пустая корзина

4.7.     Зниження токсичності вихлопних газів автотранспортних засобів

 

4.7.1. Особливості конструкції та режимів роботи автотранспортних засобів з позиції екологічної безпеки

 

На промислових підприємствах України широко використо­вують автомобільний транспорт, який виконує значний обсяг як внутрішньозаводських, так і позазаводських перевезень.

Великої шкоди людині та навколишньому природному сере­довищу завдають газоподібні компоненти, що викидаються в ат­мосферу з вихлопними газами автомобілів. Приблизно 60 % за­бруднення атмосфери припадає на автотранспорт. Світовий авто­мобільний парк за останні роки подвоївся. Щорічно у всьому світі випускається більше 25 мли одиниць. У 2000 р. чисельність світо­вого парку автомобілів досягнула понад 500 млн одиниць, з них легкових машин близько 400 млн.

Усі двигуні внутрішнього згоряння, що експлуатуються на ав­томобілях, поділяють на дві групи: карбюраторні та дизельні. Специфіка згоряння палива та склад шкідливих речовин, що викидаються в атмосферу з вихлопними газами, є різними.

Усі карбюраторні двигуни працюють за циклом Отто. Спів­відношення між опалювальними вуглеводнями й повітрям визна­чають так званим коефіцієнтом надлишку повітря а; він відпов­ідає відношенню кількості повітря, що поступило в циліндр дви­гуна, до кількості повітря, теоретично необхідного для повного згоряння заданої кількості палива.

Максимальна швидкість згоряння палива в карбюраторних двигунах і їх максимальна потужність досягається при а = 0,85 - 0,9. Таким чином, сам цикл роботи карбюраторних двигунів зу­мовлює неповне згоряння палива, і як наслідок, виділення токсич­ного компонента (СО) у вихлопних газах. Водночас, слід зазна­чити, що при згорянні палива в циліндричних двигунах виникає висока температура й тиск, що зумовлюють утворення токсичних оксидів азоту.

Встановлено, що якісне горіння палива в карбюраторних дви­гунах супроводжується незначним числом детонацій. Критерієм якості палива є октанове число. Чим більше октанове число, тим краще відбувається процес спалювання палива в карбюраторних двигунах. Для підвищення октанових чисел до бензину додають спеціальні речовини-антидетонатори. Найбільш поширеним ан­тидетонатором є етилова рідина з тетраетилсвинцем (ТЕС), яка під час реакції (спалювання) з киснем утворює дуже отруйну ре­човину у вигляді сполуки свинцю.

Умови горіння палива в циліндрі двигуна сприяють утворен­ню складних ароматичних сполук, деякі з них належать до кате­горії канцерогенних, наприклад 3,4-бензпирен. Якщо в складі є сажа, то такі вуглеводні адсорбуються нею, і при вдиханні затри­муються в легенях людини, що дуже небезпечно для її здоров'я.

У дизельних двигунах спалюється більш високомолекулярне паливо типу лігроїнів і гасу, з температурою початку кипіння 180-200°С. У цих двигунах одночасно відбуваються процеси ви­паровування крапель палива, окислення їх парів, а також дого­ряння окремих крапель у процесі розширення. Такі двигуни пра­цюють при коефіцієнті надлишку а= 1,4-1,7, тому вміст СО у відпрацьованих газах незначний.

У зв'язку з тим, що граничний вміст сірки в дизельних пали­вах вищий, ніж у моторному, кисень знаходиться в надлишку, викиди S02 дизелями вищі. Робота дизельних двигунів створює сприятливі умови для утворення канцерогенних речовин. Однак, свинцю у відпрацьованих газах дизельних двигунів нема, оскіль­ки в паливо не додається антидетонатор у вигляді ТЕС.

Кількісний склад шкідливих речовин у вихлопних газах авто­мобілів наведений у табл. 4.3.

Таблиця 4.3. Кількісний склад шкідливих речовин у вихлоп­них газах автомобілів

Компо­

ненти

Вміст, %

Компо­

ненти

Вміст, %

Карбю­

раторний

двигун

Дизель­

ний

двигун

Карбюратор­ний двигун

Дизельний

двигун

N2

74-77

76-78

Оксиди

азоту

0-0,8

2 X 10-4-0,5

О2

0,3-8,0

2-18

Вугле­

водні

0,2-3,0

1 х 10-3-0,5

Н2О

(пара)

3,0-5,5

0,5-4,0

Альде­

гіди

0,2-0,2

1 х 10-3-9 x 10-3

СО2

5-12,0

1,0-10,0

Сажа

0-0,4 г/м3

0,01-1,1 г/м3

СО

5,0-10,0

0,01-0,50

Бензпи-

рен

(10-20) х 106 г/м3

до 1 х 10-5 г/м3

Отже, екологічно безпечними є дизельні двигуни внутрішньо­го згоряння.

 

4.7.2. Способи зниження токсичності вихлопних газів

 

Підвищення екологічних показників автотранспортних засобів можливе завдяки проведенню комплексу заходів щодо вдоскона­лення конструкції та режиму експлуатації. Екологічні показни­ки автомобілів можна покращити, підвищивши їх економічність, замінивши бензинові двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) ди­зельними, та іншими заходами (рис. 4.2).

Важливим фактором підвищення економічності автомобілів є поліпшення аеродинамічних показників кузовів, зниження опо­ру повітря фільтрів і глушників та ін.

Найбільшого зниження токсичності ДВЗ автомобілів можна досягти завдяки використанню нейтралізаторів відпрацьованих газів. Нейтралізатор - це додатковий пристрій, який вводиться у вихлопну систему двигуна для зменшення токсичності відпра­цьованих газів.

Зараз для зниження токсичності вихлопних газів автотранспорт­них засобів використовують рідинні, каталітичні, термічні та ком­біновані нейтралізатори.

Принцип дії рідинних нейтралізаторів базується на розчиненні або хімічній взаємодії токсичних компонентів відпрацьованих (вих­лопних) газів при їх продуванні через рідину визначеного складу: воду, водний розчин сульфіту натрію, водний розчин двовугле­кислої соди.

На рис. 4.13 наведена схема рідинного нейтралізатора, що ви­користовується двотактним дизельним двигуном.

Нейтралізатор працює таким чином. Відпрацьовані гази (ВГ) надходять у нейтралізатор через трубу 1 і поступають у колек­тор 2, а потім у бак 3, де вступають в реакцію з робочою сумішшю. Очищені гази проходять через фільтр 4, сепаратор 5 і вики­даються в атмосферу. Із випаровуванням рідину доливають у ро­бочий бак з додаткового баку 6.

Пропускання відпрацьованих газів дизелів через воду призво­дить до зменшення запаху, альдегіди поглинаються з ефективні­стю 0,5, а ефективність очищення від сажі досягає 0,60-0,80. При цьому трохи зменшується вміст бенз(а)пирену у відпрацьо­ваних газах. Температура газів після рідинного очищення стано­вить 40-80°С. При зниженні температури процес очищення відбу­вається інтенсивніше.

Каталітична нейтралізація відпрацьованих газів ДВЗ на по­верхні твердого каталізатора відбувається за рахунок хімічних перетворень (реакція окислення або відновлення), в результаті яких утворюються нешкідливі або малошкідливі сполуки.

Для нейтралізації у відпрацьованих газах NOx, СО і СпНт вико­ристовують двоступеневий каталітичний нейтралізатор (рис. 4.14).

Відпрацьовані гази через патрубок 4 подаються до відновлювального каталізатора 1. На цьому каталізаторі відбувається ней­тралізація окисів азоту:

Для забезпечення відновлювального середовища перед першим ступенем нейтралізатора двигун автомобіля слід відрегулювати

для роботи з коефіцієнтом надлишку повітря а, близьким до сте­хіометричного. При цьому α > 1,05 активність каталізатора різко падає (середовище стає окисленим). Після відновлювального ка­талізатора для створення окислювального середовища до відпра­цьованих газів через патрубок З підводиться вторинне повітря. На окислювальному каталізаторі 2 відбувається нейтралізація продуктів неповного згоряння СО і СпНт. Основними процесами тут є окислення оксидів вуглецю та вуглеводнів:

Одним із кращих конструктивних варіантів для зниження вмісту твердих частинок (сажі) у вихлопних газах дизельних ав­томобілів вважається установка фільтрів регенеративного типу. Фільтр-сажовловлювач (рис. 4.15, а) - це коміркова конструк­ція з комірками прямокутного перерізу. Матеріал фільтра - по­ристий корцієрит - достатньо міцний, стійкий до агресивних хімічних речовин, спалювання та утворення тріщин при високих температурах.

Другий варіант фільтра-сажовловлювача зображений на рис. 4.15, б. Він виготовлений у вигляді декількох послідовно роз­ташованих пористих перегородок, що характеризуються підви­щеною ефективністю очищення. Дослідами підтверджено, що вміст сажі у вихлопних газах після застосування цих фільтрів змен­шується більш, ніж у 5 разів. Накопичені у фільтрі частинки сажі періодично вилучають, як правило, термічним окисленням. Для цього вихідні гази нагрівають до температури 450°С і вище, при якій займається накопичена сажа.

Сажовловлювачі дизельних ДВЗ забезпечують ресурс 10 тис. км і більше при незначному збільшенні гідравлічного опору. Для цьо­го здійснюють періодичну (через 100 км пройденого шляху) реге­нерацію фільтроелемента.

Незважаючи на те, що викиди токсичних речовин (СО і СпНm ) із картера та паливної системи в основному на порядок нижчі від викидів газів, розробляються методи спалювання картерних газів ДВЗ. Для цього рекомендують застосовувати спеціальний пристрій для знешкодження випаровувань палива із карбюрато­ра та паливного бака (рис. 4.16).

Пристрій складається із трьох основних вузлів: герметичного паливного бака 1 зі спеціальною ємністю 2 для компенсації теп­лового розширення палива; кришки 3 паливно-заправної головки бака з двостороннім запобіжним клапаном для попередження надмірного тиску або розрідження в баку; адсорбера 4 для погли­нання палива при вимкненому двигуні із системою повернення парів у впускний тракт під час роботи двигуна. Адсорбентом тут слугує активоване вугілля.

Дотримання регламенту технічного обслуговування та кон­тролю відпрацьованих газів ДВЗ дозволяє значно скоротити токсичні викиди в атмосферу. Дослідами встановлено, що при 160 тис. км пробігу та відсутності контролю викиди СО зростають в 3,3 раза, а СпНт - у 2,5 раза.