Воздействие двигателей внутреннего сгорания на окружающую среду.

На сегодняшний день к двигателю внутреннего сгорания предъявляются очень жесткие нормы загрязнения, которые требуют всё более хорошего оборудования для очистки выхлопных газов. Например, в США в Калифорнии (где большая концентрация автомобилей) действуют такие нормы, что если бы такой автомобиль попал бы на наших улицах в пробку, то в выходящих из выхлопной трубы этого автомобиля газах содержание вредных веществ было бы меньше, чем в воздухе, поступающем в мотор, и у нас ездили бы по улицам «очистители воздуха»

Почему же тогда безупречно работающий двигатель внутреннего сгорания производит загрязняющие вещества? В бензиновых и дизельных моторах используются очень разные топлива, которые содержат больше всего углеводороды CH. Помимо этого в топливах есть еще некоторые добавки и увеличители октанового числа. При реакции соединений оксида углерода (СО) и кислорода воздуха образуется диоксид углерода, или углекислый газ (CO2) и водяной пар (H2O).

Результатом неполного сгорания является то, что выхлопные газы содержат больше или меньше вредных соединений. Неполное сгорание может быть обусловлено коротким временем горения топлива в цилиндрах мотора, разницей температур горения (более насыщенная смесь, при которой повышается температура горения), разница температуры воздуха, поступающего в мотор (если воздух забирается из-под капотного пространства, где температура поднялась до 70 oC, то в таком расширенном воздухе количество кислорода меньше по сравнению с наружным воздухом с температурой 25 oC). Также неполное сгорание может быть по причине неисправности системы зажигания и других факторов, из-за чего в выхлопные газы содержат больше или меньше вредных веществ.

По науке в воздухе 78% азота (N) и 21% кислорода (O2), остальной 1% образуют другие газы. Для того чтобы при сжигании топливной смеси было как можно меньше вредных остатков горения, смесь должна быть такой консистенции, что на 1 кг бензина приходилось бы 14,7 кг (не литров) воздуха. То же отношение, выраженное в литрах: на 1 литр бензина 9500 литров воздуха (данные BOSCH Gasoline-Engine Management).

Компоненты, содержащиеся в выхлопных газах:

Компоненты, содержащиеся в выхлопных газах можно разделить на вредные и безвредные.

Безвредные:
- Азот N2
- Кислород O2
- Диоксид углерода CO2 см. позже парниковый эффект
- Водяной пар H2O

В выхлопных газах всегда есть кислород. Если большая его часть не израсходована, то состав такой смеси слишком ненасыщенный, или до процесса сгорания не было корректного смешивания кислорода и топлива. При нормальном горении содержание остаточного кислорода очень маленькое, потому как большая часть его всегда используется.
Диоксид углерода (CO2) и водяной пар – остатки горения. Чем больше количество (CO2), тем более полным было горение топливной смеси. Во время горения топлива в цилиндрах мотора остается около 14% (CO2). За это время, когда выхлопные газы проходят катализатор и достигают выхода выхлопного коллектора, повышается объем диоксида углерода до 15%-16%.

Возникший в результате деятельности человека смог промышленных предприятий, выхлопные газы автомобилей и дымовые потоки современных реактивных самолетов больше всего нарушают экологическое равновесие. Содержание углекислого газа в продукте горения углеродосодержащих топливных веществ в течение последних лет сильно возросла. Находящийся в атмосфере углекислый газ препятствует тепловому обмену, который обусловливает чрезмерное нагревание днем и охлаждение ночью. Сжигая фоссильные топливные вещества, человек выбрасывает в атмосферу огромное количество углекислого газа. CO2 образует над землей купол, сохраняющий тепло, это явление ученые называют парниковым эффектом и газ – углекислым газом.
Каждый продавец при продаже нового автомобиля должен указывать, сколько граммов CO2 производит данный автомобиль при прохождении 1 км. Количество CO2 можно уменьшить с уменьшением расхода топлива.

Вредные вещества:
- Монооксид углерода СО (угарный газ)
- Углеводородные соединения HC (несгоревшее топливо и масло)
- Осиды азота NO и NO2 которые обозначаются NOx поскольку O постоянно меняется
- Оксид серы SO2
- Твердые частицы (копоть)

МОНООКСИД УГЛЕРОДА ИЛИ УГАРНЫЙ ГАЗ (СО)

…возникает тогда, когда в составе поступающей в цилиндры мотора смеси слишком мало кислорода. На количество кислорода могут влиять засоренный воздушный фильтр или положение дроссельной заслонки (закрыта или открыта), и, конечно, играет свою роль забытый в закрытом положении воздушный клапан. Большое количество СО возникает, если топливная смесь слишком насыщенная. Продолжительность жизни мотора зависит от состава поступающей в цилиндры смеси. Наибольшее количество СО в выхлопных газах образуется во время горения топливной смеси в цилиндрах. При соприкосновении с воздухом СО реагирует относительно быстро и образуется диоксид углерода СО2. Угарный газ для человека вреден и опасен. Он связывается с красными кровяными тельцами и снижает способность усваивать кислород, так как организм не хочет усваивать углекислый газ и кровные тельца остаются со своей «нагрузкой» на более долгое время, чем обычно. Большее, чем 0,3% содержание угарного газа во вдыхаемом воздухе в течение определенного времени может быть для человека смертельным.


НЕСГОРЕВШИЕ ЧАСТИЦЫ БЕНЗИНА ИЛИ УГЛЕВОДОРОДЫ (НС)

Малое количество кислорода в поступающей в мотор горючей смеси (которое содействует неполному сгоранию в цилиндрах мотора и исходя из этого увеличению количества угарного газа) влияет при неполном сгорании и на увеличение углеводородных соединений и копоти. Также этому способствует и позднее зажигание (если позднее, то остается мало времени на горение топлива) и вышедшая из строя система зажигания (высоковольтные провода, свечи, сломанные контакты), также и насыщенная смесь.
В результате уменьшения давления поступающего в форсунки топлива или засорения форсунок топливные частицы становятся слишком большими и для полного сгорания требуют большего времени, чем получают.
Так называемые «ароматические водородные соединения» имеют острый запах и способствуют возникновению рака. Водородные соединения при взаимодействии с оксидом азота на солнечном свете образуют смог, который практически без запаха, но раздражает слизистую и обладает наркотическим действием. В больших количествах несгоревшие частицы топлива вредны для человеческого здоровья и оказывают влияние, например, на исчезновение лесов.


ОКСИД АЗОТА (NOx)

Основной компонент воздуха азот N2 (около 70%) при нормальных условиях не реагирует с кислородом. Но при больших температурах и давлении (например, в процессе горения топлива в цилиндрах двигателя) происходит химическая реакция, в результате которой образуется монооксид азота (NO). На выходе из цилиндров мотора и реагируя с кислородом, образуется диоксид азота NO2. Эти соединения называют оксидами азота в степени икс (NO+ NO2 = NOx). Количество NOx зависит от температуры горения в цилиндрах в кубической функции, то есть если температура горения повышается (при более насыщенной смеси),то NOx увеличивается в 3 раза в степени.

Для того чтобы уменьшить содержание оксидов азота, в современных автомобилях используют систему возврата выхлопных газов (EGR). Принцип работы: если автомобиль движется по шоссе с одинаковой скоростью, то часть выхлопных газов направляется обратно в цилиндры, и состав топливной смеси ухудшается, температура горения уменьшается и количество NX газа уменьшается до разов «в кубе» Оксид азота в больших количествах раздражает дыхательные органы и появляются признаки отравления. При взаимодействии с солнечным светом и углеводородами оксиды азота способствуют появлению смога и возникновению кислотных дождей. По оценкам ученых содержащийся в выхлопных газах оксид азота влияет на урожайность. Исследование, проведенное в Италии показывает, что выхлопные газы существенно ухудшают качество спермы у молодых и мужчин среднего возраста.


СВИНЕЦ И СОЕДИНЕНИЯ СВИНЦА

Поскольку в настоящее время в основном используется бензин без содержания свинца, или этилированный бензин, то больше не приходится говорить о соединениях свинца в автомобильном топливе.

ТВЕРДЫЕ ЧАСТИЦЫ

Твердые частицы - очень маленькие, которые образуются в процессе несовершенного горения из топлива и масла. Черный дым, который выделяет дизельный мотор при больших нагрузках, в большом количестве содержит твердые частицы. Это происходит, поскольку при больших нагрузках в моторе возникает дефицит воздуха и часть топлива не сгорает. Твердые частицы являются причиной возникновения рака дыхательных путей. При работе дизельного мотора угарного газа СО образуется относительно мало. Углеводород – отход рабочего процесса дизельного мотора, он содержит плохо пахнущие компоненты и является причиной появления смога.
Снижение вредных соединений, содержащихся в выхлопных газах, на требуемый уровень не такое легкое дело, как можно считать. С твердыми частицами казалось бы просто – сделаем процесс горения более эффективным, количество частиц в выхлопных газах уменьшится и расход топлива уменьшится тоже. Более эффективным процесс горения топлива можно сделать с увеличением количества воздуха.
Дизельные моторы работают лучше с излишком воздуха, то есть в камеру сгорания подается немного больше воздуха, чем это необходимо для горения впрыскиваемого топлива. Обычно о воздухе, необходимом для горения, заботится турбокомпрессор. Так как воздух, прошедший через турбокомпрессор, горячий и расширенный, его следует охладить, чтобы в ограниченное пространство камеры сгорания вместить как можно большее количество кислорода. Для этого используется промежуточный охладитель. Эффективность увеличивает и повышение температуры горения, что не совсем правильно, поскольку это в свою очередь способствует увеличению оксида азота.
Если мы хотим уменьшить количество соединений NOX, появляются некоторые моменты: понижение температуры горения, которое уменьшило бы количество оксида азота, делает процесс горения неэффективным и увеличивает появления СО и твердых частиц. Поэтому балансируют производители моторов в поиске между комбинациями наименьших нормам выбросов выхлопных газов и меньшего расхода топлива. Если достигаются хорошие результаты в области выбросов выхлопных газов, то неизбежно увеличивается расход топлива. Прежде всего, расход топлива увеличивается за счет снижения температуры горения.