Реферат: Причины образования токсичных компонентов в ОГ ДВС
Скорость процесса определяет наиболее медленная реакция (4). Таким образом, окисление СО зависит от концентрации водорода и гидроксила в продуктах сгорания.
В дизелях, работающих при α> 1, вероятность указанных превращений во фронте пламени мала и в отработавших газах содержится меньше СО, но в цилиндрах находятся дополнительные источники его появления:
— низкотемпературные участки пламени стадии воспламенения топлива;
— капли топлива, поступающие в камеру на поздних стадиях впрыска и сгорающие в диффузионном пламени при недостатке кислорода;
— частицы сажи, образовавшейся в период распространения турбулентного пламени по гетерогенному заряду, в котором при общем избытке кислорода могут создаваться зоны с его дефицитом и осуществляться реакции типа
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 концентрации 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 К1 C — константа скорости реакции; К1 C =7,10-1012 ехр(-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 СХ НУ —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 С20 Н12 . Возможная реакция образования С20 Н12 при пиролизе углеводородных топлив при температуре более 873К возможно соответствует виду:
С6 Н2 +3С2 Н2 +4С2 Н→С20 Н12 (11)
где С6 Н2 — полирадикал, являющий зародыш сажи; С2 Н2, С2 Н — 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: N2 O, NO, N2 O3 , NO2 , N2 O4 и N2 O5 . Преобладает NO (99% в бензиновых двигателях и более 90% в дизелях).
В камере сгорания NO может образовываться: