Экологические аспекты использования двигателей внутреннего сгорания

Введение

Рабочий процесс в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) предполагает образование продуктов сгорания, в состав которого входят вредные вещества, которые затем попадают в атмосферу. К тому же
объемы выделения вредных частиц от двигателя внутреннего сгорания таковы, что они могут существенно менять концентрацию химических веществ, которые входят в состав окружающей среды: воздуха, воды и почвы. Это все приводит к тому, что становится опасно для жизни биологических существ, в том числе человека.
Продукты сгорания в ДВС представляют собой сложную многокомпонентную систему, которая содержит более 250 различных химических веществ. Основные из них оксиды углерода (СО и СО2), оксиды азота NOx, не сгоревшие или частично сгоревшие углеводороды СНх, оксиды серы SOx, образующиеся при сгорании сернистых топлив, органические соединения и твердые частицы. Помимо перечисленных выше компонентов, в продуктах сгорания могут содержаться также фенолы, эфиры фенолов и сложные эфиры, нитрофенолы, спирты, нитропирены и гетероциклические соединения. Большое число условий влияют на концентрацию различных компонентов в продуктах сгорания. Главными из которых являются: тип тепловой машины, вид применяемого топлива и окислителя, конструкцию камеры сгорания, способ смесеобразования и воспламенения топливно- воздушной смеси, условия и механизм горения, а также соотношение смесеобразования.
Для защиты окружающей среды во многих странах введены нормы на уровни
выбросов вредных веществ мобильными и стационарными энергоустановками.
Цель данной работы: изучить экологические аспекты использования двигателей внутреннего сгорания.


1. Выбросы двигателей внутреннего сгорания
Выбросы двигателей внутреннего сгорания (ДВС), как правило, подразделяются на выбросы от ДВС, работающих на бензиновом и дизельном. Разделение обусловлено тем, что бензиновые двигатели работают с образованием топливовоздушной смеси, а дизельные двигатели – с образованием гетерогенной смеси.
Загрязняющие вещества от ДВС, работающих на бензине включают в себя: углеводороды, оксиды углерода, оксиды азота и нерегулярные выбросы. Загрязнения образуются по причине химических реакций и в процессе горения в камере сгорания.
Прорывы части газа через поршневые кольца и выхлопы из цилиндров ДВС – менее интенсивный источник выбросов загрязняющих веществ.
Основная номенклатура выбросов загрязняющих веществ ДВС, работающих на дизельном топливе включают в себя тот же состав, что и бензиновые двигатели, однако в их состав добавляется также углерод (сажевый аэрозоль).
Состав выхлопных газов транспортных средств с различными типами ДВС приведены в таблице 1.

Таблица 1 − Примерный состав вредных веществ в выхлопных газах автомобилей с разным типом ДВС

Объем выбросов оксида углерода и углеводородов у бензиновых ДВС значительно выше, нежели у дизельных.
Общая картина о поступающих в ДВС веществах, а также отработанных веществах, попадающих в атмосферу в составе выхлопных газов представлена на рисунке 1.


Рисунок 1 − Схема поступления и выброса веществ при работе ДВС

Характеристика основных компонентов в составе выхлопных газов:
1. N2 – азот. Азот – вещество негорючее, бесцветное и не имеющее запаха. Является частью элементарного состава атмосферного воздуха (атмосферный воздух состоит из 78% азота, 21% кислорода и 1% прочих газов). Таким образом, азот в составе воздуха попадает в ДВС и участвует при сгорании топлива. Основная часть поступившего в ДВС азота выбрасывается в составе выхлопных газов в атмосферу, однако небольшая часть вступает в реакцию с кислородом, при этом образуются оксиды (NOX).
2. O2 – кислород, который является бесцветным газом, не имеющим запаха и вкуса. Представляет собой важнейший компонент воздуха. В ДВС поступает также в составе атмосферного воздуха.
3. H2O – вода. Может попасть в ДВС в виде влаги в атмосферном воздухе или возникнуть во время прогрева ДВС. Вода по своим характеристикам является безопасным компонентом в составе автомобильных выбросов.
4. CO2 – двуокись углерода, которая является бесцветным и негорючим газом, возникающим в процессе сгорания углеродосодержащего топлива. В результате этого процесса углерод соединяется с кислородом поступившим в ДВС вместе с воздухом. Углекислый газ уменьшает атмосферный слой, защищающий планету от ультрафиолетового излучения, испускаемого Солнцем. По мнению ученых, результатом будет являться постепенный нагрев поверхности Земли.
5. CO – окись углерода. Образуется при неполном сгорании углеродосодержащего топлива. Бесцветен и не имеет запаха, кроме того является взрывоопасным и очень ядовитым веществом. По воздействию на живой организм он блокирует перемещение кислорода красными тельцами крови. Может убить человека при сравнительно небольшой концентрации в воздухе. Однако, как правило, это происходит в небольших пространствах с затрудненной вентиляцией. При условии обычной концентрации в атмосферном воздухе он сравнительно быстро окисляется до более безопасного углекислого газа CO2.
6. NOX – оксиды азота, представляющие собой соединения азота N2 и кислорода O2 (например: NO, NO2, N2O и т.д.). Оксиды азота возникают в результате сгорания в ДВС при высокой температуре и давлении, а также избытка кислорода. Часть оксидов азота токсична

. Часть мероприятий, направленных на уменьшение расхода топлива являются причиной повышения концентрации оксидов азота в выхлопных газах ДВС, т.к. повышение эффективности сгорания топлива достигается при помощи роста температуры, что, в свою очередь, приводит к увеличению выбросов оксидов азота.
7. SO2 – двуокись серы, является бесцветным негорючим газом, обладающим резким запахом. Двуокись серы, по воздействию на человека, приводит к заболеваниям дыхательных путей, однако, ее доля в выхлопных газах, как правило очень мала. Уменьшение выбросов двуокиси серы достигается при помощи уменьшения ее количества в топливе.
8. HC – углеводороды, которые образуются в составе выхлопных газов в результате неполного сгорания углеродосодержащего топлива. Могут представлять собой различные формы (C6H6, C8H18). Их воздействие на человеческий организм различно. Часть соединений раздражает органы чувств, другая часть приводит к развитию злокачественных опухолей (к примеру, бензол).
9. Частички сажи, которые выбрасываются в атмосферу в основном дизельными ДВС. Их воздействие на человеческий организм раскрыто еще в недостаточной мере.
Согласно литературным данным каждый автомобиль выбрасывает в атмосферу с отработавшими газами до 200 различных химических соединений. При этом наибольшее количество токсичных веществ выбрасы-вается автотранспортом в воздух на малом ходу, на перекрестках, останов-ках перед светофорами. Так, на небольшой скорости бензиновый двигатель выбрасывает в атмосферу около 0,05 % углеводородов (от общего выбро-са), а на малом ходу до 0,98 %, окиси углерода соответственно – 5,1 % и 13,8 %. Концентрация оксида углерода в воздухе на оживленных пере-крестках улиц иногда превышает установленные для этих участков предельно допустимые значения. Образование оксидов азота происходит главным образом при непрерывной работе двигателя с полной нагрузкой, что возможно только на участках с небольшой интенсивностью движения транспорта.
Указанные условия работы автомобиля существенно усугубляются при увеличении плотности движения. При работе двигателя на неустановившихся режимах нарушается процесс смесеобразования и горения, что способствует повышенному выделению токсичных продуктов. Переобогащение горючей смеси на режиме разгона ведет к увеличению выброса несгоревшего топлива, продуктов его неполного сгорания и оксидов азота. Особенно переобогащается горючая смесь на режиме принудительного холостого хода, т. е. при торможении двигателем. В этом случае количество оксидов углерода в выхлопных газах может достигать 12 %.
Наименьшее выделение оксида углерода наблюдается при скорости движения 70 км/ч. Данный скоростной режим не характерен для условий города Тюмени. Основные параметры разрешенных скоростей для большинства участков городской транспортной сети 40-60 км/ч, на отдельных участках разрешенная скорость – 80 и 90 км/ч.
Кроме того, неуклонно возрастающая транспортная нагрузка также-является причиной повышенного уровня химического загрязнения как на прилегающих к транспортным потокам территориях, так и на расстоянии от них, поскольку отходящие газы выхлопной трубы автомобиля на пути к месту, где они могут причинить вред, разбавляются атмосферным воздухом.
Степень разбавления зависит не только от расстояния до этого места, но также и от господствующих ветров и погодных условий.
В зависимости от распределения потоков автотранспорта на территории города под влиянием метеорологических условий рассеивания примесей формируются определённые поля концентраций. Регулярные наблюдения за концентрациями основных загрязняющих веществ (средние и средние из мак симальных концентраций) в атмосферном воздухе проводятся для большинства городов.
По федеральным требованиям в атмосферном воздухе необходимо контролировать три группы веществ:
1. Основные вещества: общие взвешенные вещества (пыль), диоксид азота, оксид углерода, диоксид серы (наблюдения за концентрациями дан-ных веществ являются обязательными во всех городах).
2. Специфические вещества: аммиак, бенз(а)пирен, бензол и другие аро-матические углеводороды, кадмий, никель, ртуть, свинец, сероуглерод, сероводород, фенол, формальдегид, фторид водорода (выбираются соглас-но специфике выбросов от источников загрязнения).
3. Озон и мелкие взвешенные частицы (организовывать наблюдения за концентрациями данных веществ также необходимо).
  Загрязняющие вещества также поступают и в почву. Среди тяжелых металлов, наиболее существенно загрязняющих почвы транспортных магистралей, можно назвать свинец, медь, цинк. В Санкт-Петербурге сравнивали содержание загрязняющих веществ в почвах транспортных магистралей, помимо ПДК, с местным геохимическим фоном, в качестве которого были использованы почвы крупных парков, удаленных от центра города, а также почвы наиболее «чистых» адресов города. Средний уровень содержания тяжелых металлов в этих почвах составил для свинца 66 мг/кг, для меди – 52 мг/кг и для цинка – 117 мг/кг.
В это же время содержание этих металлов в почвах транспортных магистралей составляет: цинка – до 200 мг/кг в слое 0-5 см и до 400 мг/кг в слое 5-20 см; меди – до 160 мг/кг в слое 0-5 см и до 200 мг/кг в слое 5-20 см; свинца – до 200 мг/кг в слое 0-5 см и до 270 мг/кг в слое 5-20 см, значительно различаясь по объектам исследования