CC BY
128
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% — —
диоксид серы 802 — 0,0018-0,02% 1,0-0,5 0,4-2,5
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
Примечание «—» - показатель не определялся.
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< 1) концентрация СО в ОГ достигает 6-12%. Дизельные двигатели, работающие с большими коэффициентами избытка воздуха, отличаются сравнительно небольшой концентрацией этого токсичного компонента в ОГ, не превышающей 0,4-0,5%). Монооксид углерода СО по сравнению с диоксидом СО2 менее стабилен. Время его существования в атмосфере составляет 2-42 месяца, в течение которого он окисляется до углекислого газа.
В ОГ двигателей внутреннего сгорания содержится до 200 различных углеводородов, представляющих следующие гомологические ряды: алканы или парафины (общая формула СцН^п-г), алкены или оле-фины (СпН2п), цикланы или нафтены (СпНгД алкины (СпНгп-гХ ароматические углеводороды (СпН^-б), в том числе - полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Наиболее значимыми из них являются легкие газообразные углеводороды, ароматические углеводороды и ПАУ. К группе легких газообразных углеводородов СНХ, образующихся при сгорании топлива, относятся метан СН4, этан С2Н6, пропан СзНа, этилен С2Н4, пропилен СзНб, ацетилен С2Н2 и ряд других. Другим источником легких углеводородов в ОГ дви-
гателей с принудительным воспламенением могут быть пары бензина, попадающие в выпускную систему в случае пропусков воспламенения топлива в одном или нескольких цилиндрах. В бензиновых двигателях на долю метана приходится 14-58% от общего содержания в ОГ несгоревших углеводородов, а в дизельных - лишь 2—6% [4]. Другие газообразные углеводороды присутствуют в ОГ дизелей в существенно меньших количествах. При значительном содержании легких несгоревших углеводородов выхлопные газы имеют белый цвет (белый дым).
Из более тяжелых углеводородов следует отметить ароматические углеводороды - бензол С6Н6, толуол СуН^, ксилол С8Ню, триметилбензол С9Н12, значительное содержание которых отмечается в ОГ бензиновых двигателей. Для снижения выбросов этих веществ с ОГ лимитируется содержание в бензинах ароматических углеводородов, в частности бензола. Для ОГ дизельных двигателей более характерно присутствие в них высокомолекулярных ПАУ.
В выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания обнаружено более 20 различных ПАУ. Основой этих углеводородов является структура, называемая бензольным ядром, в которую входят шесть атомов углерода, соединенных в кольцо, с тремя одинарными и тремя двойными связями. Некоторые ПАУ кроме бензольного ядра имеют одну или несколько боковых цепей. В ОГ дизелей содержатся в основном углеводороды, в молекулы которых входят две, три и четыре кольцевые структуры и 12-20 атомов углерода. Наиболее представительными из них являются неканцерогенные пирен, флуорантен и слаботоксичный хризен, а наиболее опасными -имеющий сравнительно высокую концентрацию в ОГ фенантрен С^Ню [3]. Доля бенз(а)пирена в суммарном выбросе ПАУ составляет до 3,7% у дизелей и 2,1-3,3% -у бензиновых двигателей [3 ]. Однако бенз(а)пирен, несмотря на его невысокую концентрацию в ОГ, - наиболее токсичный и стабильный из перечисленных углеводородов. В камере сгорания (КС) дизеля ПАУ
адсорбируются на присутствующих в ОГ частицах сажи.
Частицы сажи представляют собой пористые формирования углерода С, имеют неправильную форму и линейные размеры 0,1-100 мкм (преимущественно от 0,2 до 5,0 мкм) [2]. Наличие сажи в ОГ двигателей внутреннего сгорания приводит к потере их прозрачности (увеличению оптической плотности) и появлению облака дыма черного цвета. Оптическая плотность ОГ зависит в первую очередь от количества и размеров сажистых частиц, а также от содержания в выхлопе паров воды не-сгоревших частиц масла и топлива. Дымление особенно характерно для дизельных двигателей, работающих на режимах с низким коэффициентом избытка воздуха (а<(1,2-1,3)). Видимое дымление дизелей соответствует содержанию сажи в ОГ, превышающему 0,1 г/м3. В отличие от дизелей в бензиновых двигателях дымность практически отсутствует.
Сажа не единственное твердое вещество, содержащееся в ОГ. Другие твердые вещества - сульфаты (соли оксидов серы) образуются при сгорании серы и ее соединений, содержащихся в топливе и масле. Выброс сульфатов в атмосферу с ОГ дизельных двигателей составляет 5-11 мг на километр пробега транспортного средства, а с ОГ бензиновых двигателей - 1-13 мг [4]. Кроме того, в выхлопных газах присутствуют твердые вещества, образующиеся в результате сгорания моторного масла, попадающего в КС, а также металлы (сталь и чугун Ре, никель N1, медь Си, цинк Ъъ и др.) и их оксиды, являющиеся продуктами износа деталей двигателя и компонентами присадок к топливу и моторному маслу. Причем при большом угаре масла выхлопные газы могут иметь голубоватый оттенок (голубой дым).
Все вещества, улавливаемые специальным фильтром при прохождении через него ОГ, получили название «твердые частицы». Эти частицы состоят из растворимых и нерастворимых в органических растворителях фракций. В быстроходных дизелях соотношение между содержанием в ОГ растворимых и нерастворимых фракций составляет 1:9 [1]. Первые представ-
ляют собой в основном несгоревшие фракции топлива и моторного масла, а последние - сажу. Причем на большинстве эксплуатационных режимов работы дизеля нерастворимые твердые частицы на 20-30% состоят из сажи, а их остальные компоненты - это в основном оксиды металлов и сульфаты. На режимах работы дизеля с низкими коэффициентами избытка воздуха (а< (1,2-1,3)) сажа составляет большую часть массы твердых частиц (до 95-98%).
При сгорании серы 8 и ее соединений, содержащихся в топливе и масле, кроме твердых частиц образуются неорганические газы - диоксид серы (сернистый ангидрид) 802 и триоксид серы (серный ангидрид) 80з, а также сероводород Н28. Концентрация оксидов серы в ОГ дизелей выше, чем в ОГ бензиновых двигателей (см. таблицу 1). Это обусловлено тем, что в дизельных топливах содержание серы существенно выше, чем в бензинах (до 0,2% в дизельном топливе марки Л и до 0,05% в бензинах АИ-95, АИ-98) [3]. В ОГ дизелей на долю диоксида серы приходится 97-98% от общего содержания оксидов серы, а на долю триоксида - 2-3%. Диоксид серы 802 сохраняется в атмосфере от нескольких часов до нескольких дней, а затем окисляется до высшего оксида (триоксида) ЯОз.
Кислородсодержащие углеводороды - альдегиды ЯСНО являются продуктами неполного сгорания и образуются на ранних стадиях окисления углеводородов топлива. Для них характерно наличие в молекуле углеводородного радикала Я и карбонильной группы СНО (за исключением формальдегида, в молекуле которого группа СНО соединена с атомом водорода). В ОГ двигателей внутреннего сгорания преобладают низкомолекулярные альдегиды - формальдегид (муравьиный альдегид) НСНО, ацетальдегид (уксусный альдегид) СН3СНО и акролеин СН2СНСНО. Первые два из них представляют гомологический ряд насыщенных альдегидов, третий - ненасыщенных. В ОГ дизельных двигателей на долю формальдегида приходится 71-91%о от общего содержания альдегидов (в бензиновых двигателях - 60%), на долю
акролеина - 9-22%. Остальные 10—15% составляют ряд других альдегидов (аце-тальдегид, толу альдегид, бензальдегид, фурфурол С4Н3ОСНО). В целом в ОГ бензиновых двигателей содержание альдегидов может достигать 240 мг/м3, а в дизельных двигателях - 30 мг/м3 [4].
В ОГ двигателей с принудительным воспламенением, работающих на этилированных бензинах, присутствует свинец, обладающий сильным токсикологическим действием. Свинец поступает в цилиндры двигателя с топливом в составе антидетонационной присадки - этиловой жидкости, содержащей тетраэти л свинец РЦСгН?).*. В условиях КС из него образуются оксиды свинца (наиболее характерен РЬ205), содержание которых в ОГ бензиновых двигателей достигает 0,02% [1]. В ОГ дизелей оксиды свинца отсутствуют.
Кроме перечисленных токсичных компонентов в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания могут присутствовать также фенолы, нитрофенолы, эфиры фенолов и сложные эфиры, спирты, кетоны (ацетон СН3СОСН3 и др.), нитро-пирены, гетероциклические соединения, в состав кольцевой структуры которых наряду с атомами углерода входят атомы кислорода, азота, серы, ряда других веществ.
Состав выхлопных газов дизелей подобен составу ОГ других типов двигателей, использующих углеводородное топливо. Отличия связаны с особенностями рабочего процесса дизеля (см. таблицу). В общем случае содержание газообразных продуктов неполного сгорания топлива (СО, СНХ) в ОГ дизеля существенно ниже, чем в ОГ бензинового двигателя, что обусловлено главным образом работой с большими коэффициентами избытка воздуха по сравнению с бензиновыми двигателями [3]. Дизель имеет также заметное преимущество по выбросам альдегидов. Содержание в ОГ оксидов азота обычно выше у бензиновых двигателей. Но у дизелей больше расход воздуха и выхлопных газов по сравнению с бензиновыми двигателями. Поэтому выбросы оксидов азота N0* у этих двух типов двигателей соизмеримы. Дизельные двигатели отличаются большими выбросами оксидов серы. Дым-
ность ОГ (содержание сажи С) также выше у дизеля. Это связано в основном с более тяжелым фракционным составом дизельных топлив. Другими причинами повышенного дымления дизелей являются недостаток воздуха на переходных режимах работы, вызванный инерционностью системы турбонаддува, а также недостаток воздуха на режимах с пониженной частотой вращения и полной нагрузкой и ухудшение качества распыливания топлива на этих режимах.
Наиболее вредные компоненты, которые выбрасывают двигатели внутреннего сгорания, это оксид углерода СО, оксиды углеводородов СцН„ь оксиды азота NOx, дизельные двигатели также выбрасывают твёрдые частицы, в основном сажу.
Вышеприведённые данные по составу отработавших газов позволяют их использовать при разработке двигателей и устройств для снижения выбросов вредных компонентов.
Литература
1. Кульчицкий, А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей / АР. Кульчицкий. - Владимир: Изд-во Владимирского государственного университета, 2000. - 256 с.
2. Поливаев, О.И. Фильтр-нейтра-лизатор отработавших газов / О.И. Поливаев, В.А. Байбарин, A.B. Божко // Техника в сельском хозяйстве. - 2007. - № 3. -С. 59-61.
3. Марков, В.А. Токсичность отработавших газов дизелей / В.А. Марков, P.M. Баширов, И.И. Габитов. - Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 376 с.
4. Поливаев, О.И. Очиститель отработавших газов дизеля / О.И. Поливаев, В.А. Байбарин, A.B. Божко // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2007. -№6.-С. 10-11.
5. Пути интенсификации очистки отработавших газов дизеля фильтром-нейтрализатором / О.И. Поливаев, В.П. Шацкий, В.А. Байбарин, A.B. Божко // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2009. - № 4. - С. 18-20.
6. Кравченко, В.А. Конструкция и эксплуатационные свойства автотранс-
портных средств (основы теории и расчёта) / В,А. Кравченко, В.А. Оберемок. - Зерно-град: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2013. - 216 с.
7. Основы теории автотракторных двигателей / JI.A. Нагорский, В.Г. Яровой, В.А. Кравченко, Н.В. Сергеев. - Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2014. - 159 с.
References
1. Kul'chitskii A.R. Toksichnost' avto-mobil'nykh i traktornykh dvigatelei (The toxicity of automobile and tractor engines), Vladimir: Izd-vo Vladimirskogo gosudar-stvennogo universiteta, 2000, 256 p.
2. Polivaev O.T., Baibarin V.A., Bozhko A.V. Fil'trneitralizator otrabotavshikh gazov (Exhaust gas filter-neutral izer), Tekhm-ka v sel'skom khozyaist\>e, 2007, No 3, pp. 59-61.
3. Markov V.A., Bashirov R.M., Gabi-tov l.T. Toksichnost1 otrabotavshikh gazov dizelei (The toxicity of the diesel engines exhaust gases), Moskva: MGTU im. N.E. Bau-mana, 2002, 376 p.
4. Polivaev O.I., Baibarin V.A., Bozhko A.V. Ochistitel' otrabotavshikh gazov dizelya (Purifier of diesel engine exhaust gas), Traktory i seVskokhozyaistvemiye mashiny, 2007, No 6, pp. 10-11.
5. Polivaev O.I., Shatskii V P., Baibarin V.A., Bozhko A.V. Puti intensifikatsii ochistki otrabotavshikh gazov dizelya fil'trom-neitralizatorom (Ways to intensify the diesel exhaust gases purification by filter-neutral izer), Traktory i seVskokhozymstvermye mashiny, 2009, No 4, pp. 18-20.
6. Kravchenko V.A., Oberemok V.A. Konstruktsiya i ekspluatatsionnye svoistva avtotransportnykh sredstv (osnovy teorii i rascheta) (The design and operational properties of vehicle (the basic theory and calculation)), Zernograd: FGBOU VPO AChGAA, 2013, 216 p.
7. Nagorskii L.A., Yarovoi V.G., Kravchenko V.A., Sergeev N.V. Osnovy teorii avtotraktornykh dvigatelei (Fundamentals of the autotractor engines theory), Zernograd: FGBOU VPO AChGAA, 2014, 159 p.
Сведение об авторах Байбарин Василий Алексеевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Тракторы и автомобили», ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра 1» (Россия). E-mail: car205@agroeng.vsau.ru.
Божко Артем Викторович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Тракторы и автомобили», ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» (Россия). E-mail: car205@agroeng.vsau.ru.
Information about authors Baybarin Vasiliy Alexeevich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Tractors and automobiles department, FSBEE HPE «Voronezh State Agrarian University» (Russia). E-mail: car205@agroeng.vsau.ru.
Bozhko Artem Viktorovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of Tractors and automobiles department, FSBEE HPE «Voronezh State Agrarian University» (Russia). E-mail: car205@agroeng.vsau.ru.
