Источниками выбросов вредных веществ в ДВС е отработавших, картерные газы и пары топлива. Всего вредных веществ выделяется из отработавших газами.
В настоящее время для питания автомобильных двигателей наиболее широко используются жидкое и газовое топлива
, основными составляющими которых являются углеводороды. В процессе сгорания образуются как нетоксичные (водяной пар, углекислый газ), так и токсичные вещества. Последние являются продуктами неполного сгорания или побочных реакций, имеющих место при высоких температурах. Кроме того, некоторые вредные вещества содержатся в топливе и при работе двигателя выбрасываются в окружающую среду. Используемый в двигателях способ сумишеутворення и зажигания топливовоздушной смеси значительно влияет на количество и состав вредных выбросов, поэтому целесообразно отдельно рассматривать вредные вещества, выбрасываемые различными типами автомобильных двигателей.
В бензиновых двигателях с искровым зажиганием,
в которых осуществляется внешнее сумишеутворення, как было показано выше, теоретически (а = 1,0) для сгорания одного килограмма бензина необходимо 14,95 кг воздуха. Однако регулировка карбюратора на такой состав смеси приведет к неустойчивой работе двигателя в режимах малых нагрузок, холостого хода, в режимах разгона и не обеспечит максимальных энергетических показателей при полных нагрузках. Все это обусловливает использование в этих ДВС обогащенной топливовоздушной смеси. Недостаточное количество кислорода является основной причиной повышения выбросов из отработавших газами бензиновых двигателей продуктов неполного сгорания, в первую очередь оксида углерода CO и углеводородов CnHm, представляющие собой газообразные части топлива, которое не сгорело. При обеднении смеси количество углеводородов уменьшается, а затем резко увеличивается. Минимум углеводородов соответствует наиболее стабильной работе двигателя и, как правило, лучшей экономичности.
Часто причиной повышенных выбросов CnHm является неудовлетворительная работа системы зажигания. Особенно много углеводородов выбрасывается в режимах холостого хода.
Основные направления снижения выбросов этих веществ-обеднения смеси и стабилизация ее зажигания. Однако в этих условиях в отработав газах двигателя увеличивается содержание оксидов азота NO и NO2, что объясняется повышение температуры в зоне реакции и наличием избыточного кислорода, который вступает в реакцию с азотом, который является составной воздуха, и инертным газом в обычных атмосферных условиях. Окисления азота начинается при температуре выше 1600 К, а с повышением ее время реакции резко сокращается. Поэтому в режимах частичных нагрузок и холостого хода, вследствие снижения температуры в зоне реакции, количество оксидов азота резко снижается. Концентрация их в отработавших газах достигает максимального значения в режимах высоких частот вращения при нагрузках, предшествующих началу работы економайзерного устройства.
Рассмотрены вредные вещества-продукты реакций углеводородов топлива и составляющих воздуха. Наряду с этими веществами в отработавших газах содержатся вредные вещества, образующиеся из примесей бензина. К ним относится диоксид серы. В бензине содержание серы не превышает 0,15%. В цилиндре двигателя сера окисляется и в виде диоксида выбрасывается в окружающую среду.
В процессе сгорания топливовоздушной смеси, особенно при работе, когда имеет место детонационное сгорания, образуются промежуточные соединения-недоокисленные углеводороды, известные под названием альдегиды. Последние образуются в основном в виде формальдегида (Н2С = О) и акролеина (СН2 = СН = СН = 0).
В бензине содержатся полициклические ароматические углеводороды, например, бенз-а-пирен (С2оНИ2), которые обладают канцерогенными свойствами. Кроме того, полициклические углеводороды образуются и в рабочей полости двигателя.
Для обеспечения бездетонационное сгорания бензина при высоких ступе-нях сжатия, т.е. для повышения октанового числа в бензин добавляют антидетонаторы. Наиболее распространенной в настоящее время веществом, обеспечивающей повышение октанового числа бензина, является этиловая жидкость, состоящая из тетраетилосвинцю - антидетонатора и виносника (хлорнафталины, диброметен и др.)., Что предотвращает отложение свинца на деталях двигателя. Около 70% соединений свинца при работе двигателя выбрасываются в атмосферу.
Кроме отработавших газов, источником загрязнения окружающей среды при эксплуатации бензиновых двигателей является картерные газы и пары топлива. По отношению к выбросам из випрацювавшимы газами выбросы с картерными по CO составляют 2 ... 8%, СнНм-150 ... 300%, ШХ-до 2% [3, 10]. В окружающую среду пары попадают из топливного бака и карбюратора. Опыты [11] показывают, что в воздухе городов состав углеводородов более близок к составу топлива, чем отработавших газов указывает на значительные размеры испарений.
В дизелях для сгорания одного килограмма дизельного топлива теоретически (а = 1,0) необходимо 14,3 кг воздуха. Однако при таком составе смеси энергетические показатели дизеля будут неудовлетворительными, наиболее высоких значений они достигают на обедненной (а> 1,3 ... 1,4) смеси. По мере снижения нагрузки в дизеле смесь обедняется. В этом и заключается одно из преимуществ дизеля по сравнению с бензиновым двигателем. По мере снижения нагрузки вследствие обеднения смеси концентрация CO уменьшается и только в режимах малых нагрузок и холостого хода несколько повышается, что является следствием снижения температуры и замедления окислительных реакций, а также снижение качества сумишоутвопення.
Содержание CnHm в отработавших газах в результате работы на значительно обедненной смеси также значительно меньше по сравнению с бензиновым двигателем, а изменение его от нагрузки аналогичная изменении оксида углерода.
Избыток кислорода в цилиндрах дизеля, а также высокая температура в процессе сгорания способствуют образованию в цилиндрах оксидов азота, которые выбрасываются из отработавших газами дизеля. Концентрация NOx по мере увеличения нагрузки дизеля повышается, хотя при приближении к полной нагрузки интенсивность роста замедляется.
В дизелях процесс сумишеутворення занимает слишком малый промежуток времени и при общем для цилиндра избытка воздуха есть отдельные участки в камерах сгорания, где кислорода не хватает, в частности в ядре факела топлива впрыскивается. При недостаточной концентрации кислорода в условиях высоких давления и температуры имеет место пиролиз топлива с выделением чистого углерода (сажи). Углерод выделяется и в местах, где есть избыток кислорода, но в дальнейшем он здесь полностью сгорает [3]. Количество сажи в отработавших газах дизеля увеличивается с повышением нагрузки и обогащением смеси. Особенно много сажи выбрасывается в окружающую среду при наличии неисправностей в системе топливоподачи (увеличенная цикловая подача топлива, некачественное его распыления форсунками, неправильный угол опережения впрыска и др..).
В процессе самовоспламенения дизельного топлива образуются промежуточные соеди-нения-альдегиды в основном, как и в бензиновом двигателе, выбрасываются из отработавших газами в виде формальдегида и акролеина.
В дизельном топливе в значительно большем количестве, чем в бензине, содержится сера (до 0,5%). При наличии избыточного кислорода в процессе сгорания она окисляется до диоксида и выбрасывается из отработавших газами.
Есть в отработавших газах дизеля и полициклические углеводороды, которые в значительном количестве адсорбируются развитой поверхностью сажи и перемещаются с ее частицами.
Количество вредных веществ, выбрасываемых с картерными газами дизеля меньше, чем у бензинового двигателя. Выбросы NOx составляют 0,2%, CO-0,3 ... 0,5%, углеводородов-0, 1 ... 3,0% вредных выбросов из отработавших газами [10].
Значительно меньше по сравнению с бензиновым двигателем при эксплуатации дизеля выделяется в окружающую среду испарений топлива.
В газовых двигателях, как с искровым зажиганием, так с воспламенением от сжатия токсичность значительно снижается. При работе двигателя с искровым зажиганием на сжатом природном газе, если степень сжатия такая же, как на бензине, концентрация CO в отработавших газах в несколько раз ниже по сравнению с бензином, а концентрации углеводородов и оксидов азота находятся примерно на том же уровне, что и при использовании бензина.
При использовании сжатого природного газа для питания дизеля (газодизеля) значительно уменьшаются выбросы CO и S02, а также дымность отработавших газов, окислы азота остаются практически на том же уровне, что и для дизельного топлива, а концентрация углеводородов несколько повышается за счет метана, который имеет невысокую токсичность по сравнению с другими углеводородами.