра твердых частиц.

Пример комбинированной системы

Сажа непрерывно окисляется фильтром с каталитическим покрытием ( CDPF ), установленная далее система SCR снижает уровень эмиссии NO_x . Добавка восстановителя осуществляется в зависимости от режима и температуры или от концентрации NО_х в ОГ перед нейтрализатором. За функционированием комплексной системы наблюдают газовые датчики ( NO _х и/или NH ₃ ) и датчики температуры.

Читайте также: