Ausalt heitgaasidest

Tänapäeval esitatakse sisepõlemismootoritele väga ranged saastenormid, mis nõuavad üha paremaid heitgaaside puhastusseadmeid. Näiteks USAs Californias (kus on suur autode kontsentratsioon) kehtivad sellised normid, et kui selline auto satuks meie tänavatel liiklusummikusse, siis selle auto "tossutorust" väljuvas heitgaasis olev kahjulike ainete kogus oleks väiksem kui mootorisse sisenevas õhus sisalduv kahjulike ainete kogus ja meil sõidaks tänavatel ringi „õhupuhastajad“.

Miks siis laitmatult töötav sisepõlemismootor üleüldse toodab kahjulikke saasteaineid? Bensiini- ja diiselmootorites on kasutusel väga erinevad kütused, mis sisaldavad kõige rohkem süsivesinikke CH. Peale selle on kütustes mõningaid lisaaineid ja oktaanarvu tõstjaid. Süsinikoksiidi (CO) ühendite reageerides õhuhapnikuga tekib süsinikdioksiid või ka süsihappegaas (CO2) ja veeaur (H2O).
 
Ebatäieliku põlemise tulemuseks on see, et heitgaasid sisaldavad vähem või rohkem kahjulikke ühendeid. Ebatäielik põlemine võib olla tingitud lühikesest kütuse põlemise ajast mootori silindris, põlemise temperatuuri erinevusest (normaalsest rikkam segu, mille tõttu suureneb põlemistemperatuur), mootorisse siseneva õhu temperatuuri erinevusest (kui õhku võetakse kapotialusest ruumist, kus temperatuur on tõusnud kuni 70oC, siis sellises paisunud õhus on hapniku kogus väiksem võrreldes välise 25oC õhuga), süütesüsteemi vigadest ja teistest faktoritest, mille tõttu sisaldavad heitgaasid rohkem või vähem kahjulikke aineid.

Teadupärast on õhus 78% lämmastikku (N) ja 21% hapnikku (O2), ülejäänud 1% moodustuvad muud gaasid. Selleks, et küttesegu põlemisel mootoris tekiks võimalikult vähe kahjulikke põlemisjääke, peab küttesegu olema sellise konsistentsiga, et 1kg bensiini kohta tuleks 14,7 kg (mitte liitrit) õhku.

Sama suhe liitrites väljendatuna: 1 liiter bensiini segatuna 9500 liitri õhuga (andmed: BOSCH Gasoline-Engine Management)

Heitgaasides sisalduvad komponendid:
Heitgaasides sisalduvaid komponente võib jagada kahjulikeks ja kahjututeks.
Kahjututeks on:
Lämmastik N2
Hapnik O2
Süsinikdioksiid CO2  V.t hiljem kasvuhooneefekt.
Veeaur H2O

Heitgaasides on alati hapnikku. Kui sellest enamust ei ole ära kasutatud, siis oli segu koostis liiga lahja või põlemisprotsessile eelnevalt ei ole olnud korralikku hapniku ja kütuse segunemist. Normaalsel põlemisel on jääkhapniku sisaldus heitgaasides väga väike sest enamus kasutatakse alati ära. Süsinikdioksiid (CO2) ja veeaur on põlemisjäägid. Mida suurem on CO2 kogus seda täielikum on olnud küttesegu põlemine. Mootori silindrites kütuse põlemise ajal jääb CO2 14% kanti. Selle ajaga, kui heitgaasid läbivad katalüsaatori ja jõuavad heitgaasitorustiku väljundini, tõuseb süsinikdioksiidi mahuprotsent 15% – 16%-ni.

Inimtegevuse tagajärjel tekitatud tööstusettevõtete suits, autode heitgaasid ja moodsate reaktiivlennukite suitsujoad rikuvad ökoloogilist tasakaalu kõige enam. Süsihappegaasi (süsinikku) sisaldavate kütteainete põlemisprodukti sisaldus on viimaste aastate jooksul järjest suurenenud. Atmosfääris leiduv süsihappegaas takistab soojusvahetust, mis põhjustab liigset soojenemist päeval ning liigset jahtumist öösel. Fossiilseid kütteaineid põletades paiskab inimene atmosfääri tohutul hulgal süsihappegaasi. CO2 moodustab maa kohal soojust hoidva kupli, seda nähtust nimetavad teadlased kasvuhooneefektiks ja gaasi kasvuhoonegaasiks.

CO2 norme Eestis autode tehnoülevaatusel kehtestatud ei ole. Vastavalt Keskkonnaministri määrusele https://www.riigiteataja.ee/akt/942852?leiaKehtiv  § 3  iga automüüja uue auto müümisel lisama vastava infotahvlile kui mitu grammi toodab antud auto CO2 ühe kilomeetri läbimisel. CO2 hulka saab vähendada kütusekulu vähendamisega.

Kahjulikud ained on:

Süsinikmonooksiid CO (vingugaas)
Vesinikuühendid HC (põlemata kütus ja õli)
Lämmastikoksiidid NO ja NO2  mida tähistatakse ühiselt NOx kuna O muutub pidevalt.
Vääveloksiid SO2
Tahked osakesed (tahm).

SÜSINIKMONOOKSIID EHK VINGUGAAS (CO)

… tekib siis, kui mootori silindrisse tuleva segu koostises on liiga vähe hapnikku. Hapniku kogust võib mõjutada aga ummistunud õhufilter ja drosselklapi asend (kinni või avatud), muidugi ka suletud asendisse unustatud õhuklapp mängib oma osa. Suurenenud CO kogus tekib, kui tegemist on liiga rikka seguga. Mootori tööiga sõltub silindritesse saabuva segu koostisest. Heitgaasides sisalduv CO kogus on suurim küttesegu põlemise ajal silindrites. Õhuga kokkupuutel CO reageerib suhteliselt kiiresti süsinikdioksiidiks CO2. Vingugaas on inimesele kahjulik ja ohtlik. Ta seob ennast punaste verelibledega ja sellega alandab vere hapniku omandamisvõimet sest organism ei taha omastada vingugaasi ja verelibled jäävad oma "koormaga" tavalisest kauemaks ajaks. Suurem kui 0,3%-ne vingugaasi sisaldus sissehingatavas õhus teatud aja jooksul võib olla inimesele surmav.

PÕLEMATA BENSIINI OSAKESED ehk VESINIKUÜHENDID (HC)

Vähene hapnikukogus mootorisse saabunud põlemissegus (mis aitas kaasa mootori silindrites ebatäielikule põlemisele ja sellest tulenevalt vingugaasi koguse suurenemisele) mõjutab ebatäielikul põlemisel ka vesinikuühendite ja tahkete osakeste (tahma) koguse suurenemist. Samuti mõjutab HC suurenemisele kaasa hiline süütehetk (kui on hiline, siis jääb küttesegu põlemise aeg väikeseks) ja korrast ära süütesüsteem (kõrgepingejuhtmed, küünlad, katkesti kontaktid jne.), samuti ka rikas segu. Pihustitele tuleva kütuse rõhu vähenemise või pihusti ummistumise tulemusena jäävad kütuseosakesed liiga suurteks ja vajavad täielikuks põlemiseks pikemat aega kui nad seda saavad. Nö “aromaatsed vesinikuühendid” on terava lõhnaga ning nad soodustavad nad aitavad kaasa vähi tekkele. Vesinikuühendid koosmõjus lämmastikoksiidiga mõjutatuna päikesevalgusest moodustavad saastesudu, mis on peaaegu lõhnatu, kuid ärritab limaskesta ning on narkootilise mõjuga. Suuremates kogustes on põlemata bensiini osakesed tervisele kahjulikud ning avaldavad mõju näit metsade kadumisele.

LÄMMASTIKOKSIID (NOx)

Õhu põhikomponendiks on lämmastik N2 (umbes 70%), mis ei reageeri normaaltingimustel hapnikuga. Suurel temperatuuril ja rõhul (näit mootori silindris põlemisprotsessis) toimub keemiline reaktsioon, mille tulemusena tekib lämmastikmonooksiid (NO). Väljudes mootori silindrist ja reageerides hapnikuga, moodustub lämmastikdioksiid NO2. Neid ühendeid koos nimetatakse ühiselt lämmastikoksiidideks IKS astmel NO+ NO2 = NOx. NOx hulk sõltub põlemistemperatuurist silindris kuupfunktsioonis st kui põlemistemperatuur suureneb (normist rikkama segu korral) siis NOx suureneb kuni “astmel kolm” korda.

Selleks, et vähendada lämmastikoksiide kasutatakse tänapäeva autodel heitgaaside tagastussüsteemi (EGR). Tööpõhimõte: kui auto liigub ühtlase kiirusega maanteel, siis juhitakse osa heitgaase silindritesse tagasi, millega küttesegu koostis halveneb ning põlemistemperatuur alaneb ja noksgaas väheneb kuni “kuubis” korda. Noksid suuremates kogustes ärritavad hingamiselundeid ja tekitavad mürgitusnähte. Päikesevalguse ja HC koosmõjuna aitavad noksgaasid kaasa sudu ja happevihmade tekkimisele. Teadlaste hinnangul mõjutavad heitgaasis sisalduvad lämmastikoksiid viljakust. Itaalias tehtud uuring näitab, et heitgaasid halvendavad oluliselt noorte ja keskealiste meeste sperma kvaliteeti.

PLII JA PLIIÜHENDID

Kuna tänapäeval kasutatakse peamiselt pliivaba ehk etüleeritud bensiini, siis enam ei tule rääkida pliiühenditest autokütuses.

TAHKED OSAKESED

Tahked osakesed on väga väikesed kübemed, mis tekivad ebatäieliku põlemisprotsessi korral põlemata kütusest ja õlist. Must suits, mida diiselmootor suure koormuse all töötades eritab, sisaldab suurel hulgal tahkeid osiseid, kuna suurel koormusel tekib mootoris põlemisõhu defitsiit ja osa kütust jääb põlemata. Tahked osakesed aitavad kaasa hingamisteedes vähi tekkimisele. Diiselmootori töötamisel tekib süsinikmonooksiidi (CO) suhteliselt vähe. Süsivesinik HC on diiselmootori tööprotsessi jääkaine, sisaldades halvasti lõhnavaid komponente. Ka HC põhjustab sudu teket.

Heitgaasides sisalduvate kahjulike ühendite vähendamine nõutud tasemele ei ole nii lihtne kui võiks arvata. Tahkete osakestega läheks justkui lihtsalt – muudame põlemisprotsessi efektiivsemaks, osakeste hulk heitgaasides väheneb ja kütusekulu väheneb samuti. Efektiivsemaks saab põlemisprotsessi muuta õhu hulga suurendamisega.

Diiselmootorid töötavad paremini õhuliiaga – so põlemiskambrisse antakse veidi rohkem õhku, kui seda on vaja pihustatava kütuse põlemiseks. Tavaliselt hoolitseb mootorikütuse põlemisõhu eest turbokompressor. Et turbokompressori läbinud õhk on kuum ning seetõttu paisunud, tuleks teda jahutada, et põlemiskambri piiratud ruumalasse võimalikult palju hapniku mahutada. Selleks kasutatakse vahejahutit. Efektiivsust suurendab ka põlemistemperatuuri tõstmine, mis ei ole päris õige, kuna see omakorda aitab kaasa NOx suurenemisele.
Kui me soovime vähendada NOx - ühendite hulka, ilmnevad mõned kitsaskohad: põlemistemperatuuri alandamine, mis vähendaks lämmastikoksiidide hulka, muudab põlemisprotsessi ebaefektiivsemaks ja seeläbi suurendab tahkete osakeste ja süsinikoksiidi emissiooni. Seetõttu balansseerivad mootorivalmistajad madalaimate heitgaasinormide ja väiksema kütusekulu kombinatsioonide otsinguil. Kui saavutatakse madalate heitmete osas head tulemused, siis tuleb paratamatult lõivu maksta kütusekulu mõningase suurenemise arvelt. Kütusekulu suureneb eelkõige madalama põlemistemperatuuri tõttu.