Лекции / Л11 Экология транспорта

Дизельные двигатели

Если в карбюраторном двигателе воспламенение горючей смеси является принудительным, то в дизельном двигателе горючая смесь топлива и воздуха самовоспламеняется (цикл Сабатэ): в сжатый нагретый воздух (давление 3÷3,5 МПа, температура 500-600°C) впрыскивается топливо, a=1,4÷1,7. Чем легче самовоспламеняется топливо, тем легче запуск двигателя, тем равномернее нарастания давления при его сгорании. В дизельных двигателях одновременно протекают процессы испарения капель топлива, окисление их паров, а также догорание отдельных капель в процессе расширения. Дизельные двигатели на 25-30% экономичнее карбюраторных.

Топливом для дизельных двигателей являются лигроин, керосин, т.е. фракция углеводородов с температурой кипения в интервале 180-190°C (С10-С16). Наиболее желательными компонентами дизельных топлив являются алканы с прямой цепью, т.к. они легче воспламеняются:

н-алканы>изоалканы>алкены>диены>арены>полициклические ароматические углеводороды

За эталон хорошего дизельного топлива принят цетан (н-С16Н34), цетановое число которого принято равным 100. Меньшим цетановым числом обладают изопарафины и нафтены, еще меньшим - ароматические углеводороды. Цетановое число a-метилнафталина принято равным нулю.

Вследствие большого избытка воздуха, протекания процесса при высоких температурах, создаются благоприятные условия для повышенного образования оксидов азота. Кроме того, предельные содержания серы в дизельных топливах выше, чем в моторных, что является причиной увеличения выбросов SO2. Углеводородный же состав дизельных топлив благоприятен для образования полициклических ароматических соединения (бензапирена), являющихся канцерогенами, и сажи, которая, как показал Томас (1962 г.) имеет строение полиароматических углеводородов и является аналогом антрацену (С32Н16).

21

Современные экологические требования к дизельным топливам: цетановое число не менее 54-58; содержание серы, 0,05÷0,01%; содержание ароматических углеводородов 10÷5%; содержание полициклических ароматических углеводородов, ПАУ, 1,4÷0,02 % (Швеция).

Примерный состав отработанных газов карбюраторных и дизельных мото-

В реактивных топливах метановые углеводороды с прямой цепью должны отсутствовать, т.к. их кристаллизация при пониженных температурах может явиться причиной закупорки топливных фильтров двигателя. Слаборазветвленные метановые углеводороды являются желательными компонентами топлива.

Экология дизельного топлива

Под малосернистым дизельным топливом понимают Д/Т с содержанием серы 0,035% масс. До недавнего времени содержание серы составляло 0,2÷0,5% масс. Содержание серы в дизельном топливе является важнейшим показателем его качества и определяет количество выбросов SO2 в атмосферу. Сера к тому же является каталитическим ядом и отравляет катализатор дожига. Чем меньше ее в топливе, тем дольше служит каталитический нейтрализатор, дожигающий токсичный оксид углерода (СО), несгоревшие углеводороды (СxНy) и вредные оксиды азота (NOx). При концентрации серы менее 350 мг/кг нейтрализатор будет исправ-

22

но работать не один десяток тысяч километров. Сера, взаимодействуя с драгоценными металлами нейтрализатора, снижает их химическую активность.

Получение малосернистого дизельного топлива связано с дополнительными затратами на его гидроочистку (давление водорода, катализатор, утилизация образующегося Н2S).

Ужесточились требования по содержанию ароматических углеводородов (не более 10%), которые влияют на процесс сажеобразования и определяют дымность выхлопа дизельного двигателя.

Дизельное топливо с улучшенными экологическими свойствами по сравнению с обычным имеет следующие преимущества:

-более полное сгорание

-снижение выбросов SO2 в 4÷10 раз; СО и углеводородов на 30÷40% и 20÷30% соответственно

-уменьшение расходов топлива на 2÷3%, что снижает количество выхлопных газов

-уменьшение коррозионной активности с уменьшением выбросов SO2

-увеличение срока службы каталитических нейтрализаторов выхлопных газов (сера является каталитическим ядом).

Расчет загрязнения воздуха

60% загрязнений атмосферы приходится на автотранспорт. Оценку загрязнения воздуха отработавшими газами двигателей проводят по суммарному количеству выбрасываемых компонентов с учетом вредности каждого из них, причем эту величину следует относить к единице мощности, развиваемой двигателями.

Для оценки вредности конкретного двигателя при определенном режиме его работы введен параметр - удельная токсичность отработанных газов, qe:

qe = å ПДКСО Gi i ПДКi Ne

23

ПДКСО и ПДКi - предельно допустимые концентрации в атмосфере СО и i-го компонента; Ne - эффективная мощность, развиваемая двигателем; Gi - масса токсичного i - вещества, выделяемого двигателем в ед. времени, т.

Для того, чтобы учесть различную токсичность веществ, каждый из них приводится к наиболее токсичному веществу - СО. Это осуществляется при помощи отношения, показывающего, во сколько раз СО более или менее опасен, чем i вещество.

Формула теряет смысл при оценке токсичности выбрасываемых газов на холостом ходу, когда Ne=0. Для случая холостого хода введена величина, называемая условной удельной токсичностью холостого хода:

Nmax - максимальная мощность, развиваемая данным двигателем.

Для оценки токсичности (наряду с оценкой по ПДК) используют индекс концентрации - безразмерную величину, учитывающую количество вредного выброса и степень его токсичности. Численно индекс концентрации равен кратности разбавления отработавшего газа (ОГ), содержащего вредный компонент, воздухом до достижения его ПДК.

Способы снижения токсичности выхлопных газов

1. Рациональность движения Минимальная токсичность двигателя достигается при нагрузке ~ 70÷80%

максимальной. В городе невозможно эксплуатировать автомобиль на каком-то постоянном режиме. Режимы постоянно меняются, причем значительное время занимают режимы малых нагрузок, холостого хода и торможения. Автомобиль в городских условиях нормально работает 57% общего времени; на холостом ходу 27%, а на торможении 16% времени.

Уменьшение торможения, увеличение равномерности движение приведет к снижению токсичности выхлопных газов. Все это может исправить рациональное

24

градостроение: создание подземных переходов, эстакад. Введение одностороннего движения, точное регулирование скорости потока машин.

2. Применение присадок к топливу Применение присадок к топливу способствует более полному сгоранию и

уменьшению выброса СО, альдегидов, углеводородов, сажи и др. В качестве присадок используют спирты, простые эфиры, добавление которых от долей до десятков процентов снижает до нуля содержание СО в выхлопных газах.

Присадки к дизельному топливу снижают дымность, т.е. сажеобразование. В жидком виде присадку добавляют от 0,25 до 1,0% от объема топлива. Дымность при этом уменьшается более, чем в 100 раз.

3. Жидкостные нейтрализаторы Жидкостные нейтрализаторы применяют в дизельном двигателе для уменьшения

выхода альдегидов и оксидов азота. Наиболее эффективны 10%-ные растворы Na2SO3 или NaНSO3 с добавками 0,5% гидрохинона для предохранения от преждевременного окисления основного реагента

Na2SO3 + Н2С=О + Н2О ® NaOH + СН2(NaSO3)ОН 2NО2 + Н2О ® НNО2 + HNO3

Частично при этом удаляется сажа.

Жидкостные нейтрализаторы имеют крупные недостатки: большую массу и габариты, сложность в обслуживании (пополнение реактивов и периодическая чистка аппаратуры), замерзание при низких температурах. Были удачно применены на МАЗах при строительстве Нурекской ГЭС. Нейтрализатор включали кратковременно только при прохождении самосвалов через туннель.

4. Пламенное дожигание Пламенное дожигание некоторых компонентов выхлопных газов может быть ис-

пользовано только при обеспечении достаточно высоких температур: для окисления альдегидов требуется 550°C; для СО и углеводородов - 700°C. Оксиды азота, естественно, этим методом не уничтожаются, поэтому применение пламенных нейтрализаторов неперспективно.

5. Каталитические нейтрализаторы

25

Каталитическая нейтрализация осуществляет дожиг несгоревших компонентов на катализаторах, что является наиболее эффективным средством для снижения вредности отработавших газов. Оксиды азота на специальных катализаторах восстанавливаются до азота. Если нейтрализатор предназначается для карбюраторного двигателя, то газы предварительно разбавляют воздухом. Степень дожига органических соединений на отечественных Pt-содержащих катализаторах достигает 80÷90%. Нейтрализатор прогревается и начинает работать спустя 10÷15 минут после пуска двигателя. Минимальная температура, при которой начинает работать

Нейтрализаторы для дизельных двигателей могут загрязняться сажей, смолами, коксом, каплями масла, что приводит к отказу их в работе. В последних конструкциях стационарный слой катализатора заменен на кипящий, но это повышает требования к механической прочности катализатора.

6. Уменьшение вредности бензина Для мощных двигателей требуется высококачественный бензин с высоким

значением О.Ч. В настоящее время рассматривается единственный путь его повышения - это каталитическая изомеризация н-алканов прямогонного бензина и газоконденсата.

26

Таблица 16. Альтернативные топлива

СНГ - сжатый природный газ СПГ - сжиженный нефтяной газ

- плохо; + хорошо

27