Причины образования токсичных компонентов в ОГ ДВС

2С+О2 →2СО (9)

Так как при нормальной эксплуатации дизелей концентрация СО в отработавших газах обычно не велика (не превышает 0,1—0,2%), то основное внимание в последние годы было уделено анализу механизма образования и сгорания окиси углерода в карбюраторных двигателях.

Рис.2 Равновесные конц

ентрации CO в зависимости от степени расширения

Сравнение равновесных концентраций СО, подсчитанных для идеального цикла с подводом тепла при постоянном объеме в зависимости от расширения смеси (рис. 2), с опытными данными о концентрациях СО в отработавших газах показало, что последние значительно выше равновесных при температуре конца расширения. Значения 0 и 1,0 по оси абсцисс соответствуют началу и концу расширения. Замеренные концентрации СО ближе к равновесным при условиях начала расширения. Исследования последних лет показали, что это расхождение может быть объяснено на основе законов кинетики химических реакций. В качестве реакции, определяющей содержание окиси углерода в отработавших газах, принята реакция (4). Скорость уменьшения концентрации СО (или увеличения концентрации СО2) определяется при этом уравнением

- d [СО]/dτ = К1С [СО] [ОН], (10)

где К1C — константа скорости реакции; К1C =7,10-1012ехр(-32200/RT) см3/(моль∙с) [Т—абсолютная температура, R — универсальная газовая постоянная; Дж/(моль∙К)]; [СО] и [ОН] — концентрации СО и ОН.

При частоте вращения коленчатого вала n=1500 об/мин процесс расширения в четырехтактном двигателе длится около 20 мс. За это время температура изменяется примерно на 1200 К, т. е. скорость изменения температуры составляет около 60 К/(м∙с).

В определенный момент расширения происходит "закалка" продуктов догорания окиси углерода. При составе смеси, близкой к стехиометрическому, температура "закалки" равна примерно 1020 К. По мере обогащения смеси температура "закалки" несколько увеличивается, приближаясь при α ≈0,7 к максимальной теоретической температуре цикла.

Углеводороды СХНУ — свыше двухсот различных углеводородов, образующихся в отработавших газах двигателей в результате:

— реакций цепочно-теплового взрыва — пиролиза и синтеза (полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), альдегиды, фенолы);

— неполноты сгорания в результате нарушения процесса горения (из-за прекращения реакций окисления углеводородов при низких температурах, неоднородности топливо-воздушной смеси, пропусков зажигания в отдельных циклах или цилиндрах двигателя (несгоревшие компоненты топлива и масла).

Рис.3

В ряде исследований было также установлено, что вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания происходит гашение пламени. Это приводит к замедлению или исключению реакций горения в части смеси, находящейся в зоне гашения. Фотографирование процесса сгорания в четырехтактном бензиновом двигателе через кварцевое окно в головке цилиндра позволило определить толщину зоны гашения в пределах 0,05—0,38 мм. На рис. 3 показана зависимость содержания углеводородов в пробе газа от объема отбираемой за цикл пробы. Видно, что в непосредственной близости от стенок камеры концентрация СН резко возрастает. Таким образом, зона гашения является одним из источников выделения углеводородов. Углеводороды (различного вида) могут образовываться и в зонах, где происходит пиролиз, то есть в переобогащенных зонах. Если доступ кислорода при такте расширения в камере сгорания будет ограничен в эти зоны, то углеводороды попадут в выпускной коллектор. Наиболее токсичными веществами из углеводородов являются полиароматические. Максимальную токсичность из них имеет бенз(α)пирен С20Н12. Возможная реакция образования С20Н12 при пиролизе углеводородных топлив при температуре более 873К возможно соответствует виду:

С6Н2 +3С2Н2+4С2Н→С20Н12 (11)

где С6Н2 — полирадикал, являющий зародыш сажи; С2Н2, С2Н — элементные строительные блоки. Бенз(α)пирен образуется одновременно с сажей примерно по аналогичному механизму.

Диоксид углерода СО2 не является токсичным веществом. Его вредность связана с постоянным повышением концентрации в атмосфере Земли и его влиянием на изменение климата планеты. В последние десятилетия начали предпринимаются меры по регламентированию его выброса энергетическими, промышленными и транспортными объектами.

Львиная доля образовавшихся в цилиндрах двигателя СО окисляется до СО2, не проникая за пределы камеры сгорания, так как померенная объемная доля двуоксиси углерода в отработавших газах примерно равна 10—15%, т. е. в 300—450 раз больше, чем в нашей атмосфере. Самый большой вклад в образование СО2 вносит следующая реакция

СО+ОН- →СО2+Н- (12)

которая к тому же необратимая. Процесс окисления СО в СО2 идет в выпускном трубопроводе и в нейтрализаторах (дожигателях) отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, устанавливающихся на современном автомототранспорте для принудительного окисления СО и несгоревших углеводородов до СО2, дабы соблюдать нормы токсичности.

Величина выбросов CО2 зависит от физико-химических и теплофизических свойств топлив и их расхода. При использовании в качестве автомобильного топлива водорода в продуктах сгорания СО2 отсутствует.

Оксиды азота NOX представляют набор следующих соединений: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4 и N2O5. Преобладает NO (99% в бензиновых двигателях и более 90% в дизелях).

В камере сгорания NO может образовываться:

1)при высокотемпературном окислении азота воздуха (термический NO);

2)в результате низкотемпературного окисления азотсодержащих соединений топлива (топливный NO);

3)из-за столкновения углеводородных радикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсаций температуры (быстрый NO).

В процессе сгорания топлив окислы азота (практически лишь окись NO) образуются в результате реакций окисления азота кислородом воздуха. В реакции образования NO может участвовать как азот, содержащийся в топливе, так и азот атмосферного воздуха.

В нефтепродуктах содержится до 5% азотистых соединений (0,3—0,6% по весу чистого азота). Основными азотосодержащими компонентами твердого и жидкого топлив являются пиридин и его производные. Азот топлива легче вступает в реакцию окисления, чем атмосферный азот.

Предполагаемый механизм образования NO из топливного азота

I+R+NO+…; (13)

I+NO→N2+…; (14)

где R — компоненты, не содержащие азота.

Возможно, что I представляет собой NH2, а R — это ОН.

При содержании в топливе азота в количестве 1,4% от веса было зафиксировано в процессе сгорания увеличение выделения NO примерно в 10 раз.

Ряд исследований, выполненных на лабораторных установках с добавкой к топливу азотосодержащих соединений (пиридина, аммиака и др.), показал, что количество образовавшихся окислов азота не зависит от типа азотосодержащего компонента и определяется содержанием чистого азота в топливе.

 Скачать реферат