Удельный вес автомобильного транспорта в загрязнении атмосферы городов значительно возрос и составляет 40-60 %. В целях защиты окружающей среды во многих странах вводят законы, ограничивающие допустимое содержание токсичных веществ (ТВ) в отработавших газах (ОГ).
Впервые работы по уменьшению выбросов ТВ с ОГ автомобилей стали проводить в штате Калифорния США – самой концентрированной автомобильной зоне.
Автомобильный двигатель – это химический генератор. При сгорании 1 л топлива выделяется до 400 хим. веществ. В продуктах окислительных реакций содержатся окись углерода СО, несгоревшие углеводороды СН, в том числе альдегиды, сажа (в основном твердый углерод), окиси азота NOx, сернистые соединения, свинцовистые и т.д. Кроме ОГ токсичные вещества выделяют картерные газы и топливные испарения. На ОГ приходится 95-98 % всех ТВ (кроме СН – 55 %).
Окись углеродаСО.
Сохраняется в атмосфере 3-4 месяца. Поступая в организм соединяется с гемоглобином крови и приводит к кислородному голоданию, удушению.
Окиси азота No, NO2, N2O3, N2O4 содержатся в атмосфере и тропосфере в защитном озоновом слое О3 на высоте 40-50 км. NOx разрушает озоновый слой. Выделяется при полетах самолетов, ракет, испарений азотных удобрений, автомобилей. Оказывает действие на организм в виде азотной и азотистой кислот в дыхательных путях при соединении с водой. Степень воздействия на организм в 10 раз сильнее СО.
Углеводороды.
32 % предельные, 27 % непредельные, 4 % ароматические, 2 % альдегиды. Всего > 100. по характеру воздействия различают группы: раздражающие и канцерогенные.
Раздражающие – оказывают наркотическое действие, раздражают слизистые оболочки.
Канцерогенные – наиболее опасны, особенно бензапирен С20Н12. они вызывают злокачественные опухоли. Углеводороды олефинного ряда участвуют в образовании смогов – ядовитых туманов, связанных с фотосинтезом. Вредность СН » 0,65 от СО.
Соединения свинца.
Образуются при горении этилированного бензина тетраэтилсвинцом. Это окись свинца, хлористый свинец, фосфат свинца … Поражает центральную нервную систему и печень.
Углекислый газСО2.
Оказывает наркотическое действие. Поглощает в атмосфере длинноволновое теплое излучение и способствует «парниковому эффекту».
Сажа.
Содержится главным образом в ОГ дизелей. Образуется из-за появления зон с дефицитом окислителя в камере сгорания. При переходных режимах работы двигателя из-за впрыска топлива, температурный режим нагружается, появляется дым. Доля сажи в ОГ 0,4-1 %.
Дизели по сравнению с карбюраторными двигателями выделяют меньше СО, СН и NOх, но больше сажи. Это объясняется большим коэффициентом избытка воздуха, лучшим сгоранием.
Нормирование токсичности
По ГОСТ 17.2.2.02-86 и 17.2.2.05-86 установлены предельные нормы вредных веществ в ОГ: СО, NOx, СН, сажи. Нормируются только предельно допустимые выбросы (ПДВ), которые не связаны с гигиеническими показателями предельно-допустимых концентраций (ПДК).
Стандарты СССР согласованы с Правилами №15 и №24, 49, ЕЭК ООН, стандартами СЭВ, ИСО.
Первый стандарт, регламентирующий токсичность, был введен в 1959 г в шт. Калифорния, США. Устанавливались предельные значения СО и СН в ОГ при испытании на динамометрическом стенде по ездовому циклу (разработанному в 1957 г). В 1966 году на базе этого стандарта был разработан федеральный стандарт, который устанавливает не только долю в % от выбросов в ОГ, но и массовые показатели (г/милю) СО – 15,0, СН –1,5, NOx – 2,0.
Япония.
По сравнению с США на единицу площади в Японии автомобилей в 10 раз больше. Первый стандарт принят в 1966 г и регламентировал содержание СО 3 % в ОГ при четырехступенчатом ездовом цикле. Затем вводятся 10 и11 ступенчатый ездовой цикл с регистрацией СО, СН, NOx, свинца, с горячим и холодным пуском двигателя.
Нормы ЕЭК ООН.
Разработаны в 1970 г Правила №15. установлено 3 типа испытаний: I тип – контроль за СО, СН, NOx, при ездовом цикле ЕЭК ООН (европейский цинк); II тип – контроль СО на холостом ходу; III тип – контроль за выбросом картерных газов.
СССР.
Руководствуется стандартами ЕЭК. Разработано несколько стандартов и ОСТов, методик по испытанию и инструкций по проверке и регулировке. ГОСТ 17.2.2.02-86, ГОСТ 17.2.2.05-86.
3. Методика испытаний на токсичность
Ездовой европейский цикл t = 3 мин (рис. 9.1).
|
Рис. 9.1. Ездовой европейский цикл
Цикл повторяется 4 раза без перерыва. ОГ собирают в полиэтиленовый мешок и подвергают анализу. Для испытаний необходим динамометрический стенд с нагрузочным устройством (или инерционный), задатчики режимов движения и газоанализатор.
Газоанализаторы используют для различных методов анализа ОГ.
1) Метод непосредственного измерения – быстрый. Недостаток – возможна адсорбция СН с материалами измерительной системы.
2) Метод анализа общего объема смеси газов за цикл ОГ охлаждают, собирают в мешок и среду анализируют. Простота обработки. Недостаток – адсорбция СН, потеря альдегидов.
3) Метод анализа разбавленных воздухом проб (CVS). ОГ разбавляют воздухом 8 : 1, очищают и подают в мешок. Время анализа каждого компонента 2-3 с. Более точный, меньше потерь, сложный.
Дымомеры и сажемерыпредставлены на рис. 9.2.
Рис. 9.2. Устройство дымомера и сажемера
Дымность округляют по оптической плотности.
Состав и количество сажи по фильтру, сквозь который пропускают ОГ.
Два метода: просвечивания и фильтрация с оценкой почернения
(дымомер) (сажемер)
Хартриджа Боша
Дымо- и сажемеры выпускают фирмы RDM-3 (ГДР), Hartridge (Англия), Volvo (Швеция), Shell (США), Bosh (ФРГ) и др.
Газоанализаторы.
Со определяют по принципу: 1) каталитического окисления СО платиновой нитью с регистрацией повышения ее температуры (ИСО СССР, Элкон Венгрия); 2) изменение теплопроводности ОГ (AST-70, 76, Польша); 3) поглощение инфракрасного излучения (ОА-2209 СССР, Инфрагит ГДР).
СН – 1) инфракрасные анализаторы NDIR; 2) с пламенно-ионизационными датчиками FID.
NOx – 1) метод флуоресценции (NDIR); люминесценции (NDUV).
4. Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на токсичность
Для радикального уменьшения загрязнения в конструкцию двигателя вводят: непосредственный впрыск вместо карбюратора; дожигание ОГ; форкамерно-факельное зажигание; установка нейтрализаторов в впускной системе; применение антидымных присадок (бариевых, марганцевых). Уменьшение угла опережения впрыска, рециркуляция части отработавших газов во впускной трубопровод, совершенствование смесеобразования за счет формы камеры сгорания (предкамерные, вихрекамерные) – возможные способы ограничения загрязнения NOx.
Нейтрализаторы делятся на 1) пламенные нейтрализаторы; 2) каталитические нейтрализаторы – окисление на поверхности катализатора платины. Работает эффективно с кислородным датчиком в системе внешняя-обратная связь; 3) термокаталитические нейтрализаторы – с предварительным подогревом газа; 4) жидкостные катализаторы – для подземных работ, громоздки, замерзают.
Применение газобаллонных автомобилей – со сжиженным газом (пропаном), сжатым газом (природным). Октановое число 90-120, поэтому следует повышать степень сжатия. Меньше износ, больше срок службы моторного масла. Снижается токсичность, но несовершенство аппаратуры дает больше утечки газа.