ЛЕКЦІЯ № 7 ШКІДЛИВІ ВИКИДИ АВТОМОБІЛІВ

 

Шкідливі компоненти, що забруднюють довкілля. Ми спалюємо паливо, щоб зробити корисну роботу. Що при цьому відбувається з погляду хімії й фізики? Паливо – це суміш вуглеводнів. Приймемо для простоти, що всі вони алкани (тобто насичені вуглеводні) із загальною формулою C_nH_2n+2. Горіння – це окиснення, тобто з’єднання з киснем:

Для окиснення одного моля палива ми витратили 1,5n+0,5 моля кисню, а він потрібний для дихання людям, тваринам і рослинам. Ми викинули в атмосферу велику кількість тепла Q1 – 43...44 МДж на кожен кілограм згорілого палива, та ще 2...2,5 МДж/кг виділилося при конденсації водяної пари (Q2). Останні два сторіччя техногенне нагрівання атмосфери неухильно зростає, і кліматологи б'ють тривогу: уже відзначене зменшення льодових полярних шапок Землі, а це грозить підйомом рівня світового океану й затопленням величезних ділянок суши, що населені і обробляються. Катастрофу наближає водяна пара й вуглекислий газ, що створють парниковий ефект: сонячні промені, проходячи крізь шар CO₂, нагрівають поверхню Землі, але тепло не може піти в космос, CO₂ і водяні пари поглинають тепло, тобто працюють як ковдра.

У грудні 1997 р. був прийнятий міжнародний документ – Кіотський протокол. Він зобов'язує скоротити або стабілізувати викиди парникових газів. Мета – знизити в 2008-2012 р. сукупний середній рівень викидів 6 типів газів (CO₂, CH₄, гідрофторвуглеводні, перфторвуглеводні, N₂O, SF₆) на 5,2 % у порівнянні з рівнем 1990 р. Росія й Україна зобов’язалися зберегти середньорічні викиди в 2008-2012 р. на рівні 1990 р.

У Європі автомобільний транспорт є причиною близько 20% всіх викидів СО₂, у тому числі легкові автомобілі – близько 12%. І ці цифри ростуть: від 21% в 1990 році до 28% в 2004 році. ЄС поставив мету знизити викид СО₂ до 120 г/км для всіх нових легкових автомобілів до 2012 р. Однак домоглися в 2005 році лише 160 г/км (від 186 г/км в 1995), однак зараз звітні дані наближаються до наміченого.

З іншого боку, усе більше нафти потрібно для виробництва синтетичних матеріалів, у тому числі й білкових препаратів, використовуваних як добавки в корм худобі. Те, що ми спалюємо у двигунах сьогодні, не зможуть з'їсти наші онуки завтра. Що ж робити?

1) удосконалювати конструкцію автомобілів і двигунів, щоб підвищити ККД і знизити нагрівання атмосфери; 2) шукати заміну вуглеводневому паливу, щоб зменшити парниковий ефект. Цим інтенсивно займаються вчені й інженери в усьому світі, намічені цікаві перспективи, досягнуті певні успіхи. У числі інших заходів, новий закон Євросоюзу обмежує опір коченню шин. До 2014 року він має становити не більше 0,0105. Це допоможе заощаджувати бензин і зменшувати, тим самим, шкідливі викиди. Усе більше стає гібридних автомобілів. На нових автомобілях широко застосовуються наддування, системи стоп-старт і рекуперація енергії гальмування. А що робити нам, експлуатаційникам? Використати всі доступні засоби, щоб зменшувати витрату палива.

Але крім проблем завтрашніх, існують і проблеми сьогоднішні: відпрацьовані гази (ВГ) містять не тільки невинні СО₂ і воду, але й безліч домішок, у тому числі токсичних (отруйних). Насамперед , це продукти неповного згоряння палива (170 речовин з 200, що входять в ВГ) – монооксид вуглецю CO (окис вуглецю), незгорілі вуглеводні, незгорілий вуглець (сажа) і ін. Утворюються й інші токсичні з'єднання, наприклад, альдегіди й бенз[а]пірен. Під впливом CO еритроцити крові втрачають здатність брати участь у газовому обміні. Наступає кисневе голодування, яке насамперед впливає на мозок. Людина відчуває головний біль, засипає, а при великій дозі CO – назавжди. Багато які вуглеводні токсичні: метан, етан, пропан (популярне в детективах отруєння побутовим газом), етилен, ацетилен, бензол. Тому припустима концентрація пари бензину в повітрі – 1,5 мг/м³, усього в 1,5 рази більше припустимої концентрації CO. Альдегіди (формальдегід, акролеїн) шкідливо діють на нервову систему й органи дихання. Особливо отруйний акролеїн, уже при концентрації 0,002% він викликає сильне подразнення слизових оболонок. Сажа безпечна сама по собі, але на її частках адсорбуються молекули різних з'єднань, наприклад, бенз[а]пірена – а це типовий хімічний канцероген, він небезпечний для людини навіть при малій концентрації, оскільки має властивість біоакумуляції – накопичування в організмі).

Висновок: необхідно домагатися повнішого згоряння палива. Якими способами?

Насамперед, слід ширше використати режими роботи при збідненій суміші (a>1): чим більше повітря, тобто кисню в паливо-повітряній суміші, тим повніше згоряння. Коефіцієнт надлишку повітря a – відношення фактичної кількості повітря в суміші до теоретично необхідного, тобто такого, при якому кисню в суміші рівно стільки, скільки необхідно для повного згоряння палива без залишку (тоді a =1). Найбільш повне згоряння відбувається, якщо суміш складається з 14,7 частини повітря й однієї частини пари бензину. Таке співвідношення "повітря-паливо" називається стехіометричним.

Менше працювати на холостому ході.

Домагатися поліпшення сумішоутворення – гомогенності (однорідності) суміші, тобто такого стану, коли паливо розпилене в повітрі дрібними, приблизно однаковими краплями, рівномірно розподіленими по обсязі. Для цього застосовують різні вставки між фланцями карбюратора й впускного колектора у вигляді сіток, лопатей і т.п. Вони збільшують турбулентність потоку й сприяють перемішуванню суміші, однак, будучи перешкодами на шляху потоку, зменшують його швидкість, погіршують наповнення камери згоряння й знижують потужність. Набагато краще створений у ХАДІ ультразвуковий гомогенізатор. Ультразвук роздроблює великі краплі й розриває плівки палива. Гомогенізатор не є перешкодою для потоку, тому не знижує потужність. Завдяки повнішому згорянню не тільки зменшується вміст CO і CnHm у ВГ, але й зменшується на 5...10% витрата палива.

У сучасних ДВЗ із упорскуванням палива сопла форсунок забезпечують необхідну якість розпилення палива й гомогенність суміші.

Однак всі описані заходи мають і зворотний бік. Зі збільшенням a (під навантаженням і при середніх оборотах) підвищується температура й тиск у камері згоряння – і утворюється більше оксидів азоту. У звичайних умовах азот інертний і не вступає в реакції окиснення. Але ж він присутній, ми подаємо у двигун не чистий кисень, а повітря, у якому азоту 78%, тобто в 3,7 рази більше, ніж кисню, якого 21%. Строго кажучи, нашу хімічну реакцію треба було записати так: