О ВЫХЛОПНЫХ ГАЗАХ
Современные требования к двигателям внутреннего сгорания становятся все строже, из-за чего приходится совершенствовать устройства, очищающие выхлопные газы. Например, в Калифорнии (США), где велика концентрация машин, действуют такие нормы, что если их машина попала бы на наши дороги, то содержание вредных веществ в выходящих из ее «дымохода» выхлопных газах было бы меньше, чем количество вредоносных веществ, содержащихся в воздухе, попадающем в мотор, то есть по улице ездил бы «очиститель воздуха».
Почему же безукоризненно работающий двигатель внутреннего сгорания вообще производит загрязняющие воздух вещества? В бензиновых и дизельных двигателях используется абсолютно разное топливо, в котором больше всего содержится углеводородов (CH). Помимо прочего, топливо содержит различные добавки и присадки для увеличения октанового числа. При реакции соединений оксида углерода (CO) с кислородом получается диоксид углерода или углекислый газ (CO2) и водяной пар (H2O).
В результате неполного сгорания выхлопные газы содержат больше или меньше вредных веществ. Неполное сгорание может быть обусловлено малым временем горения топлива в цилиндре, отличием температуры горения (обогащенная смесь, из-за чего возрастает температура горения), отличием температуры попадающего в двигатель воздуха (если воздух берется из-под капота, где температура поднялась до 70oC, то в таком расширенном воздухе количество кислорода меньше, чем в 25-градусном воздухе снаружи), ошибками в системе зажигания и прочими факторами – все это влияет на количество содержащихся в выхлопных газах вредных веществ.
Как известно, в воздухе содержится 78% азота (N) и 21% кислорода (O2), оставшийся 1% составляют прочие газы. Для того, чтобы при сгорании топливной смеси в двигателе образовывалось минимальное количество вредных выбросов, топливная смесь должна иметь такую консистенцию, чтобы на 1 кг бензина расходовалось 14,7 кг (а не литров) воздуха.
Выражая то же соотношение в литрах: 1 л бензина, смешанный с 9500 л воздуха (данные: BOSCH Gasoline-Engine Management).
Содержащиеся в выхлопных газах компоненты:
содержащиеся в выхлопных газах компоненты можно поделить на вредные и безвредные.
Безвредные:
азот N2
кислород O2
диоксид углерода CO2 (см. парниковый эффект)
водяной пар H2O
Кислород всегда присутствует в выхлопных газах. Если бы большая его часть не использовалась, то смесь была бы слишком слабой или же проблемы возникали бы при правильном смешивании кислорода и топлива. При нормальном сгорании содержание остаточного кислорода в выхлопных газах крайне мало, так как большая его часть была израсходована. Диоксид углерода (CO2) и водяной пар являются остатками процесса сгорания. Чем выше значение CO2 , тем тщательнее проходил процесс сгорания смеси. Во время сгорания топлива в цилиндрах содержание CO2 составляет порядка 14%. За то время, пока выхлопные газы проходят через катализатор и добираются до конца выхлопной системы, содержание диоксида углерода возрастает до 15–16%.
Образующийся вследствие человеческой деятельности дым промышленных предприятий, выхлопные газы машин и столбы дыма современных реактивных самолетов наносят наибольший вред экологическому балансу. За последние годы в составе продуктов горения возросло содержание углекислого газа (углерода). Находящийся в атмосфере углекислый газ препятствует теплообмену, что способствует чрезмерному потеплению днем и сильному охлаждению ночью. Сжигая ископаемое топливо, человек выбрасывает в атмосферу множество углекислого газа. CO2 формирует вокруг Земли удерживающий тепло купол. Ученые называют подобное явление парниковым эффектом, а газ – парниковым.
В Эстонии нет установленных норм по CO2 при проверке машины на ТО. Согласно постановлению министра по охране окружающей среды https://www.riigiteataja.ee/ert/act.jsp?replstring=33&dyn=874386&id=942852 §3, при продаже новой машины каждый продавец должен прилагать информацию о количестве выбросов CO2 на один километр. Количество CO2 можно сократить при уменьшении расхода топлива.
Вредные вещества:
монооксид углерода CO (угарный газ)
соединения водорода HC (несгоревшее топливо и масло)
оксиды азота NO и NO2, который обозначают NOx, так как O постоянно меняется
оксид серы SO2
твердые частицы (сажа)
МОНООКСИД УГЛЕРОДА, ИЛИ УГАРНЫЙ ГАЗ (CO)
… вырабатывается в том случае, когда в поступающей в цилиндр смеси содержание кислорода слишком низкое. На количество кислорода может повлиять забитый воздушный фильтр и положение дроссельной заслонки (закрыта или открыта), разумеется, и закрытый воздушный клапан может внести свою лепту. Обогащенная смесь может быть причиной возросшего количества CO. Срок службы двигателя зависит от состава поступающей в цилиндры смеси. Во время сгорания смеси в цилиндрах наибольшую ее часть составляет содержащийся в выхлопных газах СО. При контакте с воздухом СО реагирует довольно быстро – в результате получается диоксид углерода (CO2). Угарный газ вреден и опасен для людей. При его связывании с гемоглобином происходит снижение усвояемости кислорода кровью, так как организм не хочет усваивать угарный газ, а кровяные тельца вынуждены работать с привычной «нагрузкой» дольше, чем обычно. Вдыхание воздуха, содержащего более 0,3% угарного газа на протяжении определенного времени может быть смертельно опасным для человека.
Несгораемые частицы бензина или соединения водорода (HC)
Малое количество кислорода в попавшей в мотор горючей смеси (что способствовало неполному сгоранию в цилиндрах двигателя, а это, в свою очередь, привело к увеличению содержания угарного газа) приводит к неполному сгоранию и увеличению содержания соединений водорода и частичек сажи. Также на увеличение количества HC влияет позднее возгорание (в этом случае уменьшается время горения топливной смеси) и неисправное зажигание (высоковольтные провода, свечи, неисправные контакты и т.п.), а также обогащенная смесь. Из-за снижения давления поступающего к форсункам топлива или из-за забитых форсунок, частички топлива остаются слишком большими, что приводит к более длительному времени их сгорания.
Т.н. «ароматные соединения водорода» имеют резкий запах, а также способствуют появлению раковой опухоли. Соединения водорода вместе с оксидом азота под воздействием солнечных лучей образуют загрязняющий смог, который почти не имеет запаха, но раздражает слизистую оболочку, а также имеет наркотическое действие. Большое количество несгоревших частичек бензина вредно для здоровья, а также оно приводит, например, к исчезновению лесов.
Оксид азота (NOx)
Основным компонентом воздуха является азот N2 (почти 70%), который в нормальных условиях не реагирует с кислородом. При высоких температурах и под давлением (например, в цилиндре в ходе процесса сгорания) происходит химическая реакция, в результате которой образуется монооксид азота (NO). При выходе из двигателя и, реагируя с кислородом, образуется диоксид азота NO2. Подобные соединения называются оксидами азота на уровне IKS NO+ NO2 = NOx. Количество NOx зависит от температуры сгорания в цилиндре в кубической функции, то есть при увеличении температуры сгорания (при обогащенной смеси) то содержание NOx увеличивается до уровня в третьей степени.
Для уменьшения количества оксида азота, на современных машинах используется система рециркуляции отработавших газов (EGR). Принцип ее действия: при движении машины по шоссе с одинаковой скоростью часть выхлопных газов снова направляется в цилиндры, что приводит к ухудшению топливной смеси, падает температура горения, а содержание газа падает почти втрое. Большое количество оксида азота раздражает органы дыхания, а также может привести к отравлению. Под воздействием солнца и HC оксиды азота способствуют появлению смога и кислотных дождей. По мнению ученых, содержащийся в выхлопных газах оксид азота сказывается на плодородии. Проведенные в Италии исследования показывают, что выхлопные газы значительно ухудшают качество спермы молодых людей и мужчин среднего возраста.
Свинец и соединения свинца
Так как в наше время используют не содержащий свинец бензин, то есть этилированный, то и говорить о свинцовых соединениях больше не нужно.
Твердые частицы
Твердые частицы – то маленькие крупицы, образующиеся при неполном сгорании из несгоревшего топлива и масла. Черный дым, который вырабатывает дизельный мотор при больших нагрузках, содержит множество твердых частиц, так как при большой нагрузке в моторе возникает дефицит воздуха, и часть топлива не сгорает. Твердые частицы приводят к образованию раковых опухолей в дыхательных путях. Во время работы дизельного мотора образуется довольно мало монооксида углерода (CO). Углеводород HC является отходом рабочего процесса дизельного мотора, который содержит плохо пахнущие компоненты. HC также способствует возникновению смога.
Снижение в выхлопных газах вредоносных соединений не так и просто, как это может показаться. С твердыми частицами еще можно разобраться – сделать процесс сгорания эффективнее, количество частиц в выхлопе уменьшится, как и расход топлива. Улучшить процесс сгорания можно за счет увеличения доли воздуха.
Дизельные моторы работают лучше при избытке воздуха – в камеру сгорания подается больше воздуха, чем нужно для сгорания топлива. Обычно за воздух в камере сгорания отвечает турбокомпрессор. Прошедший через турбокомпрессор воздух теплый, а, значит, расширенный, поэтому его нужно охладить, чтобы в камеру сгорания уместилось как можно больше воздуха. Для этого используется промежуточное охлаждение. Эффективность также увеличивается и за счет температуры сгорания, что не совсем верно, так как это, в свою очередь, способствует увеличению NOx.
Если мы хотим уменьшить количество NOx соединений, то на пути есть загвоздка: понизим температуру сгорания, что уменьшит количество оксида азота, это приведет к неэффективности процесса сгорания, что приведет к увеличению выбросов частиц и оксида углерода. Поэтому производители двигателей балансируют, чтобы выработать комбинации, при которой выхлоп был бы чистым, а расход топлива низким. Если удается понизить число выбросов, то за это приходится платить большим расходом топлива. Прежде всего, расход топлива снижается при понижении температуры горения.
