Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания

Введение

Газы, выделяемые в результате реакций топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Выхлопные газы или дымовые газы образуются при сгорании таких видов топлива, как природный газ, бензин, дизельное топливо, мазут, смеси биодизельного топлива или уголь. В зависимости от типа двигателя, они выбрасываются в атмосферу через выхлопную трубу, дымоход или сопло двигателя. Часто они рассеиваются по ветру в виде так называемого выхлопного шлейфа. Выхлопные газы являются основным компонентом выбросов от автотранспортных средств (и от стационарных двигателей внутреннего сгорания), которые также могут включать в себя продувку картера и испарение неиспользованного бензина. Выбросы от автотранспорта – распространенный источник загрязнения воздуха и один из основных факторов образования смога в некоторых крупных городах. Исследование, проведенное в 2013 году Массачусетским технологическим институтом (MIT), показало, что только в США ежегодно происходит 53 000 случаев преждевременной смерти из-за выбросов от автотранспорта. Согласно другому исследованию того же университета, только в Великобритании ежегодно 5000 человек умирают исключительно от выхлопных газов, вызванных дорожным движением.

Состав

Наибольшая часть газов, образующихся при сгорании, состоит из азота (N2), водяного пара (H2O) (за исключением случаев сгорания чистого углеродного топлива) и углекислого газа (CO2) (за исключением топлива, не содержащего углерод); эти вещества не являются токсичными или вредными (хотя водяной пар и углекислый газ – это парниковые газы, способствующие изменению климата). Относительно небольшую долю газов сгорания составляют нежелательные, вредные или токсичные вещества, такие как оксид углерода (CO), образующийся при неполном сгорании, углеводороды (правильно обозначаемые как CxHy, но обычно указываемые просто как "HC" в протоколах испытаний на выбросы) из-за неполного сгорания топлива, оксиды азота (NOx), образующиеся при высоких температурах сгорания, и твердые частицы (в основном сажа).

Температура выхлопных газов

Температура выхлопных газов (EGT) важна для работы каталитического нейтрализатора двигателя внутреннего сгорания. Её можно измерить с помощью указателя температуры выхлопных газов. EGT также является показателем состояния двигателя в газотурбинных двигателях (см. ниже).

Моторы на холоде

В течение первых двух минут после запуска двигателя автомобиля, который не эксплуатировался в течение нескольких часов, объем выбросов может быть очень высоким. Это происходит по двум основным причинам:
Необходимость обогащенной топливно-воздушной смеси в холодных двигателях: При запуске холодного двигателя топливо не испаряется полностью, что приводит к повышенным выбросам углеводородов и угарного газа, которые снижаются только по мере прогрева двигателя до рабочей температуры. Продолжительность этого этапа запуска была сокращена благодаря достижениям в области материалов и технологий, включая компьютерное управление впрыском топлива, укороченные впускные каналы и предварительный подогрев топлива и/или всасываемого воздуха.
Низкая эффективность каталитического нейтрализатора в холодном состоянии: Каталитические нейтрализаторы очень неэффективны до достижения рабочей температуры. Время прогрева было значительно сокращено за счет приближения нейтрализатора к выпускному коллектору и, еще больше, путем установки небольшого, но быстро нагревающегося нейтрализатора непосредственно на выпускном коллекторе. Этот небольшой нейтрализатор справляется с выбросами при запуске, что дает достаточно времени для прогрева основного, более крупного нейтрализатора. Дальнейшие улучшения возможны различными способами, включая электрический подогрев, теплоаккумулятор, предварительный нагрев химической реакцией, нагрев пламенем и сверхэффективную теплоизоляцию.

Двигатели с искровым зажиганием и дизельные двигатели

В двигателях с искровым зажиганием газы, образующиеся в результате сгорания топливно-воздушной смеси, называются выхлопными газами. Состав варьируется от бензиновых до дизельных двигателей, но приблизительно соответствует следующим значениям:
Выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания. Все цифры приблизительны, в % от общего объема.
Соединение | Бензин | Дизель
---|---|---
Азот | 71 | 67
Углекислый газ | 14 | 12
Водяной пар | 13 | 11
Кислород | 10 | Следовые количества (~0.3)
Оксиды азота | < 0.25 | < 0.15
Окись углерода | 1-2 | < 0.045
Твердые частицы | < 0.045 | -
Углеводороды | < 0.25 | < 0.03
Диоксид серы | Возможные следы | < 0.03

Содержание 10% кислорода для дизельного двигателя вероятно, если двигатель работал на холостом ходу, например, на испытательном стенде. При работе двигателя под нагрузкой это значение значительно меньше, хотя дизельные двигатели всегда работают с избытком воздуха по отношению к топливу. Содержание CO в выхлопных газах бензиновых двигателей варьируется от ≈15 ppm для хорошо настроенного двигателя с впрыском топлива и каталитическим нейтрализатором до 100 000 ppm (10%) для карбюраторного двигателя с богатой смесью, обычно используемого в небольших генераторах и садовой технике.

Нитрометан добавка

Выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания, работающего на топливе, содержащем нитрометан, содержат пары азотной кислоты, которые являются коррозионными и, при вдыхании, вызывают мышечную реакцию, препятствующую дыханию. Лица, подвергающиеся риску воздействия, должны использовать противогаз.

Газотурбинные двигатели

В авиационных газотурбинных двигателях "температура выхлопных газов" (EGT) является основным показателем работоспособности двигателя. Как правило, EGT сравнивается с основным показателем мощности двигателя, называемым "отношением давлений двигателя" (EPR). Например, при максимальном EPR существует максимально допустимый предел EGT. Когда двигатель достигает стадии эксплуатации, на которой он достигает этого предела EGT, требуется проведение специализированного технического обслуживания для устранения неисправности. Разница между пределом EGT и фактическим значением EGT называется запасом по EGT. Запас по EGT двигателя максимален, когда двигатель новый или после капитального ремонта. Большинство авиакомпаний также дистанционно отслеживают эту информацию через систему ACARS в отделе технического обслуживания.

реактивные и ракетные двигатели

В реактивных и ракетных двигателях выхлоп из сопел, в некоторых применениях формирующий ударные волны в виде ромбов.

Паровые двигатели

В терминологии паровых двигателей выхлоп – это пар, давление которого настолько снизилось, что он больше не способен совершать полезную работу.

NOx

Окиси азота моно NO и NO2 (NOx) (образующиеся таким образом или естественным образом при грозовых разрядах) реагируют с аммиаком, влагой и другими соединениями, образуя пары азотной кислоты и связанные с ними частицы. Мелкие частицы могут глубоко проникать в ткани легких и повреждать их, вызывая преждевременную смерть в тяжелых случаях. Вдыхание соединений NO повышает риск развития рака легких и колоректального рака, а вдыхание таких частиц может вызывать или усугублять респираторные заболевания, такие как эмфизема и бронхит, а также сердечные заболевания. В исследовании, проведенном Агентством по охране окружающей среды США в 2005 году, основными источниками выбросов являлись автомобили, а вторым по величине источником – внедорожная техника, в основном бензиновые и дизельные заправочные станции. При взаимодействии оксидов азота (NOx) и летучих органических соединений (ЛОС) в присутствии солнечного света образуется приземный озон, основной компонент смога. В отчете Агентства по охране окружающей среды США за 2005 год указано, что дорожный транспорт является вторым по величине источником ЛОС в США (26%), а внедорожная техника, в основном бензиновые и дизельные заправочные станции, – третьим (19%).

Озон

Озон полезен в верхних слоях атмосферы, но у поверхности земли он раздражает дыхательную систему, вызывая кашель, удушье и уменьшение жизненной емкости легких. Он также оказывает множество негативных воздействий на всю экосистему.

Окись углерода (CO)

Отравление угарным газом является наиболее распространенным видом смертельного отравления воздухом во многих странах. Угарный газ бесцветен, не имеет запаха и вкуса, но крайне токсичен. Он соединяется с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин, который препятствует транспорту кислорода. При концентрациях выше 1000 ppm он считается немедленно опасным для жизни и представляет собой самую серьезную угрозу для здоровья при работе двигателей внутреннего сгорания в плохо вентилируемом пространстве. В 2011 году 52% выбросов угарного газа было произведено автотранспортом в США.

Опасные загрязнители воздуха (токсики)

Хроническое (длительное) воздействие бензола (C6H6) повреждает костный мозг. Оно также может вызывать чрезмерные кровотечения и угнетать иммунную систему, повышая риск инфекций. Бензол вызывает лейкемию и ассоциируется с другими онкологическими заболеваниями крови и предраковыми состояниями крови.

Частицы (PM10 и PM2.5)

Влияние вдыхания взвешенных частиц на здоровье человека и животных широко изучалось и включает в себя астму, рак легких, сердечно-сосудистые заболевания и преждевременную смерть. Благодаря своему размеру, эти частицы могут проникать в самые глубокие отделы легких. Исследование, проведенное в Великобритании в 2011 году, оценивает количество смертей, связанных с PM от пассажирского транспорта, в 90 человек в год. В публикации Федерального управления автомобильных дорог США (FHWA) 2006 года указывается, что в 2002 году около 1% всех выбросов PM10 и 2% всех выбросов PM2,5 приходилось на выхлопные газы автотранспортных средств (в основном дизельных двигателей). На рынках Китая, Европы и Индии как дизельные, так и бензиновые автомобили должны быть оснащены фильтрами выхлопных газов, в то время как в Соединенных Штатах это требование распространяется только на дизельные автомобили. В 2022 году британская компания Emissions Analytics, специализирующаяся на тестировании, оценила, что около 300 миллионов бензиновых автомобилей в США за последующее десятилетие выбросят примерно 1,6 септиллиона вредных частиц.

Диоксид углерода (CO2)

Углекислый газ — это парниковый газ. Выбросы CO2 от автотранспортных средств являются частью антропогенного вклада в рост концентрации CO2 в атмосфере, который, по мнению подавляющего большинства научного сообщества, является причиной изменения климата. По оценкам, автотранспортные средства производят около 20% антропогенных выбросов CO2 в Европейском Союзе, при этом на легковые автомобили приходится около 12%. Европейские стандарты выбросов ограничивают выбросы CO2 от новых легковых и легких коммерческих автомобилей. Средний показатель выбросов CO2 новых автомобилей в Европейском Союзе снизился на 5,4% за год к первому кварталу 2010 года, составив 145,6 г/км.

Водяной пар

Выхлопные газы автомобилей содержат большое количество водяного пара.

Восстановление воды

Проводились исследования методов получения питьевой воды войсками в пустыне из выхлопных газов транспортных средств.

Сокращение загрязнения

Стандарты выбросов направлены на сокращение загрязняющих веществ, содержащихся в выхлопных газах транспортных средств, а также в дымовых газах промышленных предприятий и других источниках загрязнения воздуха на крупных промышленных объектах, таких как нефтеперерабатывающие заводы, установки по переработке природного газа, нефтехимические и химические производства. Каталитические нейтрализаторы в автомобилях предназначены для разложения загрязняющих веществ в выхлопных газах с использованием катализатора. Скрубберы на судах предназначены для удаления диоксида серы (SO2) из морских выхлопных газов. Нормативные требования к выбросам диоксида серы в море ужесточаются, однако лишь небольшое количество специальных зон во всем мире определено для использования исключительно низкосернистого дизельного топлива. Одним из преимуществ двигателей с передовой паровой технологией является то, что они производят меньше токсичных загрязняющих веществ (например, оксидов азота), чем бензиновые и дизельные двигатели той же мощности. Они производят больше углекислого газа, но меньше угарного газа благодаря более эффективному сгоранию.

Исследования здоровья

Исследователи из Калифорнийской школы общественного здравоохранения Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сообщают, что предварительные результаты их статистического исследования детей, зарегистрированных в Калифорнийском раковом регистре и родившихся в период с 1998 по 2007 год, показали, что загрязнение воздуха от транспорта может быть связано с повышением риска развития некоторых видов рака на 5–15%. Исследование Всемирной организации здравоохранения показало, что выхлопные газы дизельных двигателей приводят к увеличению заболеваемости раком легких.

Локальные эффекты

Калифорнийский совет по воздушным ресурсам в ходе исследований установил, что 50% или более загрязнения воздуха (смога) в Южной Калифорнии вызвано выхлопными газами автомобилей. Концентрация загрязняющих веществ, выбрасываемых двигателями внутреннего сгорания, может быть особенно высокой в районе перекрестков со светофорами из-за работы на холостом ходу и разгона. Компьютерные модели часто не учитывают подобные нюансы.