5. 0 Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду



Скачать 169.44 Kb.
Дата02.05.2013
Размер169.44 Kb.
ТипДокументы


5.0 Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду

Двигатель внутреннего сгорания является источником выброса в атмосферу вредных для окружающей среды и здоровья человека токсичных составляющих отработавших газов, производит шум, вибрации, представляет пожарную опасность, так как работает на горючей смеси воздуха с жидким топливом.

Шум по своему происхождению делится на механический (узлы и агрегаты двигателя, неуравновешенность, соударения деталей в сочленениях и т.п.) и газодинамический (движение газообразной и жидкой сред в проточных частях механизмов и трубопроводах, при обтекании тел и сгорании топлива).

Шум в окружающую среду передается в виде вибраций и колебаний наружных поверхностей двигателя, колебаний воздуха на впуске и выпуске. Наиболее интенсивные составляющие спектра шума находятся в области низких и средних частот и кратны частоте вращения коленчатого вала и числу цилиндров. Колебания деталей двигателя происходят либо с частотой вынуждающей силы, либо с собственной частотой (при кратковременном воздействии силы). Поэтому в спектре механического шума имеются также менее интенсивные составляющие собственных колебаний в области средних и высоких частот. Газодинамический шум вследствие периодичности процессов (в трубопроводах и цилиндре) имеет составляющие колебаний давлений в области низких и средних частот и высокочастотные составляющие вихревого происхождения (в органах газораспределения).

Частота диапазона звуковых колебаний составляет от 16 Гц до 20 кГц. Звуковой интервал частот делят на меньшие интервалы: низкочастотный - до 400 Гц; среднечастотный- 400- 1000 Гц; высокочастотный - свыше 1000 Гц.

Установлены количественные критерии, характеризующие воздействие шума на организм человека:

  • 3040 Дб – средний уровень звукового давления в городе;

  • 60 Дб – возникают расстройства эндокринной системы, увеличивается число неврозов;

  • 90 Дб – возможны нарушения слуха;

  • 120 Дб – возникает физическая боль

Длительное воздействие шума на организм человека может стать причиной возникновения различных заболеваний: поражение органов слуха, язвенная болезнь, расстройство центральной нервной системы и др.


Среди мероприятий, направленных на снижение шума и вибраций, создаваемых двигателем, можно выделить следующие:

Механический шум и вибрации:

  • Акустический расчет головки и блока цилиндров;

  • Уравновешивание двигателя (установка дополнительных балансировочных валов для уравновешивания сил инерции второго порядка);

  • Крепление двигателя на упругих элементах, применение гидравлических опор двигателя;

  • Увеличение качества изготовления вспомогательных агрегатов двигателя (насос,компрессор, генератор и др.);

Газодинамический шум:

  • Установка в выпускной системе двигателя глушителей шума отработавших газов;

  • Профилирование впускного тракта

Двигатель является источником повышенной пожароопасности в первую очередь из-за применения горючих материалов в качестве топлива и смазки в комбинации с использованием токов высокого напряжения. Поэтому при эксплуатации автомобиля запрещается:

  • использование автомобиля при отсутствии огнетушителя, или с неисправным огнетушителем;

  • эксплуатация автомобиля при неисправной топливной системе;

  • использование автомобиля при неисправной системе смазки;

  • использование инструмента из материалов-накопителей статического электричества при работе с топливной системой;

  • курение вблизи открытого топливного бака и на заправочных станциях

Однако наибольший вред окружающей среде и здоровью человека наносят отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания.

5.1 Токсичность отработавших газов и способы ее снижения

Основная доля вредных веществ, содержащихся в отработавших газах бензиновых двигателей и загрязняющих окружающую среду, состоит из окиси углеорода СО, окислов азота NОx, углеводородов CnHm (или просто CH). Из перечисленных веществ СО и CH являются продуктами неполного сгорания топлива. Количество NОx в выхлопных газах связано, в основном, с высокой температурой сгорания. Окислы азота образуются в двигателе при взаимодействии кислорода и азота, содержащихся в воздухе. Чем выше температура сгорания, тем больше образуется NОx. На температуру сгорания влияют конструктивные факторы (например, степень сжатия) и режим работы двигателя (состав смеси, нагрузка). У бензинового двигателя наибольшее влияние на образование вредных веществ оказывает состав смеси. При =1.051.10 концентрация NОx в выхлопных газах максимальна, а выбросы СО и CH близки к минимальным:


Рис. 5.1 Концентрация токсичных веществ в выпускных газах
Окись углерода СО

Окись углерода образуется в двигателе на богатой смеси из-за нехватки кислорода для окисления до двуокиси в процессе сгорания. Кроме этого СО образуется и в бедных смесях как промежуточный продукт реакции. В этом случае большая его часть догорает до СО2, однако даже та малая доля, которая не образует двуокись, приводит к сильному загрязнению окружающей среды. Опасность СО состоит в том, что при попадании в кровь этот газ связывает кислород и, тем самым , приводит к удушью.

Углеводороды CnHm

Углеводороды, исходя из стехиометрии процесса сгорания, не должны содержаться в выхлопных газах. На самом деле это не так. В пристеночной области температура горючей смеси значительно ниже, чем на удалении от стенки. Это связано с процессом теплоотдачи от рабочего тела в стенку. Скорость реакции в этой зоне недостаточна для полного окисления топлива. Поэтому часть углеводородов не сгорает и попадает в ОГ.

Окислы азота NOx

Окислы азота образуются в цилиндре двигателя при достаточно больших температурах (более 1500 К). Скорость образования окислов азота зависит от температуры в зоне реакции, концентрации кислорода и азота в продуктах сгорания.
Углерод (сажа) С

Сажа образуется в результате пиролиза топлива при высоких температурах и давлении в среде с недостатком кислорода и представляет собой твердые сферические частицы с начальным диаметром около 0.5 мкм. Эти частицы образуют структурные соединения размером до нескольких микрон.
Уменьшение количества и изменение качественного состава вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду с отработавшими газами, достигается целым комплексом мероприятий. Среди них следует отметить ряд конструктивных разработок:

  • специальные конструкции камер сгорания для работы на бедных смесях, в том числе с различными типами форкамер;

  • рециркуляция отработавших газов, т.е. подача их части на вход в двигатель;

  • системы регулирования фаз газораспределения, уменьшающие перекрытие клапанов на пониженных режимах и др.

Однако даже при использовании в конструкции двигателей всех самых передовых решений удовлетворить современным нормам токсичности не удается. Вследствие этого современные автомобили снабжаются каталитическими нейтрализаторами отработавших газов.

Нейтрализатор представляет собой носитель, заключенный в корпус. Носителем может являться сотовый керамический материал, гофрированная фольга или шарики (насыпной носитель). На развитую поверхность носителя наносят тонкий слой катализатора из благородных металлов, например, платины, палладия, родия. При температуре поверхности катализатора свыше 250300оС содержащиеся в отработавших газах окислы углерода СО эффективно окисляются, а их концентрация в отработавших газах снижается во много раз. Окисление углеводородов СН происходит при более высокой температуре (400оС). Окисление СО и СН происходит в присутствии свободного кислорода воздуха, небольшое количество которого образуется в результате сгорания.

В зависимости от способности инициировать те или иные реакции нейтрализаторы условно делятся на:

окислительные, в которых преимущественно протекают реакции окисления углеводородов СН и окиси углерода СО:

2СО + О2 2СО2

CnHm + (n + m/4)O2 nCO2 + (m/2)H2O

Такие реакции могут происходить в широком диапазоне изменения состава смеси – необходимо только, чтобы отработавшие газы имели коэффициент избытка воздуха больше 1.0, что достигается работой двигателя на обедненной смеси или подачей в систему выпуска дополнительного воздуха.

восстановительные, используемые для восстановления окислов азота NOx:
2NO + 2CO N2 + 2CO2

2NO +2H2 N2 + 2H2O

2NO + 5H2 2NH3 + 2H2O

трехкомпонентные, применяемые для нейтрализации всех трех указанных основных токсичных соединений и сочетающие в себе функции окислительных и восстановительных нейтрализаторов.

Кроме указанных реакций между компонентами отработавших газов в нейтрализаторе может протекать целый ряд побочных реакций, в частности:

CO + H2O CO2 + H2, H2 + NO H2O + 0.5N2,

2.5H2 + NO NH3 + H2O, H2 + 0.5O2 H2O,

NH3 + 1.25O2 NO + 1.5H2O, NO + CO 0.5N2 + CO2

Для одновременного уменьшения выбросов СО, СН, NОx необходимо поддерживать определенный состав смеси в цилиндрах двигателя (около 1.0) с очень высокой точностью – порядка 1%:



Рис. 5.2 Концентрация токсичных веществ в выпускных газах после нейтрализатора

Чтобы обеспечить такую точность поддержания состава смеси необходима электронная система управления подачей топлива и снижения токсичности с обратной связью по сигналу датчика концентрации кислорода, который устанавливается перед нейтрализатором.

Помимо нейтрализатора на некоторые американские и японские двигатели устанавливают термические реакторы. Такие устройства позволяют при подмешивании к отработавшим газам воздуха доокислить СО и СН, снижая их концентрацию за счет реакции с кислородом воздуха при высокой температуре (свыше 500оС). Реакторы особенно эффективны при больших нагрузках, надежны, однако не дают полного окисления СО и СН, поэтому применяются как дополнительные устройства перед нейтрализатором.

Для уменьшения токсичности отработавших газов проектируемого двигателя и соответствии его экологическим нормам EURO 3 предлагается установить в штатную выпускную систему трехкомпонентный нейтрализатор. Проблема поддержания точного состава смеси решена путем установки на двигатель современной электронной системы впрыска топлива с обратной связью от датчика кислорода.

Нейтрализатор устанавливается под днищем автомобиля в передней части выпускной системы. Для защиты кузова от теплового воздействия между ним и нейтрализатором устанавливается тепловой экран. Со стороны дороги нейтрализатор ничем ни защищен, поэтому следует избегать поездок по сухой траве и сильно пересеченной местности.


Рис. 5.3 Внешний вид и место установки нейтрализатора

Трехкомпонентный нейтрализатор объединяет в себе восстановительный и окислительный нейтрализаторы и позволяет нейтрализовать одновременно СО, СН и NOx. Сначала отработавшие газы поступают в восстановительную часть, где протекают реакции восстановления окислов азота. После восстановительной части к отработавшим газам для создания окислительной среды подводится через патрубок вторичный воздух. В окислительной части происходит нейтрализация продуктов неполного сгорания СО и СН.



Рис. 5.4 Схема трехкомпонентного нейтрализатора

В качестве носителя в обоих частях используется окись алюминия в виде гранул сферической формы. Катализатором в восстановительной части может служить медь, хром, кобальт, никель или их сплавы, в окислительной части – платина или палладий. Катализатор напыляется тонким слоем на поверхность носителя.

Дополнительные требования, предъявляемые к автомобилям, оборудованным каталитическим нейтрализатором отработавших газов:

1. Нейтрализатор не должен подвергаться механическим воздействиям;

3. Обязательно использование неэтилированного бензина не содержащего свинца;

4. Запрещается запускать двигатель путем включения передачи на движущемся автомобиле (с горки, с буксира, накатом). Несожженное топливо может привести к перегреву и разрушению катализатора;

6. Не рекомендуется долго держать включенным стартер при затрудненном

пуске двигателя;

7. Запрещается проверять работу цилиндров методом отключения одного из них;

8. Не рекомендуется ездить с малым количеством топлива, нерегулярное поступление которого может привести к перегреву нейтрализатора;

9. На катализатор нельзя наносить средства для консервации днища кузова;

10. Автомобиль с нейтрализатором не должен оставляться на высохшей траве, листве и прочих легковоспламеняющихся материалах, так как выпускная система в районе нейтрализатора раскалена до высокой температуры (500-600оС), что может привести к пожару

Количество вредных веществ, выбрасываемое автомобилем ВАЗ21099 с аналогичным проектируемому двигателем при оснащении автомобиля штатной выпускной системой и системой, включающей нейтрализатор, представлено в табл.:


Экологические нормы EURO 3 токсичных выбросов на режиме 0.6 nном

СО - 1.5 гр/км,

СН - 0.2 гр/км,

NO - 0.15 гр/км

5.2 Расчет каталитического нейтрализатора отработавших газов

Расчет включает в себя определение общей длины нейтрализатора и расчет полного сопротивления нейтрализатора.


Общая длина нейтрализатора Х состоит из длины 1 ступени Х1, длины 2 ступени Х2 и длины зоны для подвода свежего воздуха Х3.

В общем случае концентрацию примеси по длине гранулированного слоя нейтрализатора можно определить по формуле[ ]:

Сх = С0 ехр((-Sv Х)/(1.38 0.667 (Re 0.41 -1.5)),
где: Сх – текущая концентрация примеси по координате Х (длине гранулированного

слоя), [гр/м3];

C0исходная концентрация примеси на входе в нейтрализатор, [гр/м3];

Sv – удельная поверхность гранулированного слоя,[1/м];

– число Шмидта;

Re –число Рейнольдса

Удельная поверхность гранулированного слоя определяется в общем случае по формуле:

Sv = (1-П)S0/V0, [м23],

где П - пористость гранулированного слоя;

S0 – площадь поверхности одного зерна,2];

V0 – объем одного зерна,3];
и в частности для зерен сферической формы:
Sv = 6(1-П)/Dg, [1/м],
где Dg – диаметр грпанулы, [м]
1. Определение длины 1 ступени Х1
В первой ступени происходит нейтрализация окислов азота NOх

СNO x = СNO о exp((-SvХ1)/(1.38Sc 0.667(Re 0.41 – 1.5)),

СNO x = 0.15 г/км – концентрация NO на выходе из нейтрализатора (согласно экологическим требованиям EURO 3);

Скорости движения автомобиля 50 км/ч соответствует переводной коэффициент:

К= 1.155 м3/км

СNO x = 0.15 / 1.155 = 0.13 г/м3

СNOо = 2.01 г/км = 2.01 / 1.155 = 1.74 г/м3 – концентрация NO на входе в нейтрализатор;

Dg = 0.005 м – диаметр гранулы;

П = 0.4 – пористость гранулированного слоя;

Sv = 6(1-П)/Dg = 6(1-0.4)/0.005 = 720 1/м;

Re = UDg/ = 68.5 - число Рейнольдса;

U = 1 м/с - скорость газа в нейтрализаторе;

= 7.3х10-5 м2/с – коэффициент кинематической вязкости;

Sc = /D = 5.7 - число Шмидта;

D = 1.28х10-5 м2/с - коэффициент диффузии для NO

(SvХ1)/(1.38Sc 0.667(Re 0.41 – 1.5)= - ln(СNO x/СNO о)

Х1 = 0.066 м

Принимаем Х1 = 0.07 м

Степень очистки 1 ступени: = 1 – СNO x/СNO о = 0.925
2. Определение длины 2 ступени Х2

Во второй ступени происходит нейтрализация окислов углерода СО и углеводородов CH

СCO x = СCO о exp((-SvХ2)/(1.38Sc 0.667(Re 0.41 – 1.5));

СCO x = 1.5 г/км = 1.5 / 1.155 = 1.3 г/м3

СCO о = 5.73 г/км = 5.73 / 1.155 = 4.96 г/м3

Dg = 0.005 м

П = 0.4

D = 1.4х10-5 м2/с - коэффициент диффузии для CO

Sc = /D = 5.2 - число Шмидта;

(SvХ2)/(1.38Sc 0.667(Re 0.41 – 1.5)= - ln(СCO x/СCO о)

Х2 = 0.032 м
СCH x = СCH о exp((-SvХ2)/(1.38Sc 0.667(Re 0.41 – 1.5));

СCH x = 0.2 г/км = 0.2 / 1.155 = 0.173 г/м3

СCH о = 0.81 г/км = 0.81 / 1.155 = 0.7 г/м3

D = 0.71х10-5 м2/с - коэффициент диффузии для CH3

Sc = /D = 10.28 - число Шмидта;

(SvХ2)/(1.38Sc 0.667(Re 0.41 – 1.5)= - ln(СCH x/СCH о)

Х2 = 0.053 м
СCH x = СCH о exp((-SvХ2)/(1.38Sc 0.667(Re 0.41 – 1.5));

СCH x = 0.2 г/км = 0.2 / 1.155 = 0.173 г/м3

СCH о = 0.81 г/км = 0.81 / 1.155 = 0.7 г/м3

D = 7.5х10-5 м2/с - коэффициент диффузии для C6H6

Sc = /D = 0.974 - число Шмидта;

(SvХ2)/(1.38Sc 0.667(Re 0.41 – 1.5)= - ln(СCH x/СCH о)

Х2 = 0.011 м

Принимаем Х2 = 0.055 м

Степень очистки 2 ступени: = 1 – СCO x/СCO о = 0.738 по СО

и = 1 – СCНx/СCН о = 0.753 по СН
3. Длина зоны для подвода свежего воздуха: Х3 = 0.1 м

4. Общая длина нейтрализатора без учета монтажных элементов:

Х = Х1+Х2+Х3 = 0.07 + 0.055 + 0.1 = 0.225 м



Расчет полного сопротивления нейтрализатора.

Полное сопротивление нейтрализатора включает потери давления на входе Pvx, в активной зоне Pa и на выходе Pvyx:

P = Pyx + Pa + Pvyx

Потери давления на входе определяются по формуле:

Pvx = vx U2/2, [Па];

vx = 0.135 - коэффициент гидравлических потерь от расширения потока на входе в нейтрализатор;

 = 0.4 кг/м3 – плотность газа при рабочей температуре нейтрализатора (600оС);

U = 1 м/с - скорость газа на входе в нейтрализатор;
Pvx =0.027 Па

Потери давления в активной зоне определяются по формуле:

Pa = ( Uп2 L)/Dp, [Па];

L = 0.07 + 0.055 = 0.125 м – суммарная длина слоев нейтрализатора;

a = 152/Rek (1+0.0056Rek 0.9 П –1,72) – коэффициент гидравлических потерь в слоях нейтрализатора;

Uп = Vgas / Fп П – скорость отработавших газов в порах [м/с];

Vgas – объемный расход отработавших газов, 3/мин];
Из расчета рабочего процесса имеем массу отработавших газов на выпуске:

Mgas = 0.00043 кг/цикл; На режиме 0.6 nном = 3240 об/мин:

Mgas = 0.697 кг/мин;

 = 0.4 кг/м3 – плотность газа при рабочей температуре нейтрализатора (600оС);

Vgas = 1.7425 м3/мин = 0.029 м3/c;

Fп = ( Dк2)/4 - площадь поперечного сечения слоя нейтрализатора, [м2];

D2к/4 = Vgaz/U Dк = 0.122 м;

Fп = 0.03 м2;

П = 0.4 – пористость гранулированного слоя;

Uп = 0.029 / (0.03 0.4) = 2.42 м/с

Rek = (Uп Dp)/v

= 7.3х10-5 м2/с – коэффициент кинематической вязкости;

Dp = 0.667 Dg (П / (1-П)) = 0.0022 м;

Rek = 72.9;

a =4.76;

Pa =633.5 Па

Потери давления на выходе определяются по формуле:

Pvyx = vyx U2/2, [Па];

vx = 0.15 - коэффициент гидравлических потерь от сужения потока на выходе из нейтрализатора;

 = 0.4 кг/м3 – плотность газа при рабочей температуре нейтрализатора (600оС);

U = 1 м/с - скорость газа на выходе из нейтрализатора;

Pvx =0.03 Па

P = 0.027 + 633.5 + 0.03 = 633.56 Па

Оценить влияние дросселирования газов на выпуске можно смоделировав тепловой расчет двигателя с помощью программы расчета рабочего процесса ДВС - NKI.

Расход топлива без нейтрализатора составил:

gе = 0.2019 кг/КВт час.

Расход топлива с использованием нейтрализатора составил:

= 0.2040 кг/КВт час.

Это составило 1.04% от расхода двигателя, не оснащенного нейтрализатором.

Увеличение расхода двигателя 1.04% является незначительным по сравнению с тем экологическим эффектом, который получен благодаря применению нейтрализатора.

Следовательно, увеличение эффективного расхода на 1.04% является необходимостью.

Похожие:

5. 0 Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду iconИстория создания двигателей внутреннего сгорания берёт своё начало в 1801 году. 1801 год, французский инженер, профессор механики Филипп Лебон берёт патент на изготовление нового двигателя внутреннего сгорания
Продукты горения в дальнейшем, расширяясь, оказывали давление на окружающую среду. Стало ясно, что если создать соответствующие условия,...
5. 0 Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду iconДвигатель внутреннего сгорания (VII класс)
Задачи урока. Сформировать знания учащихся о работе пара и газа на примере изучения двигателя внутреннего сгорания. Ознакомить учащихся...
5. 0 Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду iconУрок №. Дата тема «Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания. Паровая турбина. Кпд теплового двигателя»
Сформировать знание учащихся о работе пара и газа на примере изучения двигателя внутреннего сгорания (двс)
5. 0 Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду icon«Тепловые двигатели. Двигатель внутреннего сгорания»
Сформировать знания о работе пара и газа на примере изучения двигателя внутреннего сгорания (двс)
5. 0 Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду icon11. циклы двигателей внутреннего сгорания
Сади Карно. Он обосновал принцип работы двигателя внутреннего сгорания (двс) с предварительным сжатием воздуха в 1824 г., но по ограниченным...
5. 0 Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду iconИзучение влияния геотермальных станций на окружающую среду
Влияние установок на окружающую среду и благоприятны ли они для существования биосистемы
5. 0 Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду iconДвигатель внутреннего сгорания
Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно: они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы,...
5. 0 Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду iconСовременное состояние гидро- и ветроэнергетики. Их место в энергетике и влияние на окружающую среду
Современное состояние гидроэнергетики, её место в энергетике и влияние на окружающую среду
5. 0 Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду iconДвигатели внутреннего сгорания. Их преимущества и недостатки
Новые конструкторские решения, внедренные в двигатель внутреннего сгорания; Ст
5. 0 Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду iconКонструкция двигателя
Коэффициент избытка воздуха и его влияние на скорость сгорания топливовоздушной смеси
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org