Воздействие двигателей внутреннего сгорания на окружающую среду

УДК 621.43.06

РЯБКО К.А., к.т.н., доцент

Воздействие двигателей внутреннего сгорания на окружающую среду

Ryabko K.A., Associate Professor

The impact of the internal combustion engines on the environment

Введение

Производственная деятельность

железнодорожного транспорта оказывает воздействие на окружающую среду всех климатических зон нашей страны. На железной дороге при использовании тепловозной тяги необходимая энергия вырабатывается за счет сжигания дизельного топлива. В процессе сжигания топлива выделяются продукты сгорания, содержащие значительное количество вредных веществ.

Цель работы

Разработка способов снижения концентрации выбросов вредных примесей отработавших газов в окружающую среду.

Основной материал

Анализ методов оценки и путей снижения экологического воздействия дизелей на окружающую среду показал, что в настоящее время основными направлениями являются.

1 Изменение угла опережения впрыска топлива; уменьшение угла на 4-5° от штатного приводит к снижению концентрации оксида азота в среднем на 33-37%, а увеличение - к росту концентрации на 15-17%. Иное влияние изменение угла опережения впрыска топлива оказывает на содержание продуктов неполного сгорания топлива. Так, уменьшение угла приводит к снижению концентрации СО при работе

дизеля в диапазоне малых нагрузок и, наоборот, к увеличению - при работе дизеля в области средних и максимальных нагрузок. При угле впрыска больше штатного концентрация СО увеличивается в области малых нагрузок и снижается в области нагрузок, превышающих среднюю. Однако и при работе дизеля в зоне малых нагрузок это не приводит к увеличению его общей токсичности за счет снижения концентрации оксида азота как наиболее токсичного вещества (относительная токсичность СО=1, оксида азота NO2=41,1). По этой же причине наблюдаемое снижение концентрации СО при работе дизеля с углом не компенсирует увеличение общей токсичности дизеля.

Результаты расчета выбросов вредных веществ при работе дизеля показывают, то, что уменьшение угла опережения впрыска топлива вызывает рост содержания продуктов неполного сгорания топлива, общая токсичность дизеля не увеличивается, так как выход наиболее токсичного и трудно обезвреживаемого оксида азота снижается.

Применение такого способа требует разработки и установки на дизеле специальной муфты, позволяющей автоматически менять угол опережения впрыска топлива в зависимости от нагрузки.

2 Применение рециркуляции

отработавших газов на линию всасывания. Другой способ снижения выхода оксида азота у дизелей - рециркуляция части отработавших газов на линию всасывания.

В этом случае в свежем заряде цилиндра снижается доля свободного кислорода, что, в свою очередь, приводит к снижению скорости и температуры сгорания топлива а, следовательно, к ухудшению условий образования оксида азота. Кроме того, уменьшается выбрасываемая масса газов -на величину перепускаемых.

Правда, количественное изменение свежего заряда может негативно отразиться на технико-экономических показателях двигателя. В частности, при чрезмерном перепуске отработавших газов может увеличиться расход топлива с одновременным падением развиваемой дизелем мощности. Поэтому количество перепускаемых газов для каждого двигателя подбирается индивидуально, исходя из условий минимального ухудшения технико-экономических

показателей дизелей и режимов его работы. Как правило, в этом случае за основу берется топливная характеристика. Следовательно, экономические показатели дизеля должны увязываться с указанными ограничениями. В целом рециркуляцию предпочтительно применять на тех тепловозах, в общем времени эксплуатации которых преобладают режимы холостого хода и малых нагрузок.

Применяя указанный способ, можно существенно снизить токсичность дизеля -в основном за счет уменьшения содержания оксидов азота. Однако при этом, к сожалению, возрастает выброс оксида углерода, альдегидов, сажи, нейтрализация которых представляет определенные трудности. Если первые два компонента сравнительно легко могут быть обезврежены (например, в каталитическом нейтрализаторе), то сокращение содержания сажи - более трудная проблема. Частично ее можно дожечь в каталитическом нейтрализаторе, но для этого требуется, чтобы температура в реакторе превышала 450-500°С. Именно при такой температуре начинается процесс выгорания сажи, в частности, на окисных катализаторах типов Азинефтехим - 670, МПК-1, П-4. В настоящее время

разработан опытный катализатор на основе оксида ванадия, снижающий температуру самовоспламенения сажи до 400°С (670 К).

В случае применения рециркуляции газов возникает дополнительная проблема-отложение сажи на внутренних поверхностях дизеля - воздухоподводящем канале, впускных окнах, форсунках. Эту проблему можно решить с помощью использования специальных сажевых фильтров. В настоящее время ряд отечественных и зарубежных

исследователей ведут работы по созданию керамических фильтров (пористые сотовые структуры на основе кордиерита), фильтров на основе металлических сеток и войлока) а также электрофильтров. Такие фильтры способны задерживать до 80-95 % твердых частиц, содержащихся в отработавших газах. Однако в процессе работы первые два из указанных типов фильтров вскоре забиваются сажей, что приводит к резкому росту противодавления в выхлопном трате. Поэтому требуется их регенерация - либо огневая (за счет выжигания сажи специальными горелками), либо за счет противотока, встряхивания.

Эффективность электрофильтров в зависимости от режима работы дизеля составляет 30-80 %, их газодинамическое сопротивление не превышает 1,5 кПА, напряжение на электродах 15-27 кВт, потребляемая мощность 100-200 Вт. Существенным недостатком

электрофильтров являются их

значительные габариты, что связано с низкими скоростями газового потока на электродах (1-1,5 м/с).

3 Применение различных устройств очистки отработавших газов от вредных выбросов (КОх, СО, СО2, 802, ...) нейтрализаторов с катализаторами дожигания углеводородов. Из других методов очистки отработавших газов от оксида азота следует отметить каталитическое его восстановление с помощью платинованадиевого

катализатора в присутствии аммиака. Использование аммиака наиболее приемлемо для применения в

кислородосодержащей среде. Несмотря на сложность и относительно большую стоимость, этот метод может найти применение на железнодорожном транспорте, в первую очередь на станциях реостатных испытаний дизелей. Известны также случаи применения для восстановления оксида азота мочевины, метана, природного газа. Перечисленные способы снижения токсичности

тепловозного дизеля могут быть мокрой и сухой. Применение на тепловозах жидкостных нейтрализаторов нереально ввиду их громоздкости и сложности эксплуатации.

4 Применение электрофизических методов очистки газов.

Возможность использования

импульсной стримерной короны для очистки отработавших газов от экологически вредных составляющих исследуется в настоящее время во многих странах.

При этом привлекательными являются как простота технологии очистки, совмещения реакционной камеры с существующими технологическими

схемами, так и относительно невысокие затраты энергии на процесс очистки. По сравнению с другими способами очистки, очистка с помощью стримерной короны не сопряжена с решением сложных инженерных задач обеспечения высокого ресурса источника энергии - ускорителя электронов в агрессивной среде выхлопных газов. Наличие в газах только коронирующего электрода является несомненным преимуществом этого способа очистки по сравнению с другими способами, что не исключает их комплексного применения.

Одним из основных преимуществ данной технологии является ее высокая селективность воздействия на молекулы вредных компонентов выхлопных газов.

В зоне импульсного наносекундного коронного разряда образуется сильно неравновесная плазма в которой температура ионов практически не отличается от температуры окружающего

нейтрального газа а подавляющая часть энергии полученной от источника идет на повышение температуры электронов или что тоже самое их энергии. Электроны обладающие необходимой энергией в свою очередь являются основными участниками плазмохимических реакций ведущих к очистке отработавших газов.

Таким образом, подавляющая часть энергии внедряемой в газы идет на образование активных частиц реагирующих затем с молекулами экологически вредных примесей.

Механизм очистки: Выхлопные газы проходят через реакционную камеру к которой прикладываются импульсы высокого напряжения столь малой длительности, что пробоя камеры не происходит. При этом в камере возникает интенсивный импульсный коронный разряд представляющий собой одновременное развитие большого числа тонких светящихся каналов разряда - стримеров. Во время прорастания стримеров в межэлектродном промежутке, за счет высокой напряженности электрического поля на головках стримеров нарабатывается большое количество электронов имеющих сравнительно высокую энергию.

Взаимодействие этих электронов с молекулами газа приводит к образованию химически активных частиц таких как О, О3, ОН, Н^2 и т.д. что и является предпосылкой очистки.

Химически активные частицы, взаимодействуя в свою очередь с молекулами примесей окисляют и доокисляют их с образованием безвредных малоактивных соединений.

Основными параметрами процесса очистки являются степень очистки и энергия требуемая на очистку 1м3 газов. При использовании импульсного коронного разряда степень очистки может достигать больших значений (90-95%) и зависит в основном от энергии внедренной в выхлопные газы. Зависимость эта может иметь как линейный так и нелинейный характер.

Энергия требуемая на очистку 1 м газа меняется в зависимости от концентраций и вида загрязняющего компонента. Так по экспериментальным данным очистка воздуха от окиси азота К02 на 80% требует затрат энергии около 15 Втчас/м3, от окиси серы Б02 на 90% - 10 Втчас/м3.

5 Разработка и внедрение альтернативных низко токсичных видов топлив (диметилового эфира, природного газа, водорода) и переход на газодизельный цикл рабочего процесса.

5.1 В этом качестве дизельного топлива можно использовать простой диметиловый эфир, это топливо может радикально решить проблему использования дизельных двигателей в городских условиях, только необходимо разработать дополнительную к обычной, топливную аппаратуру для серийных двигателей. Но топливо должно быть доступным. В ИНХС РАН разработали эффективный способ получения дешевого диметилового эфира из синтез-газа в одну стадию. Диметиловый эфир СН3ОСН3 (ДМЭ) (при комнатной температуре газ, но при минус 25°С он сжижается и под небольшим давлением может быть помещен в баки дизельных двигателей. Параметры его сгорания ДМЭ такие же, как и у дизельного топлива, при сохранении мощности и экономичности полное отсутствие в выхлопе сажи на всех режимах работы и втрое сниженное содержание оксидов азота.

5.2 В связи с тем что дизельный ДВС не может работать на природном газе в чистом виде), одной из мер по снижению токсичности выхлопных газов и экономии дизельного топлива может стать -применение газодизелей. - ДВС с двухтопливной системой: дизельное топливо - газ.

Принцип этой системы состоит в том, что количество подаваемого в цилиндры дизельного топлива уменьшается примерно на 35%, а во впускной коллектор вместе с воздухом подается 35% сухого газа, которые тщательно перемешиваются перед

впуском в цилиндр. Это позволяет двигателю развивать такую же мощность, какую он развил бы при использовании 100% дизельного топлива. Сгорание топлива в цилиндрах происходит более активно, уменьшая дымность отработанных газов почти на 50%.

Но остается открытым вопрос по разработке комплекса мер который бы обеспечил безопасность использования в качестве топлива природного газа на тепловозе.

5.3 Главный претендент на звание «топлива будущего» - водород, запасы которого практически не ограничены, а процесс сжигания в двигателе характеризуется высоким энергетическим и экологическим совершенством. Для получения водорода могут быть использованы различные термохимические, электрохимические или биохимические способы с использованием экологически чистой энергии Солнца. В нашей стране и за рубежом уже созданы

экспериментальные транспортные

средства, использующие водород в жидком виде (с дорогостоящими криогенными баками со специальной термоизоляцией) или в составе твердых металлогидратов (водород выделяется из них при нагревании) в качестве основного топлива или в смеси с традиционными топливами.

Дизельно-водородный двигатель по сравнению с дизельным характеризуется увеличением степени сгорания топлива, при этом уменьшаются выбросы (оксида углерода - в 9 раз, оксидов азота - в 7 раз, углеводородов - в 2 раза) и при 10-15%-й добавке водорода в топливо его расход снижается наполовину.

Преимущества водорода как топлива несомненны. Его теплотворная способность в три раза выше, чем у традиционных топлив, а продукты сгорания содержат безобидный компонент - водяной пар.

Сейчас производственная

потребность водорода, необходимого для производства аммиака, метилового спирта и пластмасс, очень мала, использование водорода в качестве топлива для

двигателей потребует значительного увеличения его производства. В этом заключается одно из главных препятствий на пути широкого применения водорода в качестве двигательного топлива.

6 Использование топливных присадок и водотопливных эмульсий, подача воды в воздушный ресивер.

6.1 Применение в качестве добавок к топливу растительных масел (до 10%) без потери мощности, после их предварительной переработки

(прессование, извлечение эфиров, очистка, рафинирование и др.).

7 Электромагнитная обработка топлива: перед непосредственной подачей его в камеру сгорания, при этом изменяется физическое состояние топлива на молекулярном уровне (ионизация топлива). Такие изменения ведут к улучшению распыления топлива по всему периметру камеры сгорания, что приводит к хорошему смесеобразованию и более качественному и полному сгоранию горючей смеси. Это ведет к уменьшению нагара в камере сгорания, снижению содержания в отработавших газах окиси углерода на 20-50%, углеводородов - на 20-60%, окислов азота - на 20%, дымность - на 30-70%, снижение расхода топлива - до 15% (в зависимости от режима работы). Кроме этого облегчается пуск в зимнее время, повышается надежность и мощность двигателя; улучшается теплообмен; увеличивается моторесурс; уменьшается уровень шума ДВС. При этом энергозатраты составляют 2-5 Вт/ч в зависимости от типа дизеля.

Выводы

Все вышеизложенное позволяет сделать вывод, что единого (универсального) технического решения, удовлетворяющего ужесточающиеся

экологические требования, для дизелей нет. Если использовать только методы воздействия на рабочий процесс, которые в основном способствуют снижению выделений оксида азота, то можно

получить увеличение выбросов оксида углерода, углеводородов, альдегидов и сажи (твердых частиц). Если же применять только средства очистки отработавших газов, то и в этом случае возникают проблемы с содержанием каталитических нейтрализаторов. Поэтому при разработке комплекса антитоксичных устройств для транспортных средств с дизельным приводом необходимо учитывать тип дизеля, режим эго работы, тип топлива и состав его примесей, назначение тяговой единицы. Каждый из используемых элементов такой комбинированной системы должен вносить свой вклад в повышение экологической чистоты, без значительного ущерба для экономичности ДВС.

Список литературы:

1 Берлин, М.А. Переработка нефтяных и природных газов / М.А. Берлин. В.Г. Горечейков, Н.П. Волков. - М.: Химия. -1981. - 472 с.

2 Коузов, П. А. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности / П.А. Коузов, А.Д. Мальгин, Г.М. Скрябин. - Л.: Химия. - 1982. - 256 с.

3Потапкин, Б.В. Влияние добавок кислорода на кинетику диссоциации сероводорода в термической плазме / Б.В. Потапкин, В.Д. Русанов, М.И. Стрелкова,

A.А. Фридман // Химия высоких энергий. -1990. - Т. 24. - №2. - С. 156-161.

4 Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. - Л.: Недра, 1988, - С. 313.

5 Володин, А.И. Локомотивные энергетические установки / В.З. Зюбаков,

B.Д. Кузьмич и др., - М.: ИПК «Желдориздат», 2002. - С.718.

Аннотации:

Производственная деятельность

железнодорожного транспорта оказывает воздействие на окружающую среду всех климатических зон нашей страны. На железной дороге при использовании тепловозной тяги необходимая энергия вырабатывается за счет

сжигания дизельного топлива. В процессе сжигания топлива выделяются продукты сгорания, содержащие значительное количество вредных веществ.

Изменение угла опережения впрыска топлива; уменьшение угла на 4-5° от штатного приводит к снижению концентрации оксида азота в среднем на 33-37%, а увеличение - к росту концентрации на 15-17%. Применение такого способа требует разработки и установки на дизеле специальной муфты, позволяющей автоматически менять угол опережения впрыска топлива в зависимости от нагрузки.

Другой способ снижения выхода оксида азота у дизелей - рециркуляция части отработавших газов на линию всасывания. В этом случае в свежем заряде цилиндра снижается доля свободного кислорода, что, в свою очередь, приводит к снижению скорости и температуры сгорания топлива а, следовательно, к ухудшению условий образования оксида азота. Применяя указанный способ, можно существенно снизить токсичность дизеля - в основном за счет уменьшения содержания оксидов азота. Однако при этом, к сожалению, возрастает выброс оксида углерода, альдегидов, сажи, нейтрализация которых представляет определенные трудности.

При разработке комплекса антитоксичных устройств для транспортных средств с дизельным приводом необходимо учитывать тип дизеля, режим эго работы, тип топлива и состав его примесей, назначение тяговой единицы. Каждый из используемых элементов такой комбинированной системы должен вносить свой вклад в повышение экологической чистоты, без значительного ущерба для экономичности ДВС.

Ключевые слова: выбросы вредных веществ; отработавшие газы; степень очистки; рециркуляция; загрязняющие компоненты.

Production activity of rail transport has an impact on the environment of all the climatic zones of the country. On the railway using diesel traction necessary energy is produced by burning diesel fuel. During the combustion of fuel allocated combustion products containing a substantial amount of harmful substances.

Changing the angle of fuel injection timing; reduction angle 4-5 ° from the regular reduces the concentration of nitrogen oxide in an average of 3337% and increase - to increase the concentration of 1517%. Application of this method requires the development and installation of a diesel engine on a special clutch that automatically change the angle of fuel injection timing depending on load.

Another way to reduce the release of nitrogen oxide in diesel engines - recirculation of the exhaust gas in the suction line. In this case the fresh cylinder charge in decreasing proportion of free oxygen, which in turn leads to a decrease in speed and combustion temperature and, hence, to a deterioration of the conditions of formation of nitrogen oxide. Applying this method, we can significantly reduce the toxicity of diesel - mainly due to the reduction of nitrogen oxides. However, unfortunately, increased emissions of carbon monoxide, aldehydes, carbon black which neutralization presents certain difficulties.

When designing complex antitoxic device for vehicles with a diesel drive is necessary to consider the type of diesel engine, the ego mode of operation, type of fuel, and the composition of its impurities, the appointment of the traction unit. Each of the used elements of such a combined system is expected to contribute to the improvement of ecological purity, without significant damage to the economy of the internal combustion engine.

Key words, emissions of hazardous substances; the exhaust gases; degree of purification; recycling; contaminating components.