Навігація
Головна
ПОСЛУГИ
Авторизація/Реєстрація
Реклама на сайті
 
Головна arrow Екологія arrow Транспортна екологія
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Утворення токсичних речовин під час горіння

У камерах згоряння теплових двигунів на механізм утворення продуктів неповного згоряння і характер побічних реакцій, що протікають при горінні, впливає структура фронту полум'я. Структура фронту дифузійного полум'я (на прикладі камери згоряння дизельного двигуна) наведено на рис. 3.8 а. Структура фронту полум'я, що поширюється по гомогенній суміші (двигуни із зовнішнім утворенням паливо-повітряної суміші), наведено нарис. 3.8 б.

У дифузійному полум'ї паливо і окислювач дифундують у фронт полум'я, де у досить вузькій зоні змішування протікає хімічна реакція і досягається максимальна температура. До цієї зони прилягає з боку палива зона його термічного розпаду, в якій за відсутності окислювача утворюються разом з проміжними продуктами розпаду водень і сажа. Водень, дифундуючи у фронт полум'я, згоряє, а частинки сажі збільшуються у розмірі за рахунок розпаду на їх поверхні вуглеводнів і коагуляції окремих частинок сажі під час їх дифузії і вигоряють у фронті полум'я зі значно меншою швидкістю. Деякі частинки сажі дифундують у бік палива. З боку окислювача до фронту полум'я прилягає область утворення NO. який дифундує в обидві ст орони. Під час дифузії у бік фронт у полім я NO розкладається з високою швидкістю. Під час дифузії в бік. протилежний від фронт і полім я. NO також розкладається. але зі зниженням температури його концентрація перестає змінюватися.

Структура фронту полум'я

Рис. 3.8. Структура фронту полум'я

У полум'ї, що поширюється по гомогенній суміші в двигунах із зовнішнім утворенням паливо-повітряної суміші (див. рис. 3.8. б), повнота згоряння залежить насамперед від складу суміші. Якщо суміш є збагаченою (коефіцієнт надлишку повітря а < 1). то паливо окислюється не повністю (наприклад, до CO). Якщо суміш бідна (коефіцієнт надлишку повітря). то інтенсивнішими будуть реакції утворення NO. Проте коли коефіцієнт надлишку збільшується доі більше через зниження температури в камері згоряння інтенсивність утворення оксидів азоту зменшується.

Якщо температура в зоні горіння гетерогенної суміші невисока, то теплової енергії, що віддається паливу, може бути недостатньо для забезпечення розпаду вуглеводнів до кінцевих продуктів. У результаті в продуктах згоряння збільшується концентрація вуглеводнів, що випарувалися та не згоріли.

На рис. 3.9 наведено принципову схему розташування місць утворення токсичних речовин у камері згоряння двигуна з іскровим запаленням.

Аналогічну схему мають і дизельні двигуни. Різниця лише в тому, що зони утворення ΝΟχ не мають фіксованого місця і часу в камері згоряння.

Схема утворення токсичних речовин у поршневом) двигуні: У – утворення NO за високотемпературного окислення повітря: 2 – зшкрябуваним зі стінок циліндра масляної плівки (викиди вуглеводнів та твердих частинок); 3 – гасіння полум'я біля стінок циліндра (викиди вуглеводнів); 4 – утворення локальних зон з перезбагаченою паливо- повітряною сумішшю (утворення СО): 5 – призупинення реакцій утворення N0 і СО при розширенні

Рис. 3.9. Схема утворення токсичних речовин у поршневом) двигуні: У – утворення NO за високотемпературного окислення повітря: 2 – зшкрябуваним зі стінок циліндра масляної плівки (викиди вуглеводнів та твердих частинок); 3 – гасіння полум'я біля стінок циліндра (викиди вуглеводнів); 4 – утворення локальних зон з перезбагаченою паливо- повітряною сумішшю (утворення СО): 5 – призупинення реакцій утворення N0 і СО при розширенні

Приблизний вміст основних речовин у відпрацьованих газах бензинових та дизельних двигунів наведено в табл. 3.6.

Склад відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згоряння до сьогодні не є повністю вивченим. Вважається, що ці гази містять більше 1000 шкідливих речовин, які негативно впливають на навколишнє середовище й на людину. На сьогодні відомі близько 200 компонентів. Період їх існування в навколишньому середовищі до природної нейтралізації становить від декількох хвилин до 5 років. За хімічним складом, властивостям та характером дії на організм людини їх об'єднують у групи. Налічу ють вісім груп таких компонентів.

Таблиця 3.6

Об'ємний вміст різних речовин у відпрацьованих газах, %

п/п

Речовина

Тип двигуна

Бензиновий

Дизельний

1

Кисень, O2

0,05 – 8,0

2,0 – 18,0

2

Вуглекислий газ, CO2

5 -12,5

1,0-12,0

3

Водяна пара, H2O

0,05 – 8,0

0,5 – 10,0

4

Азот, N2

74-77

76-78

5

Оксиди азоту, NOx

0,05 – 0,5

0,1 – 1,0

6

Чадний газ, CO

0,1 – 10,0

0,01-0,5

7

Вуглеводні, CxHу

0,2 – 2,0

0,01-0,5

8

Альдегіди

0-0,2

0 – 0,05

9

Сажа

до 100

до 20 000

10

Оксиди сірки

0,003

0,015

Група 1. До неї входять нетоксичні речовини: азот, кисень, водень, водяна пара, вуглекислий газ та інші природні компоненти атмосферного повітря.

У цій групі заслуговує на увагу діоксид вуглецю (вуглекислий газ). Збільшення його вмісту в атмосфері сьогодні спричинює "парниковий ефект". Вміст цього газу у продуктах згоряння в даний час не нормується.

Величина викидів залежить від фізико-хімічних і теплофізичних властивостей палив (див. табл. 3.5) та їх витрат. Коли як моторне паливо використовують водень, то в продуктах згоряння відсутній.

Група 2. До цієї групи відносять тільки одну речовину – оксид вуглецю (чадний газ CO). Це продукт неповного згоряння палива. Він утворюється в результаті хімічних реакцій під час згоряння вуглеводневих палив з деякою нестачею повітря (кисню), а також у результаті дисоціації(за температур більше 2000 0K). Утворення CO є одним із принципово можливих результатів реакції горіння вуглеводнів, який можна представити так:

(3.32)

Реакція радикала RCO, що призводить до утворення CO, може відбуватися як результат одночасної взаємодії з чотирма різними компонентами:

(3.33)

Це є типовим для бензинових карбюраторних двигунів.

У дизельних двигунах, що працюють з коефіцієнтами надлишку повітря більше одиниці, ймовірність протікання таких реакцій безпосередньо у полум'ї менша. Проте в циліндрах дизелів знаходяться інші джерела утворення CO.

  • – низькотемпературні зони полум'я, що присутні на стадії займання палива;
  • – краплі палива, які надходять у камеру на пізніх стадіях вприскування. Вони також згоряють за недостатньої кількості кисню;
  • – частинки сажі, що утворюються в період поширення турбулентного полум'я по гетерогенній суміші, в якій при загальному коефіцієнті надлишку повітря більше одиниці можуть утворюватися зони з недостатньою його кількістю. У результаті в цих зонах проходять реакції, типу:

(3.34)

Водночас, у відпрацьованих газах дизельних двигунів міститься, як правило, менше CO.

Монооксид вуглецю не має ні кольору, ні запаху, є легшим за повітря. На відкритому повітрі, за наявності достатньої кількості кисню, він горить голубуватим полум'ям, виділяючи досить багато теплоти і утворюючи під час згоряння вуглекислий газ.

Основна частина CO, що утворюється в камері згоряння, як правило, окислюється до , не виходячи за межі цієї камери. Найбільший внесок в утворення вносить реакція:

(3.35)

Окислення CO у може відбуватися у вихлопній трубі, а також у нейтралізаторах (допалювачах) відпрацьованих газів. Проте значна частина цього газу все ж викидається в навколишнє середовище.

Наприклад, концентрація CO у вихлопних газах бензинових автомобільних двигунів коливається від 0,5 до 15 %, у вихлопних газах дизельних двигунів – від 0,3 до 9 %. Цей газ, як правило, завжди присутній у гаражах (0,01÷0,02 %). Його вплив на організм людини давно відомий, проте до сьогодні трапляється чимало смертельних випадків з вини саме чадного газу.

Група 3. До її склад у входять оксиди азот у . У відпрацьованих газах двигунів, що спалюють вуглеводневі палива, переважає NO (99 % в бензинових двигунах і більше 90 % у дизельних двигунах).

Монооксид азоту (NO) – це безбарвний газ, який не вступає в реакції з водою і мало розчинний в ній. Проте він легко окислюється киснем повітря і утворює при цьому діоксид азоту. За нормальних умов в атмосферному повітрі NO з часом повністю перетворюється на

Діоксид азоту () – це газ бурого кольору з характерним запахом. Він важчий за повітря, тому накопичується в понижених місцях рельєфу. На транспортних підприємствах він може накопичуватися, наприклад, в ямах для технічного обслуговування транспортних засобів.

У камері згоряння NO може утворюватися так

  • – під час високотемпературного окислення азоту повітря (термічний N0);
  • – у результаті низькотемпературного окислення компонентів палива, що містять азот (паливний NO);
  • – унаслідок зіткнення вуглеводневих радикалів з молекулами азоту в зоні реакцій горіння за наявності пульсацій температури (швидкий NO).

У камерах згоряння домінує термічний NO. Він утворюється з молекулярного азоту під час горіння збіднених паливо-повітряних сумішей та сумішей, близьких за складом до стехіометричних. Це відбувається за фронтом полум'я в зоні продуктів згорання. Під час згоряння бідних і помірно багатих сумішей (коефіцієнт надлишку повітря) реакції відбуваються за таким ланцюгом:

(3.36)

(3.37)

(3.38)

Під час згоряння багатих сумішей () відбуваються також реакції:

(3.39)

(3.40)

Під час спалювання бідних сумішей вихід NO визначається максимальною температурою ланцюга теплового вибуху (максимальна температура 2800 ÷ 2900 0K), тобто кінетикою утворення. В багатих сумішах вихід NO перестає залежати від максимальної температури теплового вибуху і визначається кінетикою розкладання. При горінні бідних сумішей суттєвий вплив на утворення NO здійснює нерівномірність температурного поля в зоні продуктів згоряння й присутність водяної пари, яка в ланцюговій реакції окислення N2 є інгібітором.

Висока інтенсивність процесів нагрівання, а потім охолодження суміші газів у циліндрах двигунів внутрішнього згоряння приводить до утворення досить нерівноважних концентрацій реагуючих речовин. Відбувається ніби заморожування NO, що утворився, уповільнення швидкості його розкладання.

Компоненти палива, що містять азот (аміни, циклічні з'єднання у вигляді піридину, карбазолу), є джерелами утворення паливного NO уже за температур 1300 -ь 1400 0K, адже на ці процеси затрачується енергії менше, ніж на руйнування зв'язків молекулярного азоту. Ці речовини легше вступають в реакцію окислення, ніж атмосферний азот.

Група 4. Це найчисленніша група. До її складу входять різні вуглеводні – з'єднання типу. Це декілька десятків найменувань речовин. Вони утворюються в результаті таких процесів.

  • – реакцій ланцюгового теплового вибуху – піролізу і синтезу (утворюються поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАВ), альдегіди, феноли);
  • – неповноти згоряння унаслідок порушення процесу горіння (через припинення реакцій окислення вуглеводнів за низьких температур, неоднорідність паливо-повітряної суміші в окремих циклах або циліндрах двигуна (утворюються незгорілі компоненти палива і мастил).

У відпрацьованих газах транспортних засобів містяться вуглеводні різних гомологічних рядів: парафінові (алкани), нафтенові (циклани) і ароматичні (бензольні), всього біля 160 компонентів. Вони утворюються в результаті неповного згорання палива в двигуні.

Найтоксичніші з вуглеводнів – це ПАВ. Серед них максимальний рівень токсичності має бенз(а)пірен ().

Гіпотетична реакція його утворення при піролізі вуглеводневих палив при температурах більших ніж 873 0K може бути записана у вигляді:

(3.41)

Утворення бенз(а)пірену відбувається одночасно з утворенням сажі за подібним механізмом.

Незгорілі вуглеводні є однією з причин появи білого або блакитного диму з вихлопної труби транспортного засобу. Це відбувається, якщо займання робочої суміші в циліндрі двигуна запізнюється, або за понижених температур у камері згорання.

Група 5. Її становлять альдегіди– органічні сполуки, що містять альдегідну групу, пов'язану з вуглеводневим радикалом.

Наприклад, у відпрацьованих газах автомобільних двигунів присутні в основному формальдегід, акролеїн і оцтовий альдегід. Найбільша кількість альдегідів утворюється на режимах холостого ходу двигуна, а також малих навантажень, коли температура в камері згорання невисока.

Формальдегід (HCHO) – безбарвний газ з неприємним запахом. Він важчий за повітря та легко розчиняється у воді. Формальдегід є тією речовиною, яка надає запаху відпрацьованим газам, особливо дизельних двигунів.

Акролеїн (CH2=CH-CH=O), або альдегід акрилової кислоти – безбарвний отруйний газ із запахом підгорілого жиру.

Оцтовий альдегід (CH3CHO) – газ із різким запахом і токсичною дією на людський організм.

Група 6. До неї відносять сажу та інші тверді та рідкі дрібнодисперсні частинки (продукти зношування двигунів, аерозолі, масла, нагар тощо).

Тверді частинки включають нерозчинні речовини (твердий вуглець, оксиди металів, діоксид кремнію, сульфати, нітрати, асфальти), а також ті, що можуть розчинятися в органічних розчинниках (смоли, феноли, альдегіди, лак, нагар, важкі фракції, що містяться в паливі і мастилах).

Сажа (твердий вуглець чорного кольору) є основним компонентом нерозчинних твердих частинок. Вона утворюється внаслідок об'ємного піролізу (термічного розкладання вуглеводнів у газовій або паровій фазі за недостатньої кількості кисню). Механізм її утворення включає декілька ст а дій.

  • – початкова стадія – утворення зародків;
  • – зростання зародків до утворення первинних частинок (шестикутних пластинок графіту);
  • – збільшення розмірів первинних частинок (коагуляція) до складних утворень – конгломератів, які можуть включати 100 -5-150 атомів вуглецю;
  • – вигоряння.

Утворення сажі у полум'ї відбувається під час згоряння збагаченої суміші (з низьким коефіцієнтом надлишку повітря а = 0,33 -ь 0,7). У добре відрегульованих двигунах із зовнішнім утворенням паливо-повітряної суміші незначна ймовірність появи таких зон. У дизельних двигунах локальні зони з перезбагаченою сумішшю утворюються частіше. Отже, в них імовірніші процеси сажоутворення. Тому викиди сажі у дизельних двигунів, як правило, більші.

Утворення сажі великою мірою залежить також від властивостей палива. Чим більше співвідношення С/Н в паливі, тим більший вихід сажі з відпрацьованими газами.

При викиданні її транспортними засобами у великих кількостях сажа може погіршувати видимість на дорогах.

Група 7. Це група сірчистих з'єднань.

Сірка, що міститься в моторному паливі, під час горіння інтенсивно окислюється до діоксиду сірки (SO2). Це безбарвний газ з різким задушливим запахом. Механізм такого окислення схожий з механізмом утворення СО. Діоксид сірки може окислюватися (з суттєво меншою швидкістю) до SO з за рівнянням:

SO2+0.5O2 → SO3. (3.42)

Далі відбувається реакція S03 з водяною парою, що приводить до утворення H2SO3. Реакція, як правило, протікає на

стінках камери згоряння за температури нижче ніж 815 °К.

У групу входить також сірководень (H2S) – безбарвний отруйний газ із характерним запахом тухлих яєць. Вони з'являються у складі відпрацьованих газів двигунів, якщо використовується паливо з підвищеним вмістом сірки. Дизельні палива, як правило, мають більший вміст сірки, ніж інші палива, що використовуються на транспорті.

Сірчисті з'єднання важчі за повітря та розчиняються у воді.

Група 8. Компоненти цієї групи – свинець і його з'єднання. Вони зустрічаються у відпрацьованих газах у вигляді з'єднань галогенідів свинцю, які утворюються за механізмом, подібним до механізму утворення сажі. Це відбувається під час спалювання етилованих бензинів, від використання яких на сьогодні людство уже практично відмовилось. Етипованими називають бензини, що мають в своєму складі присадку на основі свинцю (головною її складовою є тетраетилсвинець – Рb(СН3СН2). Ця присадка підвищує октанове число бензину.

Октанове число – це опосередкована детонаційна характеристика палива. Вона показує, як працює спеціальний дослідний двигун під час спалювання дослідного палива у порівнянні з сумішшю ізооктану та нормального гептану. Октанове число палива відповідає відсотковій частині ізооктану в суміші. Якщо двигун при спалюванні дослідного палива розвиває таку саму потужність без настання детонації, як при спалюванні суміші з 90 % ізооктану та 10 % гептану, то октанове число такого палива вважається 90.

Це число визначає здатність двигуна працювати без детонації. Чим вище октанове число, тим більша стійкість бензину проти детонації. Це, у свою чергу, дає змогу збільшувати ступінь стиснення паливо-повітряної суміші в циліндрі двигуна перед її запалюванням без детонації, і таким чином підвищувати корисну потужність двигуна. Детонаційне згоряння робочої суміші протікає з надзвуковою швидкістю, що в 100 разів швидше за нормальне. Робот а двигуна з детонанією небезпечна тим, що двигун перегрівається, потужність його падає, а термін служби різко скорочується.

Негативний вплив на екосистеми здійснюють не тільки згадані компоненти відпрацьованих газів двигунів, виділені у вісім груп, але й самі вуглеводневі палива, масла та мастила. Маючи велику здатність до випаровування, особливо за підвищених температур, пари палив та мастил можуть легко поширюватися в повітрі на великі відстані і негативно впливати на живі організми.

У місцях заправки транспортних засобів відбуваються випадкові розливи, а також навмисні виливи відпрацьованого мастила прямо на землю або у водойми. На місці масляних плям протягом тривалого часу не з'являється рослинність. Нафтопродукти, що потрапляють у водойми, негативно впливають на флору і фауну останніх.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Банківська справа
БЖД
Бухоблік та Аудит
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Нерухомість
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
РПС
Соціологія
Статистика
Страхова справа
Техніка
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Інші