Лекция № 7 вредные выбросы автомобилей

Вредные компоненты, загрязняющие окружающую среду. Мы сжигаем топливо, чтобы совершить полезную работу. Что при этом происходит с точки зрения химии и физики? Топливо – это смесь углеводородов. Примем для простоты, что все они алканы (т.е. насыщенные, или предельные углеводороды) с общей формулой C_nH_2n+2. Горение – это окисление, т. е. соединение с кислородом:

Для окисления одного моля топлива мы израсходовали 1,5n+0,5 моля кислорода, который нужен для дыхания людям, животным и растениям. Мы выбросили в атмосферу большое количество тепла Q1 – 43...44 МДж на каждый килограмм сгоревшего топлива, да еще 2...2,5 МДж/кг выделилось при конденсации паров воды (Q2). Последние два столетия техногенный нагрев атмосферы неуклонно возрастает, и климатологи бьют тревогу: уже отмечено уменьшение ледовых полярных шапок Земли, а это грозит подъемом уровня мирового океана и затоплением огромных участков суши, населенных и обрабатываемых. Катастрофу приближают водяные пары и углекислый газ, создающие парниковый эффект: солнечные лучи, проходя сквозь их слой, нагревают поверхность Земли, но тепло не может уйти в космос, CO₂ и водяные пары поглощают тепло, т.е. работают как одеяло.

В декабре 1997 г. был принят международный документ – Киотский протокол. Он обязывает сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов. Цель— снизить в 2008-12 гг. совокупный средний уровень выбросов 6 типов газов (CO₂, CH₄, гидрофторуглеводороды, перфторуглеводороды, N₂O, SF₆) на 5,2 % по сравнению с уровнем 1990 г. Россия и Украина обязались сохранить среднегодовые выбросы в 2008-12 гг. на уровне 1990 г.

В Европе автомобильный транспорт дает более 20% всех выбросов СО₂, на долю легковых автомобилей приходится около 12%. И эти цифры растут: от 21% в 1990 году до 28% в 2004 году. ЕС поставил цель снизить выброс СО₂ до 120 г/км для всех новых легковых автомобилей к 2012 г. Однако добились в 2005 году лишь 160 г/км (от 186 г/км в 1995).

С другой стороны, все больше нефти требуется для производства синтетических материалов, в том числе и кормов. То, что мы сжигаем в двигателях сегодня, не смогут съесть наши внуки завтра. Что же делать?

1) совершенствовать конструкцию автомобилей и двигателей, чтобы повысить КПД и снизить нагрев атмосферы; 2) искать замену углеводородному топливу, чтобы уменьшить парниковый эффект. Этим интенсивно занимаются ученые и инженеры во всем мире, намечены интересные перспективы, достигнуты определенные успехи. В числе прочих мер, новый закон Евросоюза ограничивает сопротивление качению шин. К 2014 году оно должно составлять не более 0,0105. Это поможет экономить бензин и снижать, тем самым, вредные выбросы.

Все больше становится гибридных автомобилей. На новых автомобилях широко применяются наддув, системы стоп-старт и рекуперация энергии торможения. А что делать нам, эксплуатационникам? Использовать все доступные средства, чтобы уменьшать расход топлива.

Но кроме проблем завтрашних, существуют и проблемы сегодняшние: отработавшие газы (ОГ) содержат не только безобидные СО₂ и воду, но и множество примесей, в том числе токсичных (ядовитых). Прежде всего, это продукты неполного сгорания топлива (170 веществ из 200, входящих в ОГ) – монооксид углерода СО (окись углерода), несгоревшие углеводороды, несгоревший углерод (сажа) и др. Образуются и другие токсичные соединения, например, альдегиды и бенз[а]пирен. Под воздействием СО эритроциты крови утрачивают способность участвовать в газовом обмене. Наступает кислородное голодание, прежде всего воздействующее на мозг. Человек испытывает головную боль, засыпает, а при большой дозе СО – навсегда. Многие углеводороды токсичны: метан, этан, пропан (популярное в детективах отравление бытовым газом), этилен, ацетилен, бензол. Поэтому предельно допустимая концентрация (ПДК) паров бензина в воздухе – 1,5 мг/м³, всего в 1,5 раза больше допустимой концентрации СО. Альдегиды (формальдегид, акролеин) вредно действуют на нервную систему и органы дыхания. Особо ядовит акролеин, уже при концентрации 0,002% он вызывает сильное раздражение слизистых оболочек. Сажа не опасна сама по себе, но на ее частицах адсорбируются молекулы разных соединений, например, бенз[а]пирена (это типичный химический канцероген, он опасен для человека даже при малой концентрации, поскольку обладает свойством биоаккумуляции).

Вывод: необходимо добиваться более полного сгорания топлива. Какими способами?

Прежде всего, следует чаще работать на обедненной смеси (>1): чем больше воздуха, т. е. кислорода в топливовоздушной смеси, тем полнее сгорание. Коэффициент избытка воздуха  – отношение фактического количества воздуха в топливовоздушной смеси к теоретически необходимому, т. е. такому, при котором кислорода в смеси ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания топлива без остатка (тогда =1). Наиболее полное сгорание происходит, если смесь состоит из 14,7 части воздуха и одной части паров бензина. Такое соотношение “воздух—топливо” называется стехиометрическим. Меньше работать на холостом ходу.

Добиваться гомогенности (однородности) смеси, т. е. такого состояния, когда топливо распылено в воздухе мелкими, примерно одинаковыми каплями, равномерно распределенными по объему. Для этого применяют различные вставки между фланцами карбюратора и впускного коллектора в виде сеток, лопастей и т. п. Они увеличивают турбулентность потока и способствуют перемешиванию смеси, однако, будучи препятствиями на пути потока, уменьшают его скорость, ухудшают наполнение камеры сгорания и снижают мощность. Намного лучше созданный в ХАДИ ультразвуковой гомогенизатор. Ультразвук дробит крупные капли и разрывает пленки топлива. Гомогенизатор не является препятствием для потока, потому не снижает мощность. Благодаря более полному сгоранию не только уменьшается содержание СО и СН в ОГ, но и уменьшается на 5…10% расход топлива.

В современных ДВС с впрыском топлива сопла форсунок обеспечивают необходимое качество распыления топлива и гомогенность смеси.

Однако все перечисленные мероприятия имеют и оборотную сторону. С увеличением (под нагрузкой и при средних оборотах) повышается температура и давление в камере сгорания – и образуется больше оксидов азота. В обычных условиях азот инертен и не вступает в реакции окисления. Но ведь он присутствует, мы подаем в двигатель не чистый кислород, а воздух, в котором азота 78%, т.е. в 3,7 раза больше, чем кислорода, которого 21%. Строго говоря, нашу химическую реакцию надо бы записать так:

Значит, в автомобильном выхлопе больше всего именно азота [3,7(3n+1)], затем паров воды [2(n+1)], затем углекислого газа [2n]. Все остальные вещества присутствуют в виде примесей – их мало, но они очень вредны.

Вернемся к азоту. Чтобы он начал соединяться с кислородом, нужны высокие температуры и давления, или же действие электрических разрядов и других ионизирующих факторов. Именно такие факторы действуют в камере сгорания, и чем лучше сгорание, тем выше температура и давление и тем больше оксидов азота образуется (рис. 17). Наиболее опасны гемиоксид N₂O (закись азота, "веселящий газ", наркотическое вещество), оксид NO и диоксид NO₂ – ангидриды азотистой и азотной кислот; попадая в организм человека, они соединяются с парами воды и превращаются в кислоты, которые разрушающе действуют на легкие (хотя в целом вредное действие NO и. NO₂ сложнее). Опасные заболевания возникают при концентрации оксидов азота 0,01%. Предельно допустимая среднесуточная концентрация (ПДКсс) для оксидов азота составляет 0,1 мг/м³.

Степень токсичности разных составляющих ОГ различна (см. табл. 9).

Таблица 9