Методы снижения токсичности отработанных газов

 

СОДЕРЖАНИЕ 
 

       ВВЕДЕНИЕ 5

       1 ТОКСИЧНОСТЬ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 7

       1.1 Принцип работы двигателя внутреннего сгорания 7

       1.2 Состав отработанных газов 10

       1.3 Влияние отработанных газов на организм человека 14

       2 МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ РАБОТЫ ДВС 17

       2.1 Технические достижения 17

       2.2 Альтернативные виды топлива 20

       ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22

       СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 23

 

ВВЕДЕНИЕ 
 

На сегодняшний  день одной из наиболее острых проблем  является проблема загрязнения окружающей среды, в том числе загрязнение атмосферного воздуха. Уже ни для кого не секрет, что основными источниками загрязнения атмосферы являются транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Достаточно отметить, что, согласно данным Минздрава РФ, на долю автотранспорта в ряде регионов России приходится свыше 70% от общего объёма выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, в том числе в Пензенской области – 77%, в Санкт-Петербурге – 71%, в Воронежской области – 77%, в Краснодарском крае – 78%. А в Москве в 2001 году все заводы выбросили в атмосферу загрязняющих веществ в 6,5 раз меньше, чем автомобильный транспорт.

Учитывая, что с каждым годом число автомобилей  неуклонно растет, снижению токсичности и нейтрализации отработанных газов в настоящее время уделяется все большее внимание. На сегодняшний день разрабатывается и внедряется множество способов, позволяющих уменьшить токсичность выхлопных газов. К ним относится разработка альтернативных видов топлива; усовершенствование технических достижений, обеспечивающее более полное сгорание топлива ( каталитический нейтрализатор, электронный контроль образования горючей смеси ) , замена традиционного двигателя внутреннего сгорания на более поздние разработки: гибридный, бензиново-водородный, инерционный, электро- двигатели, двигатель Стирлинга.

Об этих способах снижения токсичности работы двигателя внутреннего сгорания и пойдет речь в данном реферате.

 

 
 

       1 ТОКСИЧНОСТЬ РАБОТЫ  ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО  СГОРАНИЯ 
 

       1.1 Принцип работы  двигателя внутреннего  сгорания 
 

       С двигателем внутреннего сгорания, он же карбюраторный или бензиновый, мы встречаемся каждый день, не задумываясь о том, как он работает, когда и как был изобретен, в чем причина того, что именно он – ДВС – составляет 30% от всех видов загрязнения окружающей среды. Пришло время во всем этом разобраться!

       Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей, а следовательно сокращения затрат, один оказался особенно эффективным. Сущность его состояла в устранении части  потерь теплоты перенесением места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра.

       Отсюда  и название – «двигатель внутреннего сгорания».

       Первый  двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 году французским  инженером Этьеном Ленуаром, но эта  машина была еще весьма несовершенной.

       В 1862 году французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл:

1. Всасывание;
2. Сжатие;
3. Горение и расширение;
4. Выхлоп.

       Эта идея была использована немецким изобретателем  Н.Отто, построившим в 1878 году первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал уже 22%, что превосходило значения, полученные при использовании всех предшествующих видов двигателей /1/.

       Современный поршневой двигатель внутреннего сгорания (рисунок 1) состоит из картера-1, цилиндра-2, впускного-3 и выпускного-4 клапанов, крышки (головки цилиндра)-5, поршня-6, шатуна-7 и коленчатого вала-8. Пространство, ограниченное стенками цилиндра, поршня и головки, является камерой сгорания. В камеру сгорания вводятся топливо и воздух, они сжимаются поршнем и затем топливо сгорает. В результате повышения температуры при горении давление газов, образующихся в результате сгорания топлива (в основном СО₂, Н₂О и N₂), повышается (Р~Т), что приводит в движение поршень; поступательное движение поршня через шатун передается на коленчатый вал и преобразуется во вращательное. Двигатели внутреннего сгорания работают при периодическом сгорании топлива. После стадии сгорания, при которой совершается работа, происходит удаление газов из рабочего пространства двигателя, наполнение его топливно-воздушной смесью и сжатие смеси. Наиболее распространены двигатели с повторяющимся рабочим циклом, которые состоят из четырех стадий: впуск рабочей смеси, сжатие рабочей смеси и сгорание, рабочий ход, выпуск отработанных газов. Полный цикл совершается за два поворота коленчатого вала, при этом полезная работа совершается за пол-оборота коленчатого вала, остальные стадии (такты) требуют затрат энергии. Стабильная равномерная работа двигателя обеспечивается наличием в двигателе нескольких цилиндров, соединенных шатунами с коленчатым валом так, что вал вращается при рабочем такте, происходящем поочередно в разных цилиндрах/2/. 

       

 

       Рисунок 1 – Схема поршневого двигателя  внутреннего сгорания. 

       В бензиновых двигателях воспламенение топливовоздушной смеси происходит в результате поджигания электрическим зарядом – искрой.

       Результаты, получаемые при работе четырехтактных двигателей, и конструкция двигателей в большой степени зависят  от соотношения объемов камеры сгорания при нахождении поршня в нижней (V_max) и в верхней мертвой точке(V_min), называемой степенью сжатия: ε=V_max/V_min /2/_. 
 
 
 
 
 

       1.2 Состав отработанных газов 
 

       Состав  отработанных газов не может быть постоянным при всем цикле работы двигателя и при различных  топливах (вид топлива и его качество).Поэтому для рассмотрения данного вопроса воспользуемся таблицами 1,2. Таблица 1 представляет собой зависимость выброса вредных токсичных веществ от режима работы двигателя.

       Таким образом, очевидно, что с увеличением  числа остановок, т.е. наличие холостого хода, увеличивается выброс угарного газа и углеводородов, а число оксидов углерода наоборот уменьшается.

       Таблица 2 наглядно показывает зависимость  количества токсичных веществ от наличия устройств снижения токсичности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Таблица 1 – Зависимость выброса вредных  токсичных веществ от режима работы двигателя. 

 

       Таблица 2 - Зависимость количества токсичных веществ от наличия устройств снижения токсичности. 

 

       Антитоксичные устройства понижают содержание поллютантов примерно в 1,5-2 раза, что не может не сказаться на общем количестве загрязнений, но все же этого недостаточно, т.к. число автомобилей неуклонно растет.

       Стоит сказать, что далеко не все выбросы  токсичны. Некоторые из них не представляют опасности, как для человека, так и для окружающей среды. Это такие вещества как оксид углерода IV, пары воды и сажа.

       Для любых видов транспорта, в том  числе и для автомобильного парка, существуют определенные экологические требования или нормы токсичности. Для бензиновых и дизельных двигателей эти нормы различаются. Для бензиновых двигателей нормируются выбросы СО и несгоревших углеводородов, а для дизельных двигателей – сажа и иногда оксиды азота. Почему же так происходит?

       Все дело в различном составе отработанных газов, который зависит как раз от принципа работы двигателя. Зависимость количества определенных компонентов отработанных газов (в процентах от объема всего выброса) от типа двигателя представлена в таблице 3.

      Необходимо  напомнить, что нетоксичными являются компоненты отработанных газов такие как азот, кислород, водород, водяные пары, а также диоксид углерода. А токсичными - оксид углерода, оксиды азота, многочисленная группа углеводородов, альдегиды, сажа. Причем сажа сама по себе нетоксична, но она адсорбирует на поверхности частиц канцерогенные полициклические углеводороды, в том числе наиболее вредный и токсичный 3,4-бенз-А-пирен. Кроме перечисленных компонентов при сгорании сернистых топлив образуются неорганические газы - диоксиды серы и сероводород.

       В среднем токсичные компоненты составляют 0,2–5% от объема отработанных газов, в зависимости от типа двигателя и режима его работы.

       Рассматривая  таблицу, выясняем, что в бензиновом двигателе, в отличие от дизельного, наибольший выброс следующих токсичных веществ: оксида углерода, альдегидов, углеводородов, оксидов азота и бенз-А-пирена. В дизельном двигателе максимальны выбросы оксида серы и сажи, обладающей сорбирующей способностью. Но, например, нижняя граница выбросов оксидов азота, альдегидов, сажи и оксида серы для карбюраторного двигателя равна нулю, т.е. они вообще могут не образоваться. Когда как для дизеля нулевая нижняя граница существует только для оксида серы (т.к. она содержится только в сернистых топливах) и альдегидов, которые образуются лишь на холостом ходу и при малых нагрузках.

       Таблица 3 – Содержание отработанных газов. 

 

       Таким образом, приходим к выводу, что необходимо очищать отработанные газы в первую очередь от постоянно образующихся веществ, не зависящих от режима работы. Для дизельного двигателя этим веществом является сажа, а доля карбюраторного – оксид углерода.