химотология Ивлевx - Сибирский федеральный университет

Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт нефти и газа
Кафедра Топливообеспечение и горюче-смазочных материалов
Реферат по химмотологии
На тему: «Токсичность отработанных газов ДВС (перечень токсичных
веществ, причины образования, вредное воздействие на человека и
окружающую среду).»
Преподаватель
Студент
И.В Надейкин
НБ 13-06
081312328
Красноярск 2015
А.А Ивлев
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................................... 3
1 Токсичные вещества ............................................................................................ 4
1.1Причины образования...................................................................................... 5
2 Экономичность ДВС ............................................................................................ 5
3 Воздействие на человека и окружающую среду ............................................... 8
3.1 Использования горючих газов как топлива для ДВС.................................. 9
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 12
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................... 14
2
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность данной темы обусловлена существованием экологической
проблемы, связанной с вредными выбросами ДВС в окружающую среду.
Цель данной работы изучить перечень токсичных веществ, причины
образования и воздействие на человека и окружающую среду.
При сжигании любого вида топлива в атмосферу выделяются продукты
его сгорания. Они содержат токсичные (ядовитые) вещества, которые
оказывают вредное воздействие на здоровье человека и окружающую среду.
Основными источниками загрязнения воздуха больших городов в
настоящее время являются промышленные предприятия и автомобили.
3
1 Токсичные вещества
В продуктах сгорания двигателя содержится до 300 химических
веществ, часть которых являются токсичными и представляют собой
продукты неполного сгорания и термического разложения углеводородов
топлива,
оксиды
азота,
соединения
серы
и
свинца
и
т.п.
В отработавших газах содержится группа нормируемых токсичных веществ.
Часть из них (СО, СН, сажа) являются продуктами неполного сгорания, при
котором также ухудшается экономичность ДВС.
Оксид углерода (СО) является продуктом сгорания при недостатке
кислорода. В двигателях с искровым зажиганием образование СО связано с
богатым составом смеси. В дизелях образовавшийся СО окисляется затем до
С02, поэтому количество СО невелико и зависит от качества процесса
смесеобразования.
Всережимные регуляторы автоматически поддерживают заданную
частоту вращения коленчатого вала двигателя, что удобно при управлении
автомобилем и его вспомогательными агрегатами. Особенно эффективно их
применение
на
дизелях
тракторов
и
дорожных
машин.
Углеводороды (СН) образуются из исходных или распавшихся молекул
топлива, не принимавших участия в сгорании из-за гашения пламени вблизи
относительно холодных стенок камеры сгорания и в ее «защемленных»
объемах.
В двигателях с искровым зажиганием количество СН может возрастать
при переобогащении смеси или из-за пропусков воспламенения бедной
смеси,
выбрасываться
в
атмосферу
при
негерметичности
системы
вентиляции картера, выпускного клапана или из-за испарения бензина в
топливном баке.
В дизелях, СН образуются в переобогащенных зонах, где происходит
распад молекул топлива при недостатке кислорода.
4
Полициклические
ароматические
углеводороды
(ПАУ)
наиболее
токсичны. Они образуются при разложении легких и средних фракций
топлива при температуре 600...700 К во время рабочего хода в цилиндре
вблизи его холодных поверхностей при недостатке кислорода. ПАУ являются
канцерогенными веществами, которые накапливаются в организме человека
и
способствуют
образованию
злокачественных
опухолей.
Наиболее
токсичным является бенз-а-пирен.
Сажа представляет собой твердый продукт, состоящий в основном из
углерода. Она образуется при температуре выше 1500 К в результате
термического разложения топлива и недостатке кислорода. Так как в
двигателях с искровым зажиганием выше, сажа в них практически не
образуется. В дизелях имеются зоны с богатой смесью, где создаются
благоприятные условия для образования сажи. Размеры ее частиц — 0,4...5
мкм. Сажа проявляется в отработавших газах в виде черного дыма.
1.1 Причины образования и снижение токсичности
Содержание и количество токсичных веществ в отработавших газах
двигателей не остается постоянным и зависит от целого ряда причин. К ним
следует отнести прежде всего тип двигателя (карбюраторный или
дизельный), режим работы, оптимальность регулировок, техническое
состояние двигателя и качество топлива.
Дизельный
двигатель
обладает
меньшей
токсичностью,
чем
карбюраторный. Так, окись углерода, окислы азота и несгоревшие
углеводороды присутствуют в отработавших газах дизельного двигателя в
значительно меньших количествах и лишь по объему выделений сажи он
превосходит карбюраторный двигатель.
Режим работы двигателя оказывает решающее влияние на токсичность
отработавших газов. Наибольший выброс окиси углерода происходит при
5
холостом ходе двигателя, когда он работает на обогащенной горючей смеси.
Именно этот режим и положен в основу нормирования токсичности
отработавших газов в законодательствах разных стран.
Проблема снижения токсичности отработавших газов решается по
двум направлениям. Первое направление предполагает совершенствование
рабочих
процессов
частичным
существующих
изменением
их
двигателей
конструкции,
внутреннего
введением
сгорания
различных
дополнительных приспособлений и регулировок, а также использованием
более высококачественного топлива.
Второе направление — создание малотоксичных двигателей для
автомобилей. Такие двигатели базируются на других принципах работы, чем
применяемые теперь карбюраторные и дизельные. В качестве возможных
малотоксичных двигателей автомобилей исследуются: газотурбинный;
внешнего сгорания — двигатель Стерлинга и паровой; электрический с
аккумуляторной батареей; электрический с топливными элементами.[1]
6
2 Экономичность ДВС
Имеется предел повышения экономичности ДВС (бензиновых и
дизельных), а также и снижения их токсичности.
Причины низкой экономичности и токсичности ДВС работающих на
нефтяном топливе:
1. Потери при сгорании топлива (потери от поступления не сгоревшего
топлива в систему выпуска);
2. Потери из-за богатой топливовоздушной смеси;
3. Потери в результате окисления и горения топлива в фазе сжатия (в
связи с наличием угла опережения впрыска или угла опережения зажигания);
4. Потери в камере сгорания за счет зазора между поршнями и
стенками блока цилиндров;
5. Потери на трение поршневых колец о блок цилиндров;
6. Потери из-за сил инерции, возникающих в ДВС (в результате
«перекладки» поршней и других элементов ДВС);
7. Потери на трение из-за ассиметричных реакций шатунов;
8. Потери из-за ассиметричного горения;
9. Потери в результате соударения пар сочлененных деталей;
10. Потери на работу агрегатов установленных на ДВС.
Причины несоответствующей экономичности и токсичности ДВС
связаны с особенностями работы поршневых двигателей. Повышение
экономичности и снижение токсичности ДВС возможно лишь за счет
перехода двигателей
на новые виды топлива, либо за счет создания
принципиально новых конструкций двигателей с кинематикой, аналогичной
электродвигателю (КПД электродвигателя примерно составляет 98%).[2]
7
3 Воздействие на человека и окружающую среду
Использование двигателей внутреннего сгорания вызывает самое
большое загрязнение воздуха, по сравнению с остальными источниками
загрязнения воздуха. В состав отработавших газов входят следующие
вредные для здоровья человека вещества.
Диоксид углерода(СO2) Образуется при сгорании углеродосодержащих
топлив. Представляет собой бесцветное загрязняющее вещество, не имеющее
запаха, которое является основным газом, который приводит к парниковому
эффекту на Земле.
Оксид углерода (СО) Образуется
при
неполном
сгорании
углеродосодержащих топлив. Это бесцветный газ без запаха. Отрицательно
воздействует на сердце и может причинить вред организму человека.
Углеводороды
(СН) Содержатся
в
несгоревшем
бензине.
Они
представляют опасность, например, бензол может вызвать лейкемию.
Некоторые углеводороды при солнечном свете вступают в реакцию с
окисями азота, причем в результате этой реакции образуется смог.
Оксид азота (NOx) Образуется при сгорании углеродосодержащих
топлив. Вызывает респираторные заболевания. Преобразуется в мелкие
частицы, которые могут проникать в легкие человека, причем смешиваясь с
водой, будь то в воздухе или в легких человека образует кислоты.
Твердые частицы (РМ) Дым и сажа содержат твердые частицы. Мелкие
твердые частицы могут проникнуть в легкие человека. Ткани легких
защищены лишь стенками толщиной с молекулу и поэтому происходит
легкое проникновение в них частиц.
Диоксид серы (SO2) Образуется при сгорании углеродосодержащих
топлив с примесями серы. Представляет собой бесцветный газе резким
кислым запахом. Оказывает отрицательное воздействие на дыхательную
8
систему человека.
Свинец
(Pb) Загрязнение окружающей среды свинцом является
результатом его добавления в некоторых случаях в бензин. Оказывает
отрицательное воздействие на нервную систему человека.
3.1 Использования горючих газов как топлива для ДВС
При работе на природном газе в смеси с синтез-газом, получаемым из
основного топлива, можно обеспечить снижение эмиссии CO2 на 52% при
снижении токсичности ОГ до уровня требований Евро-5.
Преимущества синтез-газа как топлива связывают с наличием в нем
свободного водорода. Положительное влияние последнего на процесс
сгорания в ДВС хорошо известно: добавки водорода к углеводородному
топливу увеличивают скорость и полноту сгорания, способствуя тем самым
росту индикаторного КПД и уменьшению доли несгоревших углеводородов в
отработавших газах.
Существенно повышается при наличии в топливовоздушной смеси
свободного водорода предел эффективного обеднения, что позволяет перейти
частично к качественному регулированию нагрузки, увеличить термический
КПД цикла и снизить потери на газообмен.
В классическом понимании синтез-газ в основном состоит из смеси
водорода с оксидом углерода. Он может быть получен из метана с
применением
катализаторов,
на
поверхности
которых
протекают
необходимые химические превращения. Таким образом, смесь метана с
синтез-газом близка по своим свойствам к смеси метана с водородом.
Достигаемый при этом указанный выше экологический эффект определил
актуальность развития работ по исследованию работы двигателей как на
метане, так и на смесях метана с водородом и синтез-газом.
Существуют
технологии
получения
9
синтез-газа
с
большим
содержанием водорода не только из метана, но и из сжиженного
углеводородного газа, метанола и бензина. По зарубежной информации
устройства для получения синтез-газа на борту автомобиля представляет
собой компактное устройство, включающее катализаторный блок и блок
управления бортовым генератором синтез-газа. Возникающие возможности
получения на борту автомобиля водородосодержащего синтез-газа из
сжиженного углеводородного газа и бензина расширяет эффективность
использования этих топлив в смеси с водородом и с синтез-газом. Добавка к
бензину
6-10%
водородосодержащей
добавки
позволяет
обеспечить
устойчивую работу двигателя на обедненных топливовоздушных смесях, что
приводит к следующим положительным результатам:
1.Расход топлива при испытаниях по городскому циклу сокращается на
20-25%;
2. Содержание токсичных веществ в ОГ уменьшается до норм Евро-4;
3. До 40% сокращается расход топлива на холостом ходу.
Сжиженный углеводородный газ все шире используется в качестве
моторного топлива для ДВС, являясь удобным для транспортировки,
хранения и распределения на автомобиле. При обеспечении грамотного
подбора газобаллонного оборудования, соответствующего корректирования
регулировок систем зажигания и питания двигателей при переводе на газ
могут быть значительно улучшены их экологические характеристики .
Авторами сделана прогнозная оценка годовых выбросов вредных
веществ от автотранспортных средств, использующих в качестве топлива
бензин и сжиженный углеводородный газ. В основу расчета была положена
расчетная методика по инвентаризации выбросов загрязняющих веществ от
автотранспортных средств на территории крупнейших городов. Расчет
проведен для легковых автомобилей с бензиновым ДВС, зарегистрированных
в Волгоградской области и находящихся в эксплуатации более 10 лет (их
количество на 1 января 2010 года составило 213 766 единиц).
10
Расчёт проводился как для нормируемых веществ, так и для так
называемых. «нетрадиционных» выбросов вредных канцерогенных веществ.
Как видно на рисунке 3, углеводородные газы обеспечивают сокращение
выбросов вредных веществ в атмосферу.[3]
Рис. 1. Снижение выбросов вредных веществ при переводе бензиновых ДВС на
сжиженный углеводородный газ.
11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Я думаю, что когда немецкие изобретатели сделали и запатентовали
первый автомобили с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания, они
не думали к каким серьезным экологическим проблемам это может привести.
В идеале при полном сгорании углеводородного топлива, в частности
бензина, конечными продуктами должны являться углекислый газ и водяные
пары. Но, к сожалению, в реальной жизни полного сгорания добиться пока
технически невозможно. Кроме того, любое топливо содержит множество
добавок, которые отнюдь не улучшают свойства отработанных газов.
Количество
конструктивными
и
состав
отработанных
особенностями
газов
автомашин,
определяются
режимом
работы
и
их
двигателей, техническим состоянием, качеством дорожных покрытий,
метеоусловиями.
Особенность
работы
автомобильных
двигателей
-
переменные нагрузки, то есть периодические изменения режима работы:
холостой ход, разгон, установившееся движение и торможение.
Но меры, направленные на улучшение экологической обстановки все
же предпринимаются. Правительство Российской Федерации одобрило
специальный
технический
регламент
<О
требованиях
к
выбросам
автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории РФ,
вредных (загрязняющих) веществ> (ПОСТАНОВЛЕНИЕ от 12 октября 2005
г. N 609(в ред. Постановления Правительства РФ от 27.11.2006 N 718). В
соответствии с регламентом вводятся экологические классы указанной
техники, в зависимости от уровня выбросов вредных веществ; определены
сроки введения в действие в отношении выпускаемой в обращение на
территории РФ нормативов автомобильной техники: экологического класса 2
(ЕВРО-2) - с даты вступления в силу данного Регламента, экологического
класса 3 (ЕВРО-3) - с 1 января 2008 года, экологического класса 4 (ЕВРО-4) с 1 января 2010 года, экологического класса 5 (ЕВРО-5) - с 1 января 2014
12
года.
Одновременно устанавливаются основные технические требования к
характеристикам бензина и дизельного топлива, позволяющие обеспечить
введение
вышеперечисленных
экологических
классов
автомобильной
техники.
Надеюсь, что в ближайшем будущем будут предприняты все
вышеперечисленные методы по улучшению экологической обстановки.
13
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.
Кульчикий А.Р. "Токсичность автомобильных и транспортных
двигателей", 2004г.
2.
Лукашин В.Н., Трофименко Ю.В. "Промышленно-транспортная
экология", 2001г.
3.
Звонов В.А. "Токсичность двигателей внутреннего сгорания",
1981г.
14