Загрязнение атмосферного воздуха при горении топлива в двигателях внутреннего сгорания

Оглавление

Введение

Глава 1. Образование газов в двигателях внутреннего сгорания

Глава 2. Автомобильные выхлопные газы.

2.1. Характеристики выхлопных газов

2.2. Воздействие на организм полициклических углеводородов, оксидов азота и углерода

Глава 3. Мероприятия по снижению выбросов автотранспорта

3.1. Нормирование в области охраны атмосферного воздуха

Правовые основы в области защиты атмосферного воздуха регулируются достаточно большим количеством законодательных актов, среди которых наиболее важными являются:

3.2. Мероприятия по снижению выбросов автотранспорта

Выводы

Использованная литература

Введение

Среди проблем защиты окружающей среды наиболее актуальной проблемой является охрана воздушного бассейна, так как загрязненный воздух является основным фактором, обуславливающим экологическую обстановку. Ежегодно  в мире в атмосферный воздух поступает более 200 млн т оксида углерода до 150 млн т диоксида серы (сернистого газа), свыше 50 млн т оксида азота, более 50 млн т различных углеводородов, более 250 млн т мелкодисперсных аэрозолей и т. д. В 2002 г. насчитывалось 200 городов с общим населением 65,4 млн человек, в которых средине за год концентрации одной или нескольких примесей превышали ПДК максимальные концентрации загрязняющих веществ превысили 10 ПДК в 48 городах с населением 21 млн человек. Проблему загрязнения атмосферы в городах определяют главным образом высокие концентрации бенз(а)пирена, взвешенных веществ, диоксида азота, сероуглерода и формальдегида. В 2002 г. Концентрации бенз(а)пирена превышали ПДК в 157 городах, формальдегида – в 117, диоксида азота – в 103, взвешенных веществ – в 69 городах. Поэтому выбранная тема представляется весьма актуальной в настоящее время.

Целью работы явилось охарактеризовать основные загрязнители атмосферного воздуха при работе двигателей внутреннего сгорания.

Задачи:

1.        выяснить механизм образования газов в двигателях внутреннего сгорания;

2.        дать характеристику выхлопных газов;

3.        определить влияние выхлопных газов на человека и атмосферу;

4.        предложить мероприятия по снижению выбросов автотранспорта.

Глава 1. Образование газов в двигателях внутреннего сгорания
 

В поршневых двигателях внутреннего сгорания рабочее тело состоит из окислителя, топлива и продуктов его сгорания. Окислителем для большинства двигателей служит атмосферный воздух, содержащий 21 % (по объему) кислорода и 79 % инертных газов, в основном азота. При реализации цикла рабочее тело претерпевает физические и химические изменения. В зависимости от типа двигателя, в период впуска в цилиндр поступает либо воздух, либо горючая смесь, состоящая из газообразного или жидкого топлива и воздуха. Воздух или горючую смесь, поступающие в цилиндр и остающиеся в нем к моменту начала сжатия, называют свежим зарядом. В процессе сжатия в цилиндре находится смесь свежего заряда с остаточными газами, которая называется рабочей. В процессе расширения и выпуска рабочим телом являются продукты сгорания топлива.

Подвод теплоты к рабочему телу в действительном цикле осуществляется в результате сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя, что предъявляет определенные требования к физическим и химическим свойствам топлива, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики жидких топлив для двигателей внутреннего сгорания

Сгорание топлива в цилиндрах двигателя протекает согласно следующим реакциям:

; .

Количество кислорода, необходимое для полного сгорания топлива, можно подсчитать следующим образом:

Для топлива, имеющего состав по весу:

весовое количество кислорода, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, составит:

, или

или, исчисляя в кмоль,

.

При расчете состав сухого атмосферного воздуха принимают равным: в % по весу О – 23, N – 77, а в % по объему О – 21, N – 79.

Сгорание топлива в двигателе обычно происходит при некотором недостатке или некотором избытке воздуха по сравнению с теоретически необходимым количеством.

Отношение количества воздуха L (l) в горючей смеси к количеству воздуха L0 (l0), которое необходимо для полного сгорания топлива, называется коэффициентом избытка воздуха:

При работе двигателя состав горючей смеcи изменяется. Горючую смесь принято называть нормальной, если α = 1, бедной, если α > 1 и богатой, если α < 1.

Коэффициент избытка воздуха находится в следующих пределах: для карбюраторных двигателей α = 0.8–1.3, для дизельных – α = 1.2 – 5.

Процесс сгорания сопровождается тепловыми потерями. Часть тепла в процессе сгорания передается в охлаждающую среду через стенки цилиндра. Часть топлива проникает в картер через неплотности поршневых колец. Из-за недостатка времени и несовершенства смесеобразования часть топлива не успевает сгореть и догорает во время расширения. В то же время под влиянием высоких температур происходит расщепление молекул Н2О и CO2 продуктов сгорания, расщеплению сопутствует поглощение тепла.

Коэффициент использования тепла, в зависимости от режима работы двигателя, изменяется в карбюраторных двигателях в пределах 0.85–0.95, в дизельных от 0.7 до 0.9.

При полном сгорании жидкого топлива, когда α≥ 1, образуются следующие основные продукты сгорания: CO2 и Н2О – продукты полного сгорания углерода и водорода, содержащихся в топливе, N2 – азот воздуха и O2 – свободный кислород воздуха.

Глава 2. Автомобильные выхлопные газы.
 

2.1. Характеристики выхлопных газов
 

Выхлопные газы (или отработавшие газы) – основной источник токсичных веществ двигателя внутреннего сгорания – это неоднородная смесь различных газообразных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха, аэрозолей и различных микропримесей (как газообразных, так и в виде жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателей в его выпускную систему. В своем составе они содержат около 300 веществ, большинство из которых токсичны.

Загрязнение атмосферного воздуха, связанное с работой агрегатов автомобиля, имеет три основных источника: отработавшие газы, газы вентиляции картера и системы питания топливом. Распределение основных типов токсичных веществ по источникам неравномерно. В отработавших газах — от 95 до таких соединений, а других — от 2 до 5%. Состав основных соединений в отработавших газах зависит от режима работы двигателя, его технического состояния и состава, а также свойств применяемых топлив и масел.

Сами топлива и смазочные масла до процесса сгорания в двигателе содержат относительно нетоксичные соединения, и прямого вредного воздействия газообразных углеводородов, попадающих в воздух с испарениями, на здоровье человека не обнаружено. Различные легкокипящие углеводороды и неуглеводородные примеси опасны тем, что образуют промежуточные токсичные продукты окисления в некоторых атмосферных химических реакциях.

Основная часть загрязнений, выделяемых двигателем автомобиля, приходится на долю отработавших газов, в составе которых содержится более 300 соединений, опасных для здоровья человека и вредных для окружающей среды.

В среднем состав отработавших газов двигателей автомобилей представлен в табл. 2.

Табл. 2

Состав отработавших газов (ОГ) бензинового двигателя с принудительным воспламенением

Экологическая характеристика компонентов отработавших газов.

1.    Диоксид углерода (СО2). Образуется при полном сгорании топлива. Содержание диоксида углерода в воздухе ненормировано. Усваивается и преобразуется растениями в процессе фотосинтеза.

2.    Оксид углерода (СО). Ядовитый газ, не имеющий запаха и цвета. Образуется при горении богатой смеси (а< 1) вследствие недостатка кислорода для полного окисления топлива. Его концентрация в выпускных газах двигателей с принудительным воспламенением может достигать 6% по объему. В дизелях всегда имеется избыток кислорода (а > 1), и концентрация оксида углерода составляет 0,2—0,3%. Сохраняется в атмосфере около 3—4 месяцев. Предельно допустимые концентрации в воздухе рабочих помещений —20 мг/м3, в населенных пунктах — 3 мг/м3 (максимальная разовая) и 1 мг/м3 — среднесуточная.

3.    Оксиды азота (NOX). В результате воздействия азота и кислорода воздуха в камере сгорания двигателя при высокой температуре образуются оксиды азота. Из шести стабильных газообразных оксидов азота: N2O, NO, NO2, N2O3, N2O4 и N2O5 в отработавших газах содержатся 80—90% NO и 10—20% NO2, т.е. смесь оксида и диоксида азота. Эти два газа составляют около 40% общего выброса оксидов азота в атмосферу больших городов. Некоторое количество оксидов азота может образовываться и за счет азотистых соединений самого топлива.

4. Оксиды серы (SOx). Влияют на здоровье человека, растительный и животный мир, разрушают различные материалы: металлы, краску, строительные материалы, бумагу, текстильные ткани. Предельно допустимая концентрация диоксида серы, мг/м3: в рабочей зоне — 10, максимальная разовая в атмосфере населенных пунктов — 0,5, среднесуточная — 0,05.
5. Углеводороды (СхНy) – органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода, являются токсичными веществами. В выхлопных газах содержится более 200 различных CH, которые делятся на алифатические (с открытой или закрытой цепью) и содержащие бензольное или ароматическое кольцо. Ароматические углеводороды содержат в молекуле один или несколько циклов из 6 атомов углерода, соединенных между собой простыми или двойными связями (бензол, нафталин, антрацен и др.). Имеют приятный запах.
Наличие CH в отработавших газах двигателей объясняется тем, что смесь в камере сгорания является неоднородной, поэтому у стенок, в переобогащенных зонах, происходит гашение пламени и обрыв цепных реакций. Не полностью сгоревшие CH, выбрасываемые с выхлопными газами и представляющие собой смесь нескольких сотен химических соединений, имеют неприятный запах.

6. Твердые частицы отработавших газов. Твердые продукты неполного сгорания топлив и масел увеличивают дымность отработавших газов. Состав твердых частиц связан с режимом работы и различается для бензиновых двигателей и дизелей.