Токсичность и дымность отработавших газов.

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.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 матери­
алов, расходуемых при изготовлении и использовании ДВС;

• количества энергии, затрачиваемые при производстве
и использовании двигателей и материалов, следует понимать как
определяющих качество экологической чистоты ДВС.

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), топ-

лив и масел приведены в табл. 6.1. Все величины выбросов удельные, т. е. они отнесены к единице массы материала. Данные, содержащиеся в табл. 6.1, 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.Естественно, при этом необходимо знать расходы матери­алов на изготовление дви­гателя; для существую­щих двигателей сведения о фактических расходах материалов известны. При проектировании в. лервом приближении до­статочно знать массу дви­гателя. В этих целях мож­но использовать данные, приведенные на рис. 6.2. Здесь даны поля значений величины удельной массы двигателя Мул в зависимо­сти от его мощности.

Размеры эксплуатировавшихся в мире в 50...90-е годы (рис. 6.3, а) и расход нефти, газа и угля (рис. 6.3, 6). 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 СО 2 позволяет переход на использование в качестве топлива природного сжатого газа. Снижение выбросов СО2 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 охлажденную 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 теплотворную спосо­бность, чем исходное газовое топливо. Такие же положительные эффекты дает использование по аналогичной схеме спиртового топлива — метанола.

Следующим шагом по уменьшению выбросов СО2 является использование водорода в качестве моторного топлива.В отработавших газах присутствует очень большое количест­во химических веществ (до 300), из которых главное внимание уделяется так называемым токсичным составляющим СО, СН, N0, и саже (твердым частицам). Токсичными называются веще­ства, оказывающие вредное влияние 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, соединения серы и свинца и множество других составляющих, которые по степени токсичности опаснее, чем СО, СН и NOK Помимо ОГ источниками токсичности двигателей являются также картерные газы и испарение топлива в атмосферу. На­ибольшее выделение токсичных веществ в атмосферу происходит с ОГ, поэтому уменьшению токсичности ОГ уделяется главное

внимание. Концентрацию токсичных компонентов в сухих ОГ оценива­ют в объемных процентах, миллионных долях по объему (млн"1) и реже в миллиграммах на 1 л ОГ..

Оксид углерода СО, % Оксиды азота, млн" Углевддороды, млн" Сажа, мг/л

На основании действующих в нашей стране санитарных норм на предельное содержание токсичных веществ в воздухе можно в первом приближении принять следующее соотношение токсичности компонентов СО: NOX: СН = 1: 25: 67.