Экологические характеристики двигателей внутреннего сгорания

Современные масштабы выпуска поршневых ДВС и их использование привели к тому, что стало значительным их воздействие на окружающую среду. Условия существования жизни на Земле возможны, как известно, в очень узких пределах изменения физических и химических характеристик окружающей среды. Размеры выбросов от ДВС таковы, что они существенно могут менять концентрации химических веществ, входящих в состав воздуха, воды, почв, которые становятся опасными для жизни биологических существ и прежде всего для человека.

Учение об экологических характеристиках ДВС следует понимать как раздел промышленной экологии, который рассматривает воздействие техники на природу. Это воздействие может быть от единичного двигателя — локальное, или от всей совокупности эксплуатируемых ДВС совместно со всеми элементами инфраструк­туры, обеспечивающей их эксплуатацию,— глобальное.

Оценки совокупного воздействия двигателя на окружающую среду возможны. Автомобили и двигатели образуют транспортные потоки, которые перемещаются по улично-дорожной сети. Выделив участок территории, получим транспортный поток плотностью Р авт./км или интенсивностью I авт./ч, для которого можно получить изменение характеристики множества автомобилей, которые перемещаются по выделенной территории. Зная топливно-экономическую характеристику автомобиля (двигателя), можно найти расход топлива автомобильным потоком на выделенной территории. По расходу топлива возможны оценки токсичных выбросов автомо­бильным потоком, что и определяет его воздействие на окружающую среду. По данной схеме возможны оценки экологического воздействия любого автомобильного потока на автомагистрали или уличной сети.

К экологическим показателям ДВС следует отнести такие, которые характеризуют прямое и косвенное воздействие на окружающую среду. В соответствии со вторым законом термодинамики ДВС всегда будет выбрасывать теплоту в окружающее пространство. Чем выше КПД двигателя, чем лучше его топливная экономичность, тем выше его экологические качества.

Цикличность работы ДВС и процесс сгорания топлива предполагают использование кислорода воздуха и химические превращения веществ в цилиндре ДВС с образованием вредных веществ, а затем их выброс в атмосферу.

Кроме тепловой ДВС выбрасывает в окружающее пространство механическую энергию — акустическое излучение (вибрации и шум).

Таким образом, совокупность показателей, характеризующих тепловое и вещественное взаимодействие работающего ДВС с окружающей средой; акустическое излучение (шум), вибрации; количества конструкционных и эксплуатационных материалов, расходуемых при изготовлении и использовании ДВС; количества энергии, затрачиваемые при производстве и использовании двигателей и материалов, следует понимать как определяющую качество экологической чистоты ДВС.

Рис.43.

Схема, приведенная на рис. 43, показывает в общем виде взаимодействие ДВС с окружающей средой.

Прежде всего следует отметить техногенное воздействие на окружающую среду при создании двигателя. Начало его имеет место при разведке и добыче 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. Оценка экологических качеств технологических процессов изготовления (литье, ковка, механическая обработка, сборка) и их сравнительный анализ — важная самостоятельная задача, здесь же ограничимся самой общей характеристикой, каковой является величина затрат энергии, которые имеют место при производстве единицы материала (чугуна, стали, бензина) или собственно двигателя.

Сведения о величине выбросов некоторых веществ при производстве основных конструкционных и эксплуатационных матери­алов (металлов, пластмасс, резинотехнических изделий), топлив и масел приведены в табл. 4. Все величины выбросов удельные, т. е. они отнесены к единице массы материала. Данные, содержащиеся в табл. 4, позволяют делать сравнительные оценки совершенства существующих и проектируемых конструкций ДВС, а также дать заключения о том, какова мера воздействия на окружающую среду при производстве материалов для изготовления двигателя и обеспечения его использования.

Таблица 4

Естественно, при этом необходимо знать расходы материалов на изготовление двигателя; для существующих двигателей сведения о фактических расходах материалов известны. При проектировании в первом приближении достаточно знать массу двигателя.

Рис.44

Размеры общих тепловых выбросов можно характеризовать данными, приведенными на рис. 50. На рисунке дано общее количество энергии 2_т, использованное человеком, а также общее количество автомобилей iV_a, эксплуатировавшихся в мире в 1950—2000 гг. (рис. 50, б), и расход нефти, газа и угля (рис. 50, а). Естественно, количество работающих поршневых двигателей существенно больше, чем количество автомобилей, так как следует учитывать мото­технику, сельскохозяйственные и дорожно-строительные машины, стационарные установки, суда и самолеты с поршневыми двигателями. В этом случае общее количество ДВС приближается к 1 млрд.

Не будет грубой ошибкой считать, что 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 СО₂. 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. Снижение выбросов С0₂ возможно также при осуществлении непосредственно на двигателе конверсии природного газа с водяным паром и СО₂, частично извлекаемым из ОГ, с одновременным использованием их теплоты и энергии, уходящей в охлаждающую среду, так как конверсионные реакции являются эндотермическими. При такой реализации конверсии теплоиспользование в ДВС получается более высоким, так как возникающий в результате конверсии синтезированный газ имеет более высокую удельную теплоту сгорания, чем исходное газовое топливо. Такие же положительные эффекты дает использование по аналогичной схеме спиртового топлива — метанола. Метанол можно получать, например, из биомассы, которая выращивается для этих целей. При выращивании зеленой массы СО₂ поглощается из атмосферы, а при снижении метанола в двигателе СО₂ выбрасывается в атмосферу. Поэтому в таком цикле не происходит увеличение концентрации СО₂ в окружающей среде.

Следующим шагом по уменьшению выбросов СО₂ является использование водорода в качестве моторного топлива, при его сжигании в ОГ двигателя СО₂ отсутствует.

В ОГ содержится очень большое количество химических веществ (до 300), из которых главное внимание уделяется так называемым токсичным составляющим СО, СН, N0 и саже (твердым частицам). Токсичными называют вещества, оказывающие отравляющее действие на организм человека и окружающую среду.

Очень часто вся проблема экологического совершенства ДВС сводится к поиску способов снижения содержания этих токсичных веществ в ОГ. Безусловно, они вредны и их выбросы нужно снизить, но этим задача экологического совершенствования ДВС не исчерпывается. В ОГ содержатся также канцерогенные вещества ПАУ (полициклические ароматические углеводороды), соединения серы и свинца и множество других составляющих, которые по степени токсичности опаснее, чем СО, СН и N0_х.

Помимо ОГ источниками токсичности двигателей являются также картерные газы и испарение топлива в атмосферу. Наибольшее выделение токсичных веществ в атмосферу происходит с ОГ, поэтому основное внимание уделяется уменьшению токсичности ОГ.

Концентрацию токсичных компонентов в сухих ОГ оценивают в % (об.), миллионных долях по объему (млн^-1) и реже в мг/л.

Диапазоны изменения количества токсичных компонентов в ОГ приведены табл. 5

Таблица 5

Значимость отдельных компонентов (в порядке убывания) для общей токсичности ОГ с учетом действующих норм на предельно допустимые концентрации следующая: соединения свинца (Pb), NO_х ПАУ, СО и СН. В соответствии с действующими в Российской Федерации нормами на предельнодопустимые концентрации (ПДК) относительная токсичность ряда составляющих ОГ располагается следующим образом: СО; NO_X; СН; РbСН; С₂₀Н₁₂ (бенз-α-пи-рен)= 1:40:1,25:22000:1250000.