ЛЕКЦИЯ 16 16 Токсичность и дымность отработавших газов
advertisement
ЛЕКЦИЯ 16 16 Токсичность и дымность отработавших газов Схема, приведенная на рис. 16.1, показывает взаимодействие ДВС с окружающей средой. Следует отметить техногенное воздействие на окружающую среду при создании двигателя. Это разведка и добыча полезных ископаемых, идущих на изготовление конструкционных и эксплуатационных материалов, затем собственно производство двигателей. Технологические процессы изготовления также сопровождаются вредными выбросами, которые концентрируются главным образом в пределах заводских территорий и могут характеризоваться величиной затрат энергии, которые имеют место при производстве единицы материала (чугуна, стали, бензина) или собственно двигателя. Рис. 16.1. Схема, иллюстрирующая взаимодействие двигателя с окружающей средой Вся тепловая энергия сжигаемого в ДВС топлива выделяется в окружающую среду, что приводит к ее подогреву. Одновременно расходуется кислород воздуха, а также выбрасываются ОГ, большую долю в которых по массе составляет диоксид углерода CO2. Диоксид углерода экологически опасен, так как в совокупности с другими химическими веществами он препятствует излучению теплоты земным шаром в окружающее пространство, что приводит к появлению «парникового» эффекта — повышению средней температуры атмосферы. Снизить выбросы СО2 позволяет переход на использование в качестве топлива природного сжатого газа или водорода. В отработавших газах присутствует очень большое количество химических веществ (до 300), из которых главное внимание уделяется так называемым токсичным составляющим СО, СН, NOх и саже (твердым частицам). Очень часто вся проблема экологического совершенства ДВС сводится к поиску способов снижения содержания этих токсичных веществ в ОГ. В ОГ содержатся также канцерогенные вещества, соединения серы и свинца и множество других составляющих, которые по степени токсичности опаснее, чем СО, СН и NOХ. Помимо ОГ источниками токсичности двигателей являются также картерные газы и испарение топлива в атмосферу. Наибольшее выделение токсичных веществ в атмосферу происходит с ОГ, поэтому уменьшению токсичности ОГ уделяется главное внимание. 16.1 Нормирование токсичности и дымности отработавших газов двигателей Стандарты и правила законодательно устанавливают предельно допустимые нормы выброса токсичных веществ с ОГ, а для дизелей установлены нормы и на дымность ОГ или содержание в них твердых частиц. Наиболее широко используются европейские и американские стандарты и правила. Комплекс европейских стандартов и правил включает в себя два вида испытаний: проверка автомобилей в эксплуатации и испытание автомобилей или двигателей на стендах (рис. 16.2). Рис. 16.2. Испытания для определения токсичности и дымности Испытания в эксплуатационных условиях проводятся по упрощенным методикам с использованием портативной аппаратуры. Автомобили с бензиновыми и газовыми двигателями испытывают на выброс СО и СН при минимальной и повышенной частотах вращения коленчатого вала на холостом ходу. Автомобили с дизелями испытывают на дымность ОГ при свободном ускорении и максимальной частоте вращения вала на холостом ходу. Более полную оценку токсичности и дымности ОГ автомобилей и двигателей проводят на заводах, при этом выполняются заданные совокупности режимов, называемые циклами. Оценочными и нормируемыми показателями служат выбросы СО, NOх и СН, а для дизелей также дымность ОГ или содержание твердых частиц. Автомобили с полной массой не более 3500 кг (легковые, микроавтобусы и т. п.) с дизелями и двигателями с искровым зажиганием испытывают по так называемому ездовому циклу на стенде с беговыми барабанами. Испытание состоит из части I, в течение которой четыре раза повторяется городской цикл А, а затем следует высокоскоростная часть II, имитирующая движение автомобиля по шоссе (рис. 16.4). Рис. 16.3. Режимы испытаний на стенде с беговыми барабанами 16.2 Влияние различных факторов на токсичность отработавших газов двигателей с искровым зажиганием Коэффициент избытка воздуха при 1 существенно влияет на выбросы СО, СН, NOx (рис. 16.4). При обеднении смеси выход NOХ, сначала растет, что связано с увеличением концентрации в продуктах сгорания атомарного кислорода, затем при > 1,05. ..1,10 в результате падения температуры сгорания образование NOх уменьшается. Состав смеси на режиме холостого хода (рис. 16.4) не только существенно влияет на концентрацию СО и СН, но одновременно от сильно зависит и стабильность работы двигателя, в частности его колебания на подвеске. Наименьшая величина средней амплитуды а этих колебаний имеет место при = 0,8...0,85, когда наблюдается также минимальная концентрация СН. С обеднением смеси при > 0,80...0,85 выброс СО уменьшается, однако из-за пропусков воспламенения в отдельных циклах сильно возрастает концентрация СН и увеличивается амплитуда колебаний двигателя на подвеске. Рис. 16.4. Влияние на состав ОГ (а) и амплитуды à колебаний двигателя на подвеске в зависимости от (холостой ход) (б) • Угол опережения зажигания вблизи его оптимального значения (с точки зрения экономичности работы двигателя почти не влияет на концентрацию СО и СН, однако с ростом о.з концентрация NOх возрастает и особенно заметно при > 1,0. Отступление от рекомендуемых для данного двигателя о.з в сторону более поздних способствует снижению выбросов NOх, но при этом одновременно ухудшаются и экономические показатели. Совершенствование рабочих процессов и смесеобразования. Конструкция камеры сгорания влияет на образование СН: чем меньше отношение поверхности к объему камеры и объем камеры над вытеснителем, тем меньше образуется СН. На концентрацию СО и NOх эти факторы заметного влияния не оказывают. Увеличение степени сжатия вызывает рост максимальной температуры цикла и приводит к увеличению отношения поверхности камеры сгорания к ее объему. Первый фактор определяет повышение концентрации NOх при > 1,0, а второй — увеличение выхода СН. В двигателях с вихревым движением заряда, создаваемым в процессе впуска, при сильном увеличении интенсивности вихря (особенно в сочетании с обеднением до смеси = 1,4...1,5) могут возрастать выбросы СН. Улучшение смесеобразования уменьшает выброс СО в области богатых смесей, но может несколько увеличить концентрацию NOx, на бедных смесях. 16.3 Снижение токсичности отработавших газов двигателей с искровым зажиганием Наибольшие трудности при соблюдении действующих и перспективных норм на токсичность ОГ связаны со снижением выбросов NOх, а на режимах пуска, прогрева и холостого хода — со снижением выбросов СН и СО. Для снижения токсичности ОГ рекомендуется использовать следующие мероприятия. • Повышение качества изготовления двигателей путем совершенствования технологических процессов и в первую очередь ужесточения технологических допусков на изготовление деталей, формирующих камеру сгорания, систему подачи топлива, впускные трубопроводы систему зажигания. Совершенствование систем пуска, прогрева и холостого хода, применение экономайзера принудительного холостого хода и т. п. Наилучшие результаты по снижению токсичности ОГ дает применение системы впрыскивания бензина. • Применение бензинов с малым содержанием тетраэтилсвинца, переход на газообразные топлива и водород. • Рециркуляция отработавших газов. Если часть ОГ из системы выпуска направить во впускной трубопровод, то концентрация топлива в заряде уменьшится. Это вместе с относительно высокой теплоемкостью продуктов сгорания приводит к понижению максимальной температуры цикла и концентрации кислорода в заряде, а значит, способствует уменьшению образования NOx, и понижает их концентрацию в ОГ в зависимости от нагрузки на 40...50%. Опыты показывают, что для такого снижения концентрации NOх во впускную систему необходимо подавать ОГ в количестве до 20% от количества воздуха. • Нейтрализация отработавших газов — радикальный способ уменьшения токсичности ОГ. Для автомобильных двигателей наибольшее применение получили каталитические нейтрализаторы, в которых специальные вещества (катализаторы) ускоряют протекание реакций окисления СО и СН, а также восстановления NOх. Каталитический нейтрализатор, применяемый для нейтрализации трех компонентов (СО, СН и NOх), называется трехкомпонентным или бифункциональным, его эффективность в значительной степени зависит от состава смеси, на которой работает двигатель. На рис. 16.5 показано изменение степени преобразования ki , токсичных компонентов ОГ от состава смеси. Рис. 16.5. Зона эффективной работы трехкомпонентного нейтрализатора Существует очень узкий диапазон составов смеси вблизи = 1,0, когда имеет место высокая степень преобразования одновременно всех трех основных токсических компонентов, т. е. когда количество кислорода, освобождающегося при восстановлении NOх, достаточно для окисления СО и СН. Поддержание состава смеси в таком узком диапазоне возможно в основном при применении систем впрыскивания топлива с электронным управлением по сигналу кислородного датчика ( -зонд). 16.4 Влияние различных факторов на токсичность и дымность отработавших газов дизелей • Способ смесеобразования оказывает заметное влияние на токсичность ОГ. Это объясняется тем, что в предкамере или вихревой камере процесс сгорания происходит при пониженных температурах и . Догорание заряда в основной камере также идет при относительно невысоких температурах. По этим причинам в дизелях с разделенными камерами сгорания образуется меньше NOх, чем в дизелях с камерой сгорания в поршне. Кроме того, как показано на рис. 16.6, дизели с разделенными камерами выбрасывают с ОГ меньше продуктов неполного сгорания при относительно небольшой дымности выпуска, что объясняется лучшим догоранием СО, СН и сажи в надпоршневом объеме. Рис. 16.6. Дымность и токсичность ОГ двигателей: - - - - - с разделенной камерой сгорания; - с камерой сгорания в поршне Токсичность и дымность ОГ дизелей с неразделенной камерой сильно зависит от интенсивности вихревого движения заряда и от согласования ее с параметрами факела и мелкостью распыливания топлива. В дизелях с пристеночным смесеобразованием, особенно на режимах пуска и прогрева, имеет место повышенный выброс СН и СО. • Увеличение степени сжатия увеличивает температуру заряда, что приводит к улучшению смесеобразования, особенно на малых нагрузках и частотах вращения вала, поэтому выброс СО снижается. Чтобы при этом не возрастал выброс NОх, соответствующим образом подбирают сочетание интенсивности вихревого движения заряда и параметров впрыскивания топлива. Увеличение может способствовать повышению выброса СН. Отрицательное влияние оказывают на токсичность ОГ так называемые защемленные объемы (надпоршневой зазор и т. п.), в которых воздух почти не используется для сгорания топлива. • Подача топлива. Увеличение давления впрыскивания при данном диаметре распыливающих отверстий позволяет позже начинать впрыскивание, оставляя неизменным его окончание, в результате чего уменьшаются выброс NOх, и дымность ОГ. При подвпрыскивании в цилиндр дополнительно подается небольшое количество топлива, которое плохо распыливается и сгорает на пинии расширения с образованием СО, СН и сажи. После посадки иглы на седло пузырьки газа в подыгольном объеме расширяются в результате подогрева и вытесняют топливо в камеру сгорания, где создается локальное обогащение смеси на ходе расширения, что приводит к увеличению выброса СН. Особенно это заметно в дизелях с камерой сгорания в поршне, у которых подыгольный объем Vи составляет 0,3...5 мм3. Рис. 16.7. Влияние подыгольного объема распылителя на содержание СН в ОГ дизеля с камерой сгорания в поршне • Угол опережения впрыскивания ( о.вп ) обусловливает значительное изменение длительности периода задержки воспламенения и доли топлива, впрыснутого за этот период, что сказывается на продолжительности диффузионного сгорания. Например, если 1 сокращается, то доля топлива, впрыснутого до начала быстрого сгорания (Vi), становится меньше, а роль диффузионного сгорания и дымность ОГ соответственно возрастают (рис. 16.8). При уменьшении о.вп в результате снижения температуры сгорания образование NOх, значительно замедляется, но возрастает дымность ОГ, ухудшаются экономические и энергетические показатели работы дизеля. Рис. 16.8. Влияние о.вп на дымность ОГ дизеля с камерой сгорания в поршне: - без наддува; - - - - - - с наддувом • Режим работы. При увеличении нагрузки дизеля (ре > 0,4...0,5 МПа) смесь обогащается и полнота сгорания ухудшается, поэтому возрастает выброс СО и резко повышается дымность ОГ (рис. 16.9, а). Влияние температурного фактора является определяющим в процессе образования NOх в области малых и средних нагрузок, и лишь при больших цикловых подачах топлива рост выхода NOх замедляется или даже прекращается вследствие появления в камере сгорания значительных объемов, в которых практически отсутствует свободный кислород. Рис. 16.9. Влияние нагрузки (а) и частоты вращения (б) на токсичность ОГ четырехтактных двигателей Увеличение частоты вращения до n = 2000 мин-1 приводит к снижению дымности ОГ вследствие улучшения смесеобразования, однако при n > 2000 мин-1 дымность опять несколько возрастает, что объясняется преобладающим влиянием сокращения времени сгорания топлива. На образование NОх, СО и СН частота вращения влияет слабо (рис. 16.9, б). В дизелях с камерой сгорания в поршне дымность ОГ на низких скоростных режимах возрастает в 1,5...2 раза по сравнению с номинальным режимом. Это объясняется тем, что при уменьшении частоты вращения ухудшается распыливание и смешение топлива с воздухом и сажа, образующаяся в зонах камеры с переобогащенной смесью, оказывается в зонах с избытком кислорода слишком поздно, не успевая там окисляться. Поэтому подачу в диапазоне низких частот вращения необходимо ограничивать, т. е. обеспечивать соответствующее корректирование скоростных характеристик топливоподачи. В период разгона автомобиля с дизелем, особенно если последний имеет турбонаддув, в результате кратковременного обогащения смеси значительно возрастает дымность ОГ, в то же время имеет место лишь относительно небольшое увеличение концентрации СО, СН и NOх. 16.5 Снижение токсичности и дымности отработавших газов дизелей Для снижения токсичности и дымности ОГ дизелей рекомендуются следующие мероприятия. • Совершенствование процессов смесеобразования и сгорания. Одновременно со снижением дымности ОГ и содержания в них СО и СН улучшаются мощностные и экономические показатели двигателя. Однако интенсификация сгорания приводит к увеличению концентрации NOх. Для снижения токсичности ОГ дизеля необходимо сокращать длительность задержки воспламенения и за этот период впрыскивать основную долю топлива. Существенное снижение токсичности ОГ можно получить путем наддува дизеля, увеличивая при этом обеднение смеси примерно до min =2. • Топливо и присадки. Увеличение цетанового числа топлива уменьшает период задержки воспламенения, жесткость работы и максимальное давление сгорания, что оказывает сложное влияние на образование токсичных компонентов и дыма. На малых и средних нагрузках увеличение цетанового числа способствует уменьшению выброса NOх и СН, а на больших (в некоторых случаях) — повышению дымности выхлопа. Чем больше в топливе легких фракций, тем лучше его испаряемость, а значит, более однородным будет состав смеси в камере сгорания, что приведет к снижению дымности ОГ и концентрации в них NOх. Добавка к дизельному топливу в количестве до 1% антидымных присадок, например на основе бария, марганца и тетраэтилсвинца, позволяет при больших нагрузках в несколько раз понизить дымность ОГ и содержание в них альдегидов и бензпирена. Использование спиртов в качестве добавок к дизельному топливу сопровождается значительным снижением дымности ОГ при одновременном уменьшении выбросов NOх и СО. Однако выбросы СН при этом сильно возрастают. При работе газодизеля на малых и средних нагрузках, т. е. при использовании обедненных газовоздушных смесей, возрастает выброс СН и СО. На полных нагрузках может наблюдаться повышенный выброс NOх. Выбросы СН и NOх снижаются при увеличении запальной дозы жидкого топлива. Дымность ОГ газодизеля существенно ниже, чем у дизеля. Техническое состояние дизеля. Интенсивность дымления и токсичность ОГ сильно зависят от технического состояния и регулировок топливоподающей аппаратуры. Недопустимы подтекание топлива из распылителя, неправильная регулировка давления начала впрыскивания, зависание иглы распылителя и т. п. Большое значение имеет тепловое состояние распылителя. Перегрев распылителя выше 180...200 °С приводит к его закоксовыванию, нарушению характеристик впрыскивания, ухудшению идентичности подачи топлива через отдельные распыливающие отверстия. В этом случае увеличиваются дымность и токсичность ОГ. При засорении воздухоочистителя или потере герметичности клапанов токсичность ОГ может возрасти в результате снижения наполнения цилиндров и компрессии. В изношенном дизеле в пристеночную зону цилиндра попадают частички масла, что увеличивает выброс высокотоксичного бензпирена в 8...10 раз. Правильная эксплуатация, т. е. поддержание дизеля в хорошем техническом состоянии, и стабильность регулировок топливной аппаратуры в сочетании с систематическим контролем дымности и токсичности ОГ позволяют снизить общий выброс токсичных веществ на 30...40%. • Рециркуляция ОГ более эффективна на режимах малых и средних нагрузок, причем ее эффективность в дизелях с камерой сгорания в поршне выше, чем в дизелях с разделенными камерами. Естественно, что на больших нагрузках рециркуляция ОГ уменьшает индикаторный КПД и увеличивает выброс СО. Сходное с рециркуляцией ОГ воздействие на снижение выхода NOх имеет подача воды во впускной трубопровод или цилиндр дизеля. В последнем случае вода может впрыскиваться вместе с топливом раздельно или в виде водотопливной эмульсии. При добавке воды в количестве 30% (по массе) концентрация NOх снижается в 2,5 раза. Одновременно снижаются выбросы СО и дымность ОГ. Добавка воды для подавления образования NOх наталкивается на ряд практических трудностей, связанных с возможностью ее замерзания, появлением коррозии и увеличением износа некоторых деталей. • Каталитическая нейтрализация ОГ. В окислительных каталитических нейтрализаторах ОГ дизеля проходят через слой катализатора, ускоряющего протекание окислительных реакций, т. е. превращение СО и СН в СО2 и Н2О. В результате каталитической нейтрализации при температуре ОГ более 300 °С концентрация СО уменьшается на 85...90%, а СН — на 75...80%. При низких температурах ОГ (менее 300 °С) эффективность каталитических нейтрализаторов невысока. Из –за наличие в ОГ дизеля кислорода использовать обычные трехкомпонентные каталитический нейтрализатор для уменьшения выброса NOx не представляется возможности • Фильтры и улавливатели сажи и твердых частиц являются эффективным средством снижения дымности ОГ дизелей. В фильтрах сажа и твердые частицы улавливаются при прохождении ОГ через фильтрующий элемент или путем их центрифугирования. В специальных улавливателях создаются электростатические поля в сочетании с центрифугированием. Для очистки фильтров от сажи используются специальные горелки, обеспечивающие ее выжигание. 16.6 Акустические показатели двигателей Акустический баланс двигателя. Причинами возникновения звука являются: • взаимодействие колеблющегося тела со средой; • «быстрое» выделение энергии в конечном объеме среды; • подведение (отток) конечного количества вещества в определенную конечную область среды; • взаимодействие потока вещества с твердым телом. Именно такие физические процессы одновременно или последовательно возникают при осуществлении рабочего цикла. При этом во всех случаях акустическое излучение будет следствие возмущения колебательной системы, распространения в ней колебаний и последующего процесса излучения энергии колебаний в окружающее пространство. На такте впуска из области перед горловиной впускного патрубка будет происходить отток вещества. Движущийся по впускному тракту свежий заряд будет взаимодействовать со стенками, впускным клапаном и другими элементами конструкции. В результате на такте впуска возникает акустическое излучение, которое называют шумом впуска. Излучаемая при этом акустическая мощность обозначается Wв..п. Рис. 16.10. Схема идеализации конструкции двигателя и возникновения акустического излучения При сжатии, сгорании и расширении происходит деформация стенок камеры сгорания, что приводит к колебаниям наружных стенок двигателя. Энергия колебаний стенок в виде звука Wдеф излучается в окружающее пространство. Помимо того, подвод теплоты к рабочему телу в цилиндре двигателя при сгорании также приводит к появлению акустического излучения при сгорании Wсг. Опрокидывающий момент будет вызывать колебания двигателя на подвеске, энергия которых WП в виде звука частично также будет излучаться в окружающее пространство. В механизмах двигателя при работе могут возникать удары сопрягаемых деталей (клапан — седло), что приводит к шуму Wуд. Работа агрегатов, размещаемых на двигателе (вентилятор, топливоподающий насос и др.), приводит также к появлению шума Wаг. При выпуске происходит приток вещества в области, прилегающей к выпускному патрубку; здесь выделится также какое-то количество энергии. Это приводит к возникновению шума выпуска Wвып. Если суммировать все перечисленные составляющие акустической мощности, то получим уравнение акустического баланса двигателя «по рабочему циклу»: Wд = Wвп + Wвып + Wдеф + Wсг + Wп + Wуд + Wаг, содержащее главные составляющие шума двигателя. Возможны другие разновидности уравнения акустического баланса. Действительно, во всех случаях акустическое излучение двигателя осуществляется горловинами впускного и выпускного трактов, а также всей поверхностью двигателя. Опыт показывает, что элементы поверхности двигателя излучают разные количества акустической энергии. Выделив на поверхности двигателя характерные зоны или поверхности отдельных деталей (крышек, головок блока цилиндров, поддона, картера), а затем суммировав акустическую мощность, излучаемую всеми поверхностями, напишем уравнение акустического баланса двигателя «по поверхности»: m Wд = Wвп + Wвып + Wi i 1 где Wi — акустическое излучение, осуществляемое I -м элементом поверхности двигателя; т — количество элементов, на которое разбита вся поверхность двигателя. В зависимости от особенностей организации рабочего процесса в конструкции двигателя 1 м2 его поверхности излучает удельную акустическую мощность 90...115 дБ. 16.6 Снижение шума двигателей Для практической реализации заданной задачи следует рассмотреть прежде всего использование для этих целей виброизоляции и вибропоглощения, звукоизоляции и звукопоглощения. Совокупность этих методов и средств при разумном их использовании приводит к снижению шума двигателя. При конструировании ДВС с целью снижения шума возможно и необходимо использовать также такую организацию конструкции и рабочих процессов ДВС, которые обеспечивали бы минимальное акустическое излучение. • Виброизоляция (ВИ) и вибропоглощение (ВП). Передача звуковой энергии от источника ее возникновения до элементов, которые ее излучают, происходит всегда через детали двигателя. Средства, применяемые в ДВС для снижения уровня звуковой вибрации, могут воздействовать на количество излучаемой энергии двумя путями: во-первых, препятствуя распространению энергии колебательного движения по конструкции (виброизоляция), во-вторых, поглощая энергию колебательного движения на пути ее распространения (вибропоглощение). Колебательная энергия в звуковом диапазоне частот передается по элементам конструкции в виде упругих продольных, изгибных и сдвиговых волн. В диапазоне рабочих нагрузок, характерных для элемент ДВС, деформация пропорциональна действующим напряжениям (линейность процесса деформации). Свойства волн и их характеристики при распространении по простейшим элементам машиностроительных конструкций (стержням, пластинам) при различных способах закрепления достаточно полно описаны в литературных источниках. • Звукоизоляция (ЗИ) и звукопоглощение (ЗП). Под звукоизоляцией понимается снижение уровня звука (шума), поступающего к приемнику, вследствие отражения звуковых волн от препятствий на пути передачи. Звукоизолирующий эффект возникает всегда при прохождении звуковой волны через границу раздела двух разных сред. Чем больше энергия отражения волн, тем меньше энергия прошедших и, следовательно, тем больше звукоизолирующая способность границы раздела сред. Чем большая часть звуковой энергии поглощается преградой, тем больше ее звукопоглощающая способность. Применение различных экранов, капотов и капсул связано со значительными дополнительными затратами как в производстве, так и в эксплуатации, а в ряде случаев и с ухудшением топливной экономичности. Поэтому они, безусловно, более целесообразны в том случае, если конструкция двигателя соответствует оптимальным акустическим показателям и обеспечивает минимальное акустическое излучение. Контрольные вопросы 1. Какие основные токсичные вещества содержатся в отработанных газах? 2. В каких единицах оценивают концентрацию токсичных компонентов в ОГ? 3. Какие испытания включают в себя европейские стандарты? 4. Как влияет коэффициент избытка воздуха на выбросы СО, СН, ? 5. Как влияет угол опережения зажигания на концентрацию токсичных компонентов в ОГ? 6. Какие мероприятия рекомендуются для снижения токсичности ОГ? 7. К снижению какого загрязняющего вещества приводит рециркуляция отработавших газов? 8. Как от способа смесеобразования зависит токсичность ОГ? 9. Как влияет степень сжатия на токсичность ОГ? 10. Причины возникновения звука при работе двигателя. 11. Способы снижения шума двигателя.
