Решение проблемы выхлопных газов

Обновлено: 05.07.2024

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ / ОТРАБОТАВШИЕ ГАЗЫ / ВРЕДНЫЕ КОМПОНЕНТЫ / АВТОМОБИЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ / ЗАГРЯЗНЕНИЕ / ПРИРОДНЫЙ ГАЗ / ПАССАЖИРСКИЕ ПЕРЕВОЗКИ / ECOLOGICAL PROBLEMS / EXHAUST GASES / HARMFUL COMPONENTS / AUTOMOBILE TRANSPORT / POLLUTION / NATURAL GAS / PASSENGER TRANSPORTATION

Аннотация научной статьи по прочим технологиям, автор научной работы — Каримходжаев Назиржон, Нумонов Мухаммадалишохрухбек Зокиржон Угли

Произведен анализ загрязнения атмосферы выбросами выхлопных газов автомобилей, описаны их вредные воздействия на окружающую среду и человека, предложено использование природного газа как альтернативного вида топлива в решении экологических проблем.

COMPARATIVE ANALYSIS OF VEHICLE EXHAUST GAS TOXICITY AND WAYS OF ITS REDUCTION

The analysis of atmospheric pollution emissions of exhaust gases of automobiles, described their harmful effects on the environment and humans, there is provided the use of natural gas as the alternative fuel in solving environmental problems.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТОКСИЧНОСТИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ АВТОМОБИЛЕЙ

И ПУТИ ЕЕ СНИЖЕНИЯ

Андижанского машиностроительного институт,

Республика Узбекистан E-mail: nazirjon2 019@mail. ru

Нумонов Мухаммадалишохрухбек Зокиржон угли

Андижанского машиностроительного институт,

Республика Узбекистан E-mail: numanovshox@mail. ru

COMPARATIVE ANALYSIS OF VEHICLE EXHAUST GAS TOXICITY AND WAYS

OF ITS REDUCTION

Andijan machine-building institute, Uzbekistan

Ключевые слова: экологические проблемы; отработавшие газы; вредные компоненты; автомобильный транспорт; загрязнение; природный газ; пассажирские перевозки.

Keywords: ecological problems; exhaust gases; harmful components; automobile transport; pollution; natural gas; passenger transportation.

С ускорением развития производства автомобилей увеличивается количество машин, что является причиной образования пробок на улицах. Это, в свою очередь приводит к резкому росту массового количества токсичного дыма, выходящего из автомобилей, что оказывает вредное воздействие на здоровье человека и окружающую среду. В выхлопных газах содержится около 220 вредных веществ, в том числе

окись углерода (СО), углеводород (ОТ), оксид азота (NOx) и другие газы. Наиболее опасны для здоровья человека: оксид углерода, диоксид азота, которые оказывают отрицательное влияние на сердечно сосудистую и дыхательную системы. В течение суток автомобиль выбрасывает до 1 кг выхлопных газов. Химический состав выхлопных газов опасен не только для здоровья человека, но и животных, растений,

В отработавших газах может содержаться свинец, который опасен для умственного развития людей и особенно губителен для детей, поскольку дети более чувствительны к воздействию токсичного металла. Он опасен еще тем, что накапливается в организме.

Содержащаяся в выбросах сера окисляется и образуются два соединения - диоксид серы (SO2) и триоксид (SO3) серы. При растворении в воде диоксид серы образует кислотные дожди, которые губят растения, увеличивают кислотность озер. Даже при среднем содержании оксидов серы в воздухе (100 мкг/м3), что нередко имеет место в больших городах, растения приобретают желтоватый оттенок. Повышение уровня оксидов серы в воздухе приводит к учащению заболевания дыхательных путей. При совместных концентрациях диоксида серы и взвешенных частиц (в виде сажи и пыли) в у взрослых и детей могут наблюдаться изменения в работе легких.

Химические элементы попадают в организм с выхлопными газами и с выбросами промышленных объектов. Доля загрязняющих веществ, попадающих

в атмосферу от автомобилей составляют 75-90 %. Опасности от выхлопных газов превалируют в крупных городах. Выхлопные газы влияют на демографию, рост инвалидности, на здоровье населения. Стремительное развитие автомобильной промышленности, потоки машин в мегаполисах, многочасовые пробки, все это в конечном итоге наносит огромный вред здоровью населения. Загрязнение окружающей среды отрицательно влияет на организм, если физические и химические параметры превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) [1].

В настоящее время мировой автомобильный парк насчитывает более 750 млн единиц и продолжает расти. По статистике каждые две секунды с конвейеров автомобильных заводов сходит новый автомобиль, что приводит к резкому повышению автомобилизации населения мира. В 2005 г. на 1000 человек в мире приходилось около 120 автомобилей, а в 2025 г. эта цифра увеличится до 160 единиц [2].

По оценкам зарубежных специалистов, если сегодняшний темп прироста автомобилей сохранится в ближайшие 20 лет, то уже к 2025 г. в мире будет свыше 1,5 млрд автомобилей. Естественно, что столь интенсивное развитие автотранспорта стало оказывать серьёзное негативное воздействие на все компоненты биосферы, причем наибольшая доля загрязнения атмосферы выхлопными газами приходится легковому автомобилю (рис.1).

Рисунок 1. Структурные доли загрязнения окружающей среды различными видами автомобилей, %

Так, только один легковой автомобиль поглощает из атмосферы за год в среднем больше 4 т кислорода, выбрасывая с отработавшими газами примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводородов.

Только в России общее количество вредных веществ, ежегодно выбрасываемых автомобильным

транспортом в атмосферу, превышает цифру в 30 млн т.[ 2 ].

Состав и объёмы выбросов во многом зависят от типа двигателя автотранспортного средства. В табл. 1 показан состав вредных веществ в отработавших газах карбюраторных и дизельных двигателей.

Состав вредных веществ в отработавших газах карбюраторных и дизельных двигателей [ 2 ]

Наименование выброса Компоненты отработавшего газа Содержание по объёму, %

1 Азот 74,0 - 77,0 76,0 - 78,0 Нетоксичен

2 Кислород 0,3 - 8,0 2,0 - 18,0

3 Пары воды 3,0 - 5,5 0,5 - 4.0

4 Диоксид углерода 5,0 - 12,0 1,0 - 10,0 Токсичен

5 Оксид углерода 0,1 - 10,0 0,01 - 5,0

6 Углеводороды 0,2 - 3,0 0,009 - 0,5 Токсичны

1 Альдегиды 0 - 0,2 0,001 - 0,009

2 Оксид серы 0 - 0,002 0 - 0,03

3 Сажа, г/м3 0 - 0,04 0,01 - 1,1

4 Бензапирен 0,01 - 0,02 До 0,01 Канцероген

Поскольку, отработавшие газы автомобилей поступают в нижний слой атмосферы, то они находятся практически в зоне дыхания человека. Поэтому автомобильный транспорт следует отнести к категории наиболее опасных источников загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей, которые пролегают вдоль полей, засаженных кормовыми культурами, использующимися в питании домашних животных и людей.

Короткий перечень вышеуказанных источников показывает, что токсичность отработавших газов автомобилей и снижение его уровня до предельно допустимой концентрации является одной из глобальных проблем во всем мире. В настоящее время прогрессивным обществом человечества ведутся глобальные научно-исследовательские работы по резкому снижению количества вредных веществ в отработавших газах автомобилей. Результаты таких исследований показали, что есть несколько способов уменьшить количество вредных веществ в выхлопных газах. Один из самых эффективных методов решения этой проблемы является появление сильного, авторитетного и действенного документа Евростандарт, в котором устанавливаются жесткие требования к экологической чистоте топлива.

Стандартизация - важный аспект любого производства, и особенно выпуска топлива, так как

несоблюдение установленных требований может иметь разрушительное воздействие не только в отношении автомобиля, где оно будет использоваться, но и всей окружающей среды, включая здоровье людей.

С развитием нефтепереработки требования к производимому бензину и дизельному топливу и соответствующие стандарты неизменно ужесточаются, при этом устанавливать и менять их могут сразу несколько сторон, в частности:

• Производители автомобилей с целью обеспечения стабильной работы двигателя и смежных систем в течение установленного срока эксплуатации. Производители топлива, опирающиеся на современные возможности нефтеперерабатывающей промышленности.

• Правительство, устанавливающее порядок транспортировки и хранения топлива, а также требования, относящиеся к его экологичности.

• Для улучшения экологии в странах Евросоюза с 2001 года принята процедура сертификации Евро. Она направлена на то, чтобы урегулировать уровень количества вредных веществ, которые содержаться в выхлопных газах автомобиля до максимально допустимых норм. Требования Евростандарта к экологической чистоте автомобильных топлив из года в год ужесточаются (рис.2).

Рисунок 2. Этапы ужесточения требований Евростандарта к качеству автомобильных топлив

(на примере дизельного топлива)

Сертификат Евро является экологическим сертификатом, подтверждающим соответствие ввозимого в страны автомобиля требованиям Технического регламента. Таким образом, политика Евро направлена на уменьшение содержания в выхлопных газах нежелательных и вредных веществ.

Выделяют стандарты Евро-1, Евро-2, Евро-3, Евро-4, Евро-5 и Евро-6. Во многих странах по закону можно продавать только такие новые автомобили, у которых класс потребляемого горючего составляет Евро-5 или Евро-6.

Однако требования стандарта Евро-6 выполняются только в странах Евросоюза. Например, в настоящее время в России действуют нормативы Евро-4 и Евро-5, а в странах СНГ до сих пор Евро-2, Евро-3 и Евро-4, а в некоторых местах не соблюдаются требованиям даже Евро-2.В Узбекистане, хотя с 2020 года введены в действие нормативы Евро-4 полное выполнение их пока ещё не осуществляется.

Рассмотрим отличие Евро-4 от Евро-5 которое состоит в разнице присутствия в составе топлива таких веществ, как сера, соли тяжёлых металлов, веду-

щих к повышению объёма угарного и углекислого газов, а также азотных оксидов в выхлопных газах автомобиля, что влияет на состояние природы и работу самой машины.

Действующие в России нормативные акты позволяют сейчас производить ДТ лишь трёх классов: Евро-3, 4 и 5, в которых соответственно содержится 300, 50 и 10 мг серы на кг. В России в 2010 г. были введены нормы на выхлопные газы Евро-4. В 2015 в России запретили ДТ класса Евро-3, а в 2016 — и ДТ класса Евро-4.

В связи с тем, что в настоящее время во многих странах в основном придерживаются экологическим требованиям стандартов Евро-4 и Евро-5 рассмотрим различие составов дизельного топлива и бензина соответствующих требованиям этих стандартов.

ДТ Евро-4. В этом дизельном топливе допустимо наличие серы в количестве не более 50 мг на кг. От концентрации данного вещества в ДТ зависит концентрация двуокиси серы в выхлопном газе.

ДТ класса Евро-4 вспыхивает при +55, аналогично ДТ класса Евро-5. Однако концентрация угарного газа в первом равна 1,5 г на кВт*ч, а во втором она намного меньше. На ароматические полициклические углеводороды приходится до 2 процентов от общей массы.

Рисунок 3. Отличие составов дизельного топлива Евро-4 и Евро-5

Учитывая отличия Евро-4 от Евро-5 для бензина, при наличии выбора предпочтительнее пользоваться топливом Евро-5, поскольку сера в нём содержится в меньшем объёме по сравнению с Евро-4. Применение горючего Евро-5 не ухудшает техническое состояние автомобиля.

Инструкции к современным автомобилям должны содержать указание на октановое число

применяемого горючего, а также классификацию его на основе стандартов Евро. При указании бензина Евро-5 нежелательно использование горючего, относящегося к более низкому классу. Основа химического состава данных категорий топлива одна и та же. Такое горючее является углеводородным, сырьём для него является нефть.

Рисунок 4. Отличие составов бензинового топлива Евро-4 и Евро-5

С 2015 года в Европе действуют нормы Евро-6. Согласно этим требованиям, для бензиновых и дизельных двигателей устанавливаются следующие допустимые выбросы вредных веществ (табл.2, г/км):

Допустимые нормы выбросов для бензиновых и дизельных двигателей по Евро-6, г/км

№ Наименование выброса Двигатель

1 Оксид углерода (СО) 1,0 0,5

2 Углеводород (СН) 0,1 -

3 Оксид азота ^Ох) 0,06 0,08

4 Взвешенные частицы (РМ) 0,005 0,005

5 Углеводороды и оксиды азота (HC+N0x) - 0,17

Разработка новых видов бензина и ДТ обусловлена, прежде всего, ужесточением требований к экологической безопасности используемых нефтепродуктов. Они напрямую влияют на состав топлива, а точнее, на количество вредных веществ, содержащихся в нем и образующихся в результате его переработки.

Из выше сказанного следует, что на октановое число стандарт не влияет, а топливо отличается составом, а именно: содержанием монооксидов углерода (СО),оксида азота ^0),углеводорода и взвешенных частиц.

Согласно документу запрещается:

На современном этапе развития двигателестрое-ния проводятся комплексные исследования по улучшению качества топлива с целью совершенствования процесса сгорания, экономичности двигателя и, конечно снижения вредных выбросов двигателем [3].

Одним из путей улучшения качества бензина является уменьшение содержания этиловых соединений в топливе, поскольку свинцовые соединения не сгорают и выбрасываются с отработавшими газами в атмосферный воздух. В настоящее время во многих странах неэтилированные бензины уже находят широкое применение.

Результаты выше проведенных работ позволяют сделать следующие выводы:

1. Проблема экологической безопасности автомобильного транспорта и снижение количества вредных выбросов является важнейшей задачей современности, решение которых возможно как за счет совершенствования конструкции двигателя, так и улучшения качества топлива.

2. Качество применяемого топлива оказывает решающее влияние на экологические показатели автомобильного транспорта.

3. При применении топлива соответствующего требованиям Евро вместо стандартных топлив отечественного производства значительно снижается количество средневзвешенных вредных выбросов в атмосферу.

4. Разработка новых видов бензина и дизельного топлива обусловлена, прежде всего, ужесточением

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_ноябрь. 2020 г.

требований к экологической безопасности исполь- веществ, содержащихся в нем и образующихся в ре-

зуемых нефтепродуктов. Они напрямую влияют на зультате его переработки.

состав топлива, а точнее, на количество вредных

13. Karimkhodjaev N. Dependence of Reliability of Operation and Environmental Safety of Automotive Engines on Fuel Quality // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. - 2020. - Vol. 7. -Issue 10. - P. 15201-15205.

Во второй половине 20 века во многих странах мира произошел резкий скачок развития автомобилестроения. Увеличение количества машин привело к усилению беспокойства как ученых, так и простых обывателей по поводу влияния продуктов сгорания топлива на здоровье человека и на экологию в целом.

Данная проблема загрязнения атмосферы выхлопными газами не потеряла своей актуальности. В их составе присутствует множество токсичных компонентов, поэтому выхлопные газы – одна из главных экологических проблем современности.

Что такое выхлопные газы?

Выхлопными газами автомобилей называют продукты переработки топлива, выбрасываемыми в атмосферу. Их состав и влияние на окружающую среду начали активно изучать еще в 60-е годы 20 века.

За последние десятилетия количество автомобилей на планете значительно увеличилось, а вредные выбросы, возникающие в процессе их работы стали серьезной проблемой. Особенно страдает от них экология крупных городов. Присутствие веществ, содержащихся в их составе, в мегаполисах превышает допустимые нормы и может привести к возникновению различных заболеваний.

Состав выхлопных газов

Состав выхлопных газов автомобилей зависит от качества используемого топлива и типа двигателя. Но отличия будут только в процентном составе тех или иных веществ. Выхлопы автомобилей состоят как из вполне безвредных веществ, так и из достаточно токсичных.

В большей части они состоят из таких газов, как азот, кислород, диоксид углерода и водяные пары. Эти вещества входят в состав атмосферного воздуха и не представляют никакой опасности для людей и окружающей среды. Объем каждой из вредных примесей в составе не превышает 1-2%, реже 5-10%. К опасным для здоровья можно отнести следующие компоненты:

Оксид углерода.
Альдегиды.
Углеводороды.
Диоксид серы.
Сажа
Бензапирен.

Компонент	Объемная доля в бензиновом двигателе, %	Объемная доля в дизельном двигателе, %	Токсичность
Азот	74–77	76–78	нетоксичен
Кислород	0,3–8	2–18	нетоксичен
Водяной пар	3–5,5	0,5–4	нетоксичен
Диоксид углерода	5–12	1–10	нетоксичен
Оксид углерода	0,1–10	0,01–5	токсичен
Углеводороды	0,2–3	0,009–0,5	токсичны
Альдегиды	0–2	0,001–0,009	токсичны
Диоксид серы	0–0,002	0–0,03	токсичен
Сажа, г/м3	0–0,04	0,1–1,1	токсична
Бензапирен, г/м3	0,01–0,02	0–0,01	токсичен

Монооксид углерода и углекислый газ

Эти вещества считаются опасными и наносящими серьезный ущерб экологии. В большинстве стран мира автомобили проходят проверку и сертификацию на соответствие международным нормам по их содержанию в составе выхлопных газов автомобилей.

Вред, наносимый этими примесями, зависит от их концентрации в воздухе. Так малое содержание (до 0,05%) углекислого газа может привести к возникновению головной боли и тошноты, а более высокое (0,5%) – вызывает удушье и смерть в течение 15 минут.

Причиной высокого содержания углекислого газа в воздухе является неполное сгорание топлива. Это чаще всего происходит при прогреве двигателя. Поэтому прогревать автомобиль рекомендуется в хорошо проветриваемом помещении или на свежем воздухе.

Также уменьшить количество указанных веществ в составе автомобильных выхлопов можно при помощи правильной настройки карбюратора, заменой старого воздушного фильтра или регулировкой впрыскивающих клапанов.

Углеводороды и органические масла

Остатки не прогоревших углеводородов и пары органических масел не представляют опасности для здоровья людей. Но под действием солнечных лучей они вступают в реакцию с другими компонентами воздуха и образуют токсичные соединения. Полученные вещества могут вызвать раздражение слизистых оболочек и дыхательных путей. Кроме того, одним из основных элементов смога являются углеводороды и их соединения.

Если следить за состоянием уплотнительных колец, а также настроить карбюратор и свечи зажигания таким образом, чтобы углеводороды в процессе работы двигателя прогорали полностью, то в результате будут выделятся безвредные вещества: углекислый газ и пары воды.

Формальдегид

В результате взаимодействия формальдегида, выделяемого автомобилями, с атмосферным азотом и рядом других компонентов воздуха образуются токсичные соединения. При их достаточной концентрации образуется туман, который может представлять опасность для человека.

Пыль и сажа

Мельчайшие твердые частицы, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей, оседают на обочинах и различных объектах вдоль автомобильных трасс. При постоянном вдыхании подобной пыли и сажи возникает риск развития заболеваний дыхательной и сердечно-сосудистой системы. Из-за малых размеров частиц сажи, они легко попадают непосредственно в кровеносные сосуды и оказывают пагубное влияние на них изнутри.

Возможности полностью исключить данные вещества из состава выхлопных газов пока не существует. Единственной возможностью уменьшить их количество – это применение качественного топлива.

Бензпирен

Бензпирен (Бензапирен) относится к группе полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Данные мутагенные и канцерогенные вещества способны накапливаться в природных объектах, воде и почве. Бензипрен самый распространенный из ряда опасных веществ этой группы. Со временем он накапливается в организме человека и, при достижении определенной критической концентрации, оказывает необратимые воздействия на его здоровье.

Объем выхлопных газов

В среднем при сжигании одного литра топлива выделяется 16 тысяч литров выхлопных газов. Примерный объем газов, выделяемых каждым автомобилем можно вычислить, исходя из среднего расхода топлива на 100 км пробега, заявленного производителем машины. Для этого придется суммировать пройденное расстояние и считать общий объем заправленного топлива.

Выхлопы каждого автомобиля за 1 день или пройденный километр сосчитать просто невозможно. Также нельзя определить общий объем выхлопа большого количества машин, так как неизвестно сколько проезжает ежедневно или ежечасно каждая машина. Поэтому любые данные подобных исследований можно считать сильно усредненными или приближенными.

Влияние выхлопных газов на здоровье человека

Высокая концентрация вредных веществ, содержащихся в выхлопах автомобилей, в атмосфере представляет серьезную опасность для здоровья. Одним из самых быстродействующих и наиболее опасных компонентов автомобильных выхлопов является угарный газ. Он не имеет вкуса и запаха, а при высокой концентрации в замкнутом объеме вызывает тошноту, головокружение, удушье, обмороки и смерть.

Долгое время в качестве автомобильного топлива использовался этилированный бензин, в продуктах его сгорания присутствовал свинец. Этот опасный для человека элемент способен накапливаться в организме. Сейчас этот металл исключен из состава бензина, но за время применения этилированного бензина, свинец мог серьезно повлиять на здоровье жителей крупных городов.

При нагревании углеводородов под воздействием прямых солнечных лучей они окисляются и при вдыхании вызывают раздражение слизистых оболочек глаз и обострение хронических заболеваний дыхательной системы.

Сажа и бензипрен, накапливаясь в организме человека, способны вызвать появление опухолей, в том числе и недоброкачественных.

При классификации веществ, вырабатывающихся в процессе сгорания автомобильного топлива, по степени опасности для человека выделяют 6 основных групп:

Безопасные.
К ним относятся азот и его соединения, водород и водяные пары, кислород, углекислый газ и другие элементы земной атмосферы.
Оксид углерода или угарный газ.
Наиболее опасная составляющая отходящих газов, он способен вызвать отравление и привести к смерти от сильнейшего удушья.
Оксид и диоксид азота.
Эти вещества считаются более опасными чем угарный газ, при длительном воздействии данных газов даже в небольшой концентрации можно заболеть астмой, получить отек легких или хронический бронхит, а также они способствуют развитию заболеваний пищеварительной, сердечно-сосудистой и нервной систем.
Углеводородные соединения.
В эту группу входит множество органических соединений, большинство из которых ядовиты, вредны для сердечно-сосудистой системы или приводят к возникновению опухолей.
Альдегиды.
Вызывают раздражение слизистых оболочек, приводят к заболеваниям дыхательных путей и убивают нервные клетки.
Сажа и мелкодисперсные элементы
Кроме непосредственного влияния на дыхательные пути и кровеносные сосуды способны впитывать в себя вредные вещества и способствовать их накоплению в организме.

Лечение при отравлении

В случае отравления продуктами сгорания топлива следует срочно обратиться в больницу. Для снижения вреда выхлопных газов автомобилей для сердечно-сосудистой системы производят инъекции препаратов для нормализации ее работы.

При отравлении угарным газом проводят искусственную вентиляцию легких, детоксикацию.

Первая помощь при отравлении

При подобных отравлениях необходимо вывести пострадавшего на свежий воздух, расположить его в сидячем или полусидячем положении и срочно вызвать скорую помощь. До приезда медицинской бригады можно укрыть пострадавшего теплым одеялом и дать теплое питье.

Влияние выхлопных газов на окружающую среду

Выхлопы автомобилей влияют на городскую экологию следующим образом:

Загрязнение воздуха, воды и почвы вредными веществами.
Отравление растений, растущих вдоль дорог.
Возникновение ядовитых кислотных осадков.
Отрицательное влияние на сельскохозяйственные и кормовые культуры на полях рядом с дорогами.

Все перечисленные факторы тем или иным образом влияют и на здоровье местных жителей.

Как защититься от выхлопных газов?

Для защиты от вредного воздействия газов в местах большого скопления техники или в автомобильных пробках можно применить противогаз или респиратор. Но они редко имеются под рукой. Уменьшить воздействие автомобильных выхлопов можно при помощи самодельной повязки из шарфа или платка.

Для защиты квартиры , расположенной вблизи дороги или парковки, рекомендуется приобрести плотные стеклопакеты, чаще применять специальные приборы – очистители воздуха и как можно больше времени проводить за городом или в парках.

Влияние загрязнения атмосферы на здоровье человека и окружающую среду

Основные химические загрязнители атмосферы

Основные загрязнители атмосферы: классификация по агрегатному состоянию

Экологический класс транспортного средства: как узнать, таблица, по VIN

Антропогенное загрязнение атмосферы: виды, основные источники, последствия

В последнее время масса усилий направлена на то, чтобы снизить негативное влияние вредных выбросов на экологию. Масштабным источниками токсичных веществ являются многочисленные, активно эксплуатируемые во всех уголках земного шара транспортные средства.

Компоненты отработавших газов
Эксплуатационные решения снижения токсичности
- Контроль и регулировка угла опережения зажигания
- Правильная регулировка системы подачи топлива
- Промывка фильтров
Технические решения
- Каталитическая нейтрализация
- Сажевые фильтры
- Каталитическое восстановление (система нейтрализации SCR)
Видео "Как это устроено? Автомобильный катализатор"

В частности, грузовики, которые, как известно, всегда характеризовались огромным количеством вредных выбросов в атмосферу. Сегодня поговорим о методах снижения токсичности отработанных газов в грузовиках.

Компоненты отработавших газов

Итак, выхлопные газы являются главным источником токсичных веществ в 2- и 4-тактных двигателях внутреннего сгорания, наносящих непоправимый вред окружающей среде. Отработавшие газы представляют собой смесь множества газообразных веществ, у каждого из которых – свои физические и химические свойства.

В составе присутствуют продукты сгорания топлива, аэрозоли, избыточный воздух и масса примесей, включая газообразные, жидкие и даже твердые. В общем и целом выхлопные газы состоят из более чем трехсот веществ, подавляющее большинство которых – токсично.

Вещество	Бензиновые двигатели, % объема	Дизельные двигатели, % объема
N2	74 - 77	76 - 78
O2	0,3 - 8,0	2,0 - 18,0
H2О (пары)	3,0 - 5,5	0,5 - 4,0
CO2	0,0 - 16,0	1,0 - 10,0
CO	0,1 - 5,0	0,01 - 0,5
Оксиды азота	0,0 - 0,8	0,0002 - 0,5
Углеводороды	0,2 - 3,0	0,09 - 0,5
Альдегиды	0,0 - 0,2	0,001 - 0,009
Сажа, г / куб. м	0,0 - 0,04	0,01 - 1,1
Бензипрен -3,4, г / куб. м	10 - 20 * 10-6	10*10-6

Ключевыми токсичными составными элементами выхлопных газов в двигателях транспортных средств и, в частности, грузовиков, являются окись углерода, азота и углеводорода. Также в них содержатся альдегиды, канцерогены, сажа и прочие элементы. В составе автомобильных выхлопов присутствуют дисперсные твердые частицы, в том числе сажа, оксид серы, конденсат, полимерные вещества и альдегиды.

Помимо продуктов сгорания в выхлопных газах от дизельных силовых установок содержатся вещества, образовываемые в результате горения масла, и компоненты, испаряющиеся из активно используемых сегодня присадок к маслу и топливу. 1-2% состава занимают водород, аргон и прочие инертные газы.

Эксплуатационные решения снижения токсичности

Чтобы снизить токсичность отработавших газов, по состоянию на сегодняшний день предпринимается несколько конструктивных решений, активно внедряются новейшие технологии, цель которых – минимизировать негативное влияние автомобильных выхлопов на экологию.

В частности, повсеместно используются инновационные системы впрыска топлива под высоким давлением, а в грузовых транспортных средствах осуществляется чистка отработавших газов уже на выходе из цилиндров.

Речь идет о каталитической нейтрализации, добавлении в отработавшие газы мочевины и дизеля, подаче в цилиндры вторичного воздуха и так далее. Поговорим о наиболее эффективных решениях для снижения токсичности газов более подробно.

Контроль и регулировка угла опережения зажигания

Ключевым элементом любого современного ДВС является система зажигания. Свеча, которая предназначена для образования искры, связана с поршневой системой, благодаря чему в момент, когда ключ поворачивается в замке зажигания, происходит расширение газов, а топливная смесь воспламеняется.

Благодаря правильной регулировке зажигания, во-первых, удается избежать возникновения проблем в момент запуска мотора, а во-вторых, заметно снизить количество вредных выбросов. Выполнить эту процедуру можно своими силами, если знать главные этапы работы.

Итак, одним из наиболее популярных способов уменьшения токсичности отработавших газов является регулировка опережения угла зажигания. Под понятием опережения зажигания подразумевают воспламенение искрой топливной смеси в цилиндре до того, как поршень в нем достигнет верхней мертвой точки.

Дело в том, что для максимального крутящего момента двигателя и его мощности важно, чтобы давление газов в результате сгорания ТВС наибольшей величины достигало на отметке 10-12 градусов выше верхней мертвой точки. Это гарантирует эффективное преобразование силы давления газов в механическую энергию.

Для получения такой эффективности важно выполнить регулировку подачи топлива, согласовать скорость движения поршней и сгорания топливной смеси. Раньше регулировка УОЗ выполнялась на слух: во время езды на четвертой передаче и при скорости около 50 км/час водитель резко надавливал на педаль акселератора.

Если в этот момент была отчетливо слышна незначительная детонация, все в порядке, если ее не было, приходилось на опережение крутить трамблер до тех пор, пока не возникнет характерный звук. Детонации нет дольше, чем одна-две секунды? Трамблер необходимо покрутить на более поздний угол.

Правильная регулировка системы подачи топлива

Непосредственное влияние на состав выхлопных газов оказывает качество рабочей смеси, определяемое т.н. коэффициентом избытка воздуха. Максимальный крутящий момент двигателя достигается, когда коэффициент избытка воздуха находится на уровне 0,9. Обычно это происходит, когда мотор транспортного средства полностью нагружен. Об оптимальной топливной экономичности можно говорить, если коэффициент избытка воздуха находится на отметке в 1,1.

Это позволяет получить также минимальный уровень выбросов углеводорода и монооксида углерода, но вот количество выбросов оксидов азота достигает наивысшей отметки. Регулировка подачи топливной смеси выполняется для холостого хода. Если ТВС слишком бедная, появляются так называемые пропуски воспламенения, а это еще сильнее повышает выбросы оксидов азота.

Чтобы достичь точного контроля над составом смеси и уменьшить токсичность отработавших газов, активно внедряются системы впрыска топлива, которыми оснащаются все современные грузовики непосредственно с заводов-производителей.

Промывка фильтров

Еще одним решением, к которому прибегают для уменьшения количества вредных выбросов, является промывка фильтра. Выполняется она в следующей последовательности:

Вывернуть сливную пробку и слить масло, после чего пробку вернуть на место.
Снять колпак фильтра, а также обе секции фильтрующих элементов (наружную и внутреннюю).
Удалить с колпака присутствующие на нем отложения.
Поместить фильтрующие элементы в емкость с растворителем на несколько часов, после чего аккуратно промыть их щеткой, соблюдая правила техники безопасности при работе с ядовитыми веществами.
Поместить очищенные элементы в емкость с чистым бензином, прополоскать каждый из них и хорошо продуть.
Промыть колпак фильтра, для этого можно использовать дизтопливо.
Собрать тщательно промытый фильтр и установить его на место.
Запустить мотор, дать ему поработать около 5 минут, проверить фильтр на предмет наличия подтеканий в особенности на средних оборотах.

Технические решения

Помимо описанных выше методов снижения вредных выбросов существует и ряд технических решений, внедряемых в конструкцию транспортного средства как непосредственно во время сборки, так и кустарным образом. Поговорим о самых распространенных из них более детально.

Каталитическая нейтрализация

В основе каталитического действия нейтрализаторов лежит поверхностное окисление токсичных веществ без образования пламени. Для ускорения реакции используются катализаторы, а окисление происходит в момент, когда отработавшие газы преодолевают слой носителя. Именно на этот носитель катализатор и наносится.

Оперативность реакции в таком случае зависит от того, какой температуры достиг носитель. Благодаря использованию такого решения становится возможным дожиг монооксида углерода и углеводорода, а также полное разложение оксидов азота, как следствие – вредные вещества полностью нейтрализуются и не попадают в окружающую среду.

Функцию катализаторов, активных компонентов выполняют благородные металлы, в частности, платина и палладий, а также оксиды меди, ванадия, кобальта, марганца, хромат железа и пр.

Кроме перечисленных выше элементов эффективная нейтрализация может осуществляться с использованием сплава меди, оксида хрома и ванадиевого ангидрида, хорошими катализаторами являются также металлические сплавы.

Сажевые фильтры

Для эффективной очистки выхлопных газов грузовые транспортные средства оснащаются сажевым фильтром. В нормальных условиях эксплуатации он задерживает отработавшие частицы, но имеет свойство забиваться. Для возвращения детали требуемых характеристик рекомендуется выполнить промывку сажевого фильтра. Для нее нужно сделать следующее:

Прогреть двигатель ТС до рабочей температуры и заглушить его.
Подготовить пневмопистолет со специальной жидкостью (профессиональной промывкой).
Подставить под выхлопную трубу старую грязную емкость, которую потом не жалко будет выбросить.
Снять датчик давления и/или температуры, который находится перед фильтром.
Вставить в отверстие наконечник пистолета.
Вводить жидкость для промывки на протяжении 1 минуты, затем подождать, пока она осядет (3-4 мин.) и повторить манипуляцию несколько раз, пока не будет использовано все средство.
Подождать, пока жидкость разъест все отложения (около получаса).
Завести мотор, дать ему поработать 5-6 мин. при высоких оборотах, затем заглушить.
Залить в пневмопистолет средство для второго этапа очистки (как правило, она так и называется, например, DPF Flush Step 2).
Распилить его точно так же, как это делалось на предыдущем этапе – пошагово.
Запустить двигатель, дать ему поработать минут 10-15 при высоких оборотах. При этом из выхлопной трубы должна пойти пена. Важно, чтобы мотор работал до тех пор, пока активное пенообразование не прекратится.
Заглушить двигатель, продуть сильным потоком воздуха отверстие, через которое подавалась промывочная жидкость.
Завести мотор очередной раз, дать ему поработать не менее 5 минут.

Описанная выше процедура весьма эффективна, но для достижения максимального эффекта специалисты советуют запустить процедуру регенерации сажевого фильтра. Она проходит автоматически, занимает не более 20 минут и позволяет полностью очистить деталь, сжигая все накопившиеся в ней частицы.

Каталитическое восстановление (система нейтрализации SCR)

Хорошо зарекомендовало себя так называемое избирательное каталитическое восстановление SCR, когда реакция нейтрализации проходит в избирательном порядке – сжигаются лишь определенные вещества, как правило, это оксиды азота.

В процессе химической реакции вредные компоненты распадаются, образуя азот и воду, которые не несут никакого вреда окружающей среде. Чтобы процесс пошел, в поток отработавших газов вводится восстановитель, роль которого обычно играет мочевина.

Заключение

Из описанного выше можно сделать вывод о том, что в настоящее время существует немало готовых конструктивных решений, а также доступных и распространенных методов снижения количества вредных компонентов в отработавших выхлопных газах. Повсеместное их применение позволяет уменьшить вред экологии и приблизить двигатели современных грузовиков к требуемым стандартам.

Не нужно считать, что скопления углеводородов (CH) и окислов азота (NOx), под воздействием солнечного света и химических реакций превращающихся в смог, — примета лишь современности. Первое упоминание об удушливых облаках, повисающих над городом, относится к 1942 году. Дело было в промышленно развитой Калифорнии. Спустя восемь лет смог для этого штата стал обычным явлением, из-за чего во второй половине 60-х в нем вступили ограничения по концентрации вредных выбросов в выхлопе. Остальная Америка пришла к этому позже. В 1970 году был принят закон, по которому для автомобилей 1975 модельного года строго регламентировалось процентное содержание CH, NOx и окиси углерода (CO). В это же десятилетие к законодательному регулированию вредных выбросов пришли в Европе и Японии.

Ядовитая завеса вызывает и тем более осложняет болезни дыхательных путей. Для астматиков и прочих это явление порой буквально смерти подобно

Каталитические нейтрализаторы, или конвертеры (в народе просто катализаторы), появились как раз в первой половине 70-х и, как вы понимаете, автопроизводители США какое-то время здесь были на передовых ролях. Что любопытно, помимо непосредственного снижения токсичности выхлопа эти устройства потянули за собой модернизацию сразу нескольких направлений развития автомобилестроения. Это обуславливалось самим принципом их действия, который, кстати, не изменился до сих пор.

Какое-то время и на разных моделях нейтрализаторы соседствовали с карбюраторами или механическим впрыском. Например, Chrysler (на фото модель New Yorker образца 1979 года, V8 объемом 5,2 или 5,9 л), обжегшись с электронным управлением подачей топлива еще в 50-х годах, переводить на него свои моторы не спешил. Но предельные нормы содержания различных элементов в выхлопе были утверждены законодательно — приходилось как-то увязывать катализатор и карбюратор

Экология — двигатель прогресса

Для того чтобы сделать топливовоздушную смесь стабильной, карбюраторы начали дополнять электронным управлением. В 1975 году в Штатах же появились транзисторные системы зажигания, к минимуму сводившие пропуски в искрообразовании, от которых топливо догорало в нейтрализаторе и спекало его внутренности. Обратились к системе рециркуляции отработавших газов, которая, снижая температуру сгорания топливной смеси, уменьшает количество окислов азота. Наконец, борьба за экологию, как и желание снять побольше мощности, тоже поспособствовала скорейшему внедрению электронного впрыска — системы, способной наиболее полно раскрыть потенциал катализаторов. Тогда же, в 70-х, произошло еще одно событие — под действием законов и общественности нефтепромышленники отказались от присадок на основе тетраэтилсвинца.

На рисунке слева можно видеть схематичное изображение системы рециркуляции отработавших газов. Она позволяет снизить температуру сгорания горючей смеси и тем самым уменьшить количество окислов азота. Справа клапан EGR после местной эксплуатации. Его чистка прописана в сервисных операциях дилерских автомобилей

А нейтрализаторы продолжили совершенствовать. Четверть века назад бочонок двинулся из-под днища автомобиля в моторный отсек, вплотную к выпускному коллектору. Это понадобилось для быстрейшего его прогрева и уменьшения вредных выбросов сразу после пуска автомобиля — вещества-катализаторы начинают действовать только при 250–300 градусах. Позже предлагались разработки отдельного электроразогрева нейтрализатора мощностью до нескольких кВт. Были системы из двух нейтрализаторов, где первый располагался непосредственно в тракте и работал, пока прогревался основной узел. Устраивались адсорбционные ловушки для углеводородов, придерживавшие их до выхода катализатора на рабочую температуру. Велись и ведутся эксперименты с материалами наполнителя. Жаропрочная керамика сравнительно тяжела и далеко не идеальна для создания сверхтонких сот. Металл для ячеек использовался и ранее, а теперь к нему обращаются вновь — на ином технологическом уровне, используя различные биметаллические сплавы. Легкие, устойчивые к температуре, тонкие, как фольга, благодаря чему можно значительно увеличить площадь напыления платины, палладия и родия.

Узел, похожий на какое-то насекомое, — так называемый катколлектор. Каталитический нейтрализатор, объединенный с выпускным коллектором. Такое расположение первого влияет на его эффективность, однако делает узел дороже и может привести к повреждениям поршневой группы, о чем ниже

К измерению содержания кислорода фирма Bosch пришла еще в 1968 году, однако первый лямбда-зонд появился только спустя восемь лет — на Volvo модели 240/260 для рынка Северной Америки. Чуть позже и другие производители поняли, что без обратной связи с блоком управления нейтрализатору не обеспечить максимальную эффективность

Избавиться от сажи!

В начале 2000-х дошла очередь до дизелей. Их, оборудованных привычными уже каталитическими нейтрализаторами, стали оснащать сажевыми фильтрами (DPF, Diesel Particulate Filter). Дело в том, что температура выхлопных газов в режимах без нагрузки здесь ниже, чем у бензиновых моторов. Ее не хватает для полного сжигания углеродов, так получаются твердые частицы или сажа, которая может пройти через нейтрализатор.

Сажевый фильтр расположили перед катализатором. В нем тоже есть платина и такие же соты-каналы. Только расположены последние в шахматном порядке и делятся на впускные и выпускные. А между ними — фильтры-перегородки, сдерживающие твердые частицы с окислами азота. Первыми его внедрили французы из Peugeot, чуть позже немцы. Toyota в 2003-м пошла дальше — изобрела DPNR (Diesel Particulate NOx Reduction). Вроде бы тот же DPF, однако с принципиальным отличием. Он не накапливает твердые частицы — дожигает их при помощи кислорода, выделяемого из окислов азота, и дополнительной форсунки, подающей солярку в узел. Аналогом тойотовской системы является FAP (Filtre A Particules) от Peugeot. В ней для очищения фильтра от сажи служит присадка на основе редкоземельного элемента церия, которая впрыскивается в дизтопливо по сигналам ЭБУ. Что-то подобное встречается на некоторых моделях Citroen, Ford, Volvo.

Причем японцы всей системе DPNR дают гарантию, равную гарантии автомобиля. Нечто неординарное! Обычно элементы очистки выхлопных газов из договора о ней выводятся. Впрочем, о массовых проблемах с тойотовской NOx Reduction слышать не приходилось. Иное дело обычные DPF и катализаторы — что на дизелях, что на бензиновых моторах.

Впускные каналы сажевого фильтра открыты со стороны двигателя, но закрыты с другого конца. Выхлопные газы проходят через фильтрующие перегородки, оставляя на них сажу с NOx, и попадают в выпускные каналы, открытые со стороны расположенного за DPF нейтрализатора

Очищают выхлоп и с помощью мочевины или AdBlue, как этот продукт называется в Европе — жидкости на основе аммиака, которая реагирует с NOx, после чего образуется просто азот и водяной пар. Впервые появившаяся на Mercedes в 2005 году мочевинная нейтрализация получила большее распространение на тяжелой технике, где она выступает альтернативой системе EGR.

Daimler-Chrysler был как минимум одним из первых, кто обратился к нейтрализации окислов азота с помощью мочевины. У них система называется SCR — Selective Catalytic Reduction. Помимо лучшей экологичности, моторы с AdBlue еще и экономичнее дизелей без нее. Большинство производителей жестко привязывают двигатель к мочевине — без нее он теряет до половины своей отдачи (хотя все это обходится местными умельцами). Речь идет о грузовиках и автобусах. Правда, популярна аммиачная очистка и у американских производителей внедорожников и пикапов

Избавиться от нейтрализатора!

Ко всему прочему оставляет желать лучшего понимание того, с каким сложным и нежным узлом мы имеем дело. От этого страдает общая культура его эксплуатации. Так что же нужно знать и чего остерегаться?

Например, жестких контактов корпуса нейтрализатора о поверхность, от которых может разрушиться керамика. Переливов бензина в камеры сгорания — при неудачных пусках, пропусках зажигания и т. д. — когда топливо собирается в катализаторе и, не успев испариться, воспламеняется и спекает его соты. Попадания туда масла. Сажевый фильтр на дизеле вообще очень требователен к состоянию топливной аппаратуры. Наконец, даже парковать машину надо с умом — не над кучами листьев, сухой травой, прочими легкогорючими массами, способными вспыхнуть от раскаленного корпуса катализатора.

Слева металлические соты, справа — керамические. Не факт, что первые хуже справляются с вредными выбросами. Зато они безопасны для двигателя

Разница в повреждениях нейтрализатора может быть большая, это видно на снимках. Так или иначе, но керамическая пыль готова после этого попадать в цилиндры

Кстати, иной раз начинающие разрушаться керамические соты могут никак о себе не заявлять. Положиться здесь можно только на удачу. Либо на собственную осторожность — вскрыть, посмотреть. Хотя и вскрыть-то в некоторых случаях не удастся — на тех же катколлекторах. Но что делать, если все очевидно? Обратимся к специалистам. Фирм, оказывающих такую услугу, в крупных городах достаточно. И варианты существуют. Впрочем, тут многое зависит от марки, модели, даже рынка сбыта. И как бы это странно ни звучало, от программного обеспечения ЭБУ.

Сейчас ситуация активно меняется — японские производители приходят к блокам управления, в которых можно перепрошивать программное обеспечение. Для компаний из Европы и США это едва ли не традиция. В общем-то также ничего сложного — прошивка замещается той, что отвечает экологическим требованиям Евро-2, для соответствия которым нет необходимости в каталитическом нейтрализаторе. Тут не важно, бензиновый двигатель или дизельный. С последними, кстати, владельцы обращаются тогда, когда уже не помогает прожиг сажевого фильтра. Стоимость удаления аналогична — 3000 руб. Однако работы по электронике сильно зависят от марки и модели. Можно обойтись 14 000–16 000 руб. А в иных случаях цена поднимается до 40 000–50 000 руб. Все равно минимум вдвое дешевле, чем покупка оригинального каталитического нейтрализатора.

На дизельных американских пикапах система рециркуляции отработавших газов — увесистая конструкция (слева), на место которой встают заглушки (справа). Какая-никакая, а еще экономия массы

Словом, современные экотехнологии — тоже в духе нынешних тенденций автомобилестроения. Ладно, требуют вложений средств. Но могут и приговорить святая святых. Тот, кто один раз столкнулся с вынужденным ремонтом ЦПГ, вряд ли будет в будущем покупать новый катализатор — хоть универсальный, хоть от Патриота. Решит проблему кардинально.

Читайте также: