Как работает система выпуска отработавших газов

Решение проблемы выбросов в крупных городах


В крупных современных городах сосредоточены десятки тысяч заводов, проживают миллионы людей и по улицам ездят сотни тысяч автомобилей. Все это сильно загрязняет атмосферу, что стало основной проблемой XXI века. Для ее решения городские власти вводят ряд административных и мер.

Так, в 2003 году в Лондоне был принят протокол против загрязнения автомобильным транспортом окружающей среды. Согласно этому протоколу с водителей, которые ездят через центральные районы города, взимается дополнительная плата в размере 10 фунтов стерлингов. В 2008 году лондонские власти утвердили новый закон, который стал более эффективно регулировать перемещение грузового транспорта, автобусов и личных авто по центральной части города, установив для них верхний скоростной порог. Эти меры привели к сокращению содержания вредных газов в атмосфере над Лондоном на 12 %.

Начиная с 2000-х годов подобные меры были приняты во многих городах-миллионниках. Среди них следующие:

  • Токио;
  • Берлин;
  • Афины;
  • Мадрид;
  • Париж;
  • Стокгольм;
  • Брюссель и другие.

Последствия отравления

Последствия отравления газами делятся на ранние и поздние. В раннем восстановительном периоде  высок риск развития отека легких, сердечной недостаточности или комы.

В последующем у больного могут развиться хронические заболевания дыхательной или пищеварительной системы, печеночная и почечная недостаточность, обострение имеющихся хронических заболеваний. Повышается риск развития заболеваний головного мозга и злокачественных новообразований.

До сих пор точный вред здоровью населения, наносимый автомобилями, не был полностью исследован и оценен. Но вред газов, образующихся при сгорании топлива, для здоровья человека очевиден: в крупных городах ежедневно регистрируются случаи смерти от отравления.

Чтобы уменьшить влияние автомобильных газов на окружающую среду и здоровье человека, предлагается:

  • Уменьшить количество транспорта, использующего продукты нефтепереработки в качестве топлива. Альтернативные варианты топлива пока не стали популярными, но их использование может в несколько раз уменьшить влияние выхлопных газов на экологию и здоровье населения.
  • Использование качественного топлива – чем чище бензин, тем меньше вредных веществ в выхлопах автомобиля.
  • Применение нейтрализаторов отработанных газов. Оснастив таким устройством каждый личный автомобиль, можно снизить степень загрязнения атмосферы.

Индивидуальные меры защиты здоровья заключаются в соблюдении техники безопасности при работе в гараже с включенным автомобильным двигателем. Пешеходам следует выбирать маршруты передвижения в стороне от улиц с большим количеством автотранспорта.


Спасибо за статьюНужно доработать

Объем выхлопных газов

В среднем при сжигании одного литра топлива выделяется 16 тысяч литров выхлопных газов. Примерный объем газов, выделяемых каждым автомобилем можно вычислить, исходя из среднего расхода топлива на 100 км пробега, заявленного производителем машины. Для этого придется суммировать пройденное расстояние и считать общий объем заправленного топлива.

Выхлопы каждого автомобиля за 1 день или пройденный километр сосчитать просто невозможно. Также нельзя определить общий объем выхлопа большого количества машин, так как неизвестно сколько проезжает ежедневно или ежечасно каждая машина. Поэтому любые данные подобных исследований можно считать сильно усредненными или приближенными.

Углекислый газ (СO2)

Углекислый газ — это бесцветный, негорючий, кисловатый на вкус газ. Иногда его ошибочно называют угольной кислотой. Плотность СO2 примерно в 1,5 раза выше плотности воздуха. Углекислый газ является составной частью выдыхаемого человеком воздуха (3-4%) При вдыхании воздуха, содержащего 4-6% СO2, у человека возникают головные боли, шум в ушах и учащение сердцебиения, а при более высоких концентрациях СO2 (8-10%) наступают приступы удушья, потеря сознания и остановка дыхания. При концентрации более 12 % наступает смерть от кислородного голодания. К примеру, горящая свеча тухнет при концентрации СO2 8-10% по объему. Хоть углекислый газ и относится к удушающим веществам, но как компонент выхлопа двигателя не считается ядовитым. Проблема в том, что углекислый газ, как показано на рисунке, значительно способствует глобальному парниковому эффекту.

Вместе с ним развитию парникового эффекта способствуют метан, закись азота (веселящий газ, оксид диазота), фторуглеводороды и гексафторид серы. Углекислый газ, водяной пар и микрогазы влияют на радиационный баланс Земли. Газы пропускают видимый свет, но поглощают тепло, отражаемое от земной поверхности. Без этой теплозадерживающей способности средняя температура на поверхности Земли была бы около -15°С.

Это называется природным парниковым эффектом. При увеличении концентрации микрогазов в атмосфере растет доля поглощаемого теплового излучения и возникает дополнительный парниковый эффект. По оценкам экспертов, к 2050 году средняя температура на Земле вырастет на +4°С. Это может привести к повышению уровня моря более чем на 30 см, вследствие чего начнут таять горные ледники и полярные ледяные «шапки», изменится направление морских течений (в том числе Гольфстрима), изменятся воздушные потоки, а моря затопят огромные пространства суши. Вот к чему может привести парниковые газы, образующиеся при деятельности людей.

Суммарные антропогенные выбросы СO2 составляют 27,5 млрд т в год. При этом Германия относится к крупнейшим источникам СO2 в мире. Энергетически обусловленные выбросы СO2 составляют в среднем около миллиарда тонн в год. Это около 5% всего производимого в мире СO2. Средняя семья из 3 человек в Германии производит в год 32,1 т СO2. Выбросы СO2 можно уменьшить только путем снижения расхода энергии и топлива. Пока энергия добывается путем сжигания ископаемых носителей проблема образования чрезмерного количества углекислого газа будет сохраняться. Поэтому срочно необходим поиск альтернативных источников энергии. Автопромышленность интенсивно работает над решением этой проблемы. Однако бороться с парниковым эффектом можно только в глобальном масштабе. Даже если в пределах ЕС будет достигнут большой прогресс в снижении выбросов углекислого газа, в других странах в ближайшие годы может, напротив, произойти значительный рост количества выбросов. США с большим отрывом лидируют в производстве парниковых газов, как в абсолютном выражении, так и в пересчете на душу населения. Имея долю в населении Земли всего 4,6%, они производят 24% мировых выбросов углекислого газа. Это примерно вдвое больше, чем в Китае, доля которого в населении Земли составляет 20,6%. 130 миллионов автомобилей в США (это меньше 20% от общего числа автомобилей на планете) производят столько же углекислого газа, сколько вся промышленность Японии — четвертой страны в мире по выбросам СО2.

Без дополнительных мер по защите климата глобальные выбросы СО2 вырастут к 2020 году на 39% (относительно 2004 г.) и составят 32,4 млрд т в год. Выбросы углекислого газа в США в ближайшие 15 лет увеличатся на 13% и превысят 6 млрд т. В Китае следует ожидать увеличения выбросов СO2 на 58%, до 5,99 млрд т, а в Индии — на 107%, до 2,29 млрд т. В странах ЕС, напротив, прирост составит лишь около одного процента.

Виды систем рециркуляции дизеля

Для дизельного двигателя используется несколько типов систем для рециркуляции отработавших газов EGR, cбор которых определяется экологическими стандартами автомобиля. В настоящее время их три:

  • Высокого давления (соответствует стандарту Евро 4). Клапан EGR напрямую соединяет выпускной (устанавливается перед турбокомпрессором) и впускной коллекторы. В этой схеме применяется электропневматический привод. При закрытой дроссельной заслонке во впускном коллекторе давление снижается, в результате чего создается более высокое разрежение. Это приводит к увеличению поступающего потока выхлопных газов. С другой стороны, уменьшается интенсивность турбонаддува, поскольку на турбину поступает меньше отработавших газов. Когда дроссельная заслонка полностью открыта, EGR не работает.
  • Низкого давления (соответствует стандарту Евро 5). В такой схеме клапан подключен к системе выпуска на участке между сажевым фильтром и глушителем, а в системе впуска – перед турбокомпрессором. Благодаря такому подключению снижается температура отработавших газов, также они очищаются от примесей сажи. При этом, в сравнении со схемой высокого давления, турбонаддув выполняется на полной мощности, поскольку через турбину проходит весь поток газов.
  • Комбинированная (соответствует стандарту Евро 6). Представляет собой сочетание схемы высокого и низкого давлений, каждая из которых имеет собственный клапан рециркуляции. В обычном режиме эта схема работает по каналу низкого давления, а при повышенной нагрузке подключается канал рециркуляции высокого давления.

В среднем, клапан EGR служит до 100 тысяч километров пробега, после чего может засориться и выйти из строя. Далее, в большинстве случаев, автомобилисты, не понимая, для чего нужны системы рециркуляции, просто полностью удаляют их.

Влияние выхлопных газов на организм человека

Выхлопные газы автомобиля могут нанести вред здоровью, и достаточно серьезный. Прежде всего, оксид углерода или угарный газ, о котором мы уже писали в блоге, не имеет вкуса и запаха, но при высокой концентрации вызывает головокружение, головную боль, тошноту, может приводить к обморокам. Сернистый бензин и создаваемый им оксид серы – одна из причин сильного запаха выхлопных газов. Дело в том, что молекулы диоксида серы очень ощутимо воздействуют на обонятельные рецепторы, поэтому этот запах чувствуется даже при невысокой концентрации, а более концентрированный “аромат” перекрывает все остальные запахи для носа человека, что может подтвердить каждый, кто зажигал в доме спички. Этилированные бензины обогащают воздух свинцом. Количество таких выхлопных газов и вред здоровью, который они наносят, сделало свинец одним из самых известных отравляющих компонентов в атмосфере. В настоящее время такой бензин в качестве топлива для автомобилей уже не используется, но довольно долго его пары наполняли все крупные города. Углеводороды в выбросах автомобилей окисляются при попадании под действие солнечных лучей и образуют токсичные соединения с резким запахом, которые особенно сильно сказываются на работе верхних дыхательных путей и приводят к обострениям хронических заболеваний дыхательной системы. Вред от выхлопных газов автомобиля во многом объясняют канцерогены – сажа и бензопирен, которые способствуют развитию опухолей, особенно — злокачественных.

Рассматривая выхлопные газы и вред, который они приносят, нужно добавить и про влияние этого химического коктейля целиком: длительный контакт с выхлопными газами приводит к смерти, в частности — от отравления конкретно угарным газом. Наибольшая опасность этих выбросов состоит в их количестве, распространенности и мелком размере частиц, что позволяет выхлопам проходить через естественные барьеры организма и попадать в легкие. При постоянном воздействии выхлопных газов на организм может развиваться иммунодефицит, бронхиты, страдают сосуды головного мозга, нервная система и другие органы. Кроме того, большая часть токсичных веществ, входящих в состав выхлопных газов, может взаимодействовать друг с другом и с другими компонентами атмосферы, что способствует образованию смога.

>

Из чего состоят выхлопные газы

Выхлопные газы автомобилей образуются в процессе работы двигателя, а также при неполном или полном сгорании используемого топлива. Всего в них обнаруживается свыше двухсот различных компонентов: одни существуют всего несколько минут, другие же разлагаются годами и витают в воздухе долгое время.

Классификация

Все выхлопы по свойствам, составным компонентам и степени воздействия на экологию и человеческий организм разделятся на несколько групп:

  1. Первая группа объединяет все вещества, не обладающие токсичными свойствами. Сюда входят водяные пары, а также естественные и неотъемлемые компоненты атмосферного воздуха, неизбежно проникающие в автомобильные двигатели. К данной категории относятся и выбросы CO2 – углекислого газа, который также является нетоксичным, но снижает концентрацию кислорода в воздухе.
  2. Вторая группа составляющих автомобильных выхлопных отработавших газов включает оксид углерода, то есть угарный газ. Он является продуктом неполного сгорания топлива и обладает выраженными отравляющими и токсичными свойствами. Это вещество, попадая в человеческий организм при вдыхании, проникает в кровь и вступает в реакцию с гемоглобином. В результате сильно снижается концентрация кислорода, наступает гипоксия, а в тяжёлых случаях и летальный исход.
  3. Третья группа охватывает оксиды азота, которые имеют буроватый оттенок, неприятный едкий запах. Такие вещества опасны для человека, так как могут раздражать слизистые и поражать оболочки внутренних органов, особенно лёгких.
  4. Четвёртая группа компонентов выхлопных газов самая многочисленная и включает углеводороды, которые появляются из-за неполного сгорания используемого топлива в автомобильных двигателях. И именно такие вещества образуют голубоватый или светлый белый дым.
  5. Пятая группа компонентов выхлопов представлена альдегидами. Наивысшие концентрации данных веществ наблюдаются при минимальных нагрузках или при так называемом холостом ходе, когда температурный режим сгорания в двигателе отличается невысокими показателями.
  6. Шестая группа составляющих выхлопных автомобильных газов – это различные дисперсные частицы, включая сажу. Они считаются продуктами износа деталей двигателя, а также могут включать частички масел, аэрозоли, нагар. Сама по себе сажа не является опасной, но она может оседать в дыхательных путях и ухудшать видимость при выхлопах.
  7. Седьмая группа веществ, входящих в состав выхлопных газов – это различные сернистые соединения, образующиеся при сгорании в двигателях видов топлива, содержащих серу (к ним относится, прежде всего, дизельное). Такие компоненты имеют резкий характерный запах, и они способны оказывать раздражающее воздействие на слизистые оболочки, а также нарушать обменные процессы и окислительные реакции.
  8. Восьмая группа – это разные свинцовые соединения. Они появляются при эксплуатации карбюраторных двигателей при условии применения этилированного бензина с присадками, способствующими повышению октанового числа.

Пути снижения выбросов и токсичности

Стимулом к сокращению объёмов предполагается заинтересованность в сокращении расхода топлива (крупная статья расходов в автомобильном транспорте).

  • Колоссальное влияние на количество выбросов (не считая сжигания топлива и времени) играет организация движения автомобилей в городе (значительная часть выбросов происходит в «пробках» и перед светофорами[источник не указан 2914 дней]). При удачной организации возможно применение менее мощных двигателей, при невысоких (экономичных) промежуточных скоростях.
  • Существенно снизить содержание углеводородов в отходящих газах, более чем в 2 раза, возможно применением в качестве топлива попутных нефтяных (пропан, бутан), или природного газов, при том, что главный недостаток природного газа — низкий запас хода, для города не столь значим.
  • Кроме состава топлива, на токсичность влияет состояние и настройка двигателя (особенно дизельного — выбросы сажи могут увеличиваться до 20 раз и карбюраторного — до 1,5—2 раз изменяются выбросы оксидов азота).
  • Значительно снижены выбросы (снижен расход топлива) в современных конструкциях двигателей с инжекторным питанием стабильной стехиометрической смесью неэтилированного бензина с установкой нейтрализатора, газовых двигателях, агрегатах с нагнетателями и охладителями воздуха, применением гибридного привода. Однако подобные конструкции сильно удорожают автомобили.
  • Испытания SAE показали, что эффективный способ снижения выбросов окислов азота (до 90 %) и в целом токсичных газов — впрыск в камеру сгорания воды.

Виды

В настоящее время популярностью пользуются резонансный и прямоточный глушители. Оба допускают установку в комплекте с резонатором. На некоторых автомобилях вместо переднего прямоточный агрегат. Устройство резонатора состоит из следующих элементов:

  • корпуса цилиндрической формы;
  • термостойкого материала для теплоизоляции;
  • сплошной перегородки для разворота газового потока;
  • перфорированной трубки;
  • дросселя, позволяющего менять направление потока переработанных паров.

В принципе, его «анатомия» сложнее предварительного аналога. Главная часть включает в себя переднюю и заднюю перфорированные каналы, впускную трубу, переднюю, среднюю и заднюю перегородки, а также канал выпуска и сам корпус. В своем производственном процессе резонансный глушитель использует все принципы звукового преобразования.

Поскольку вышеописанный образец создает эффект противоборствующих давлений, в тюнинге используют замену части конструкции на прямоточный аналог. Сам он состоит из таких деталей, как:

  • каналы выпуска и впуска;
  • корпус с герметикой;
  • перфорированная трубка;
  • материал со свойствами шумоизоляции и повышенной термостойкостью.

По сути прямоточное приспособление проводит через все свои камеры одну перфорированную трубу. Здесь отметаются способы преобразования с помощью изменения движения газов и звуковых волн. В ход вступают интерференция и поглощение. Они приводят к уменьшению противостояния возникающего давления, но на мощности двигателя это сказывается совсем незначительно (3-7% в прибавке). Зато это обеспечивает «спортивное» звучание мотора, потому для владельца машины, передвигающейся в черте города и имеющий такой прямоточный узел, неминуемо наказание в виде административного штрафа за превышение норм шума и возможного приказа демонтажа глушителя.


Решение для бензиновых двигателей

Виды

  1. Ячеистые соты, на которые наносится катализирующий состав, могут быть выполнены из керамики. Такие нейтрализаторы в качестве катализатора используют тонкий слой из драгоценных редких металлов. Это самый дорогостоящий вид систем нейтрализации отработанных газов.
  2. Менее дорогой вариант – ячеистые соты, выполненные методом пайки из тонкой металлической фольги с покрытием из одного из видов вышеназванных составов. Такая система более эффективна, ведь площадь ячеистых сот значительно больше, чем у керамических, а следовательно, способно обработать больший объем отработанных газов.

Определение слова «Сажа» по БСЭ:

Сажа — дисперсный углеродный продукт неполного сгорания или термического разложения углеводородов, состоящий из сферических частиц чёрного цвета. Средний размер сажевых частиц 100-3500 Е. Частицы С. образованы из слоев углеродных атомов, подобных слоям в графите. Эти слои состоят из шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода (расстояния между ними 1,42 Е),но, в отличие от графита, слои в С. не плоские, а изогнутые, что и обусловливает сферическую поверхность частиц. Плотность сажевых частиц около 2 г/смі. Насыпная плотность С. 0,05-0,5 г/смі, зависит от степени уплотнения С. Поверхность частиц С. может быть шероховатой или гладкой.Сырьём для производства С. служат природный газ, ацетилен, жидкие углеводороды, а также остатки от перегонки нефти и каменноугольные смолы, содержащие большое количество конденсированных ароматических соединений.По способу производства С. делят на три группы: канальные, печные и термические.Канальные (диффузионные) С. получают при неполном сжигании природного газа или его смеси с маслом (например, антраценовым) в так называемых горелочных камерах, снабженных щелевыми горелками. Внутри камер расположены охладительные поверхности, на которых С. осаждается из диффузионного пламени.Печные С. получают при неполном сжигании масла, природного газа или их смеси в факеле, создаваемом специальным устройством в реакторах (печах). С. в виде аэрозоля выносится из реактора продуктами сгорания и улавливается специальными фильтрами.Термические С. получают в специальных реакторах при термическом разложении природного газа без доступа воздуха.Выход С. зависит от вида сырья и её дисперсности (выход тонкодисперсной С. меньше, чем грубодисперсной). Промышленные С. содержат обычно более 98% углерода. 0,2-0,5% водорода. небольшие примеси минеральных веществ и серы. в некоторые специальные сорта С. входит хемосорбированный кислород (до 10% по массе). С. широко применяется во многих отраслях техники. Более 90% всей производимой С. потребляет резиновая и прежде всего шинная промышленность (введение С. в резину значительно повышает её сопротивление разрыву и истиранию). В крупных масштабах С. используется в производстве чёрных лаков и эмалей и чёрных печатных красок для полиграфии. С. употребляется также как наполнитель для получения различных изделий из пластмасс, для изготовления копировальной бумаги, лент для пишущих машин, крема для обуви, грима, косметических красок и др. В производстве сухих электрических элементов применяется так называемая ацетиленовая С. (получается при термическом или взрывном разложении ацетилена). она отличается наиболее развитой вторичной структурой и высокой электропроводностью. В технике для нагрева многих печей, в частности мартеновских (см. Мартеновское производство), принимаются специальные меры для повышения концентрации С. в пламени, так как тепловое и световое излучение пламени обусловлено именно наличием в нём С.С., образующаяся при горении в промышленных и бытовых печах, а также при работе двигателей внутреннего сгорания (дизелях), выбрасывается вместе с продуктами горения в атмосферу в виде вредных дымов. Сажевые частицы не взаимодействуют с кислородом воздуха и поэтому удаляются только за счёт коагуляции и осаждения, которые идут очень медленно. Поэтому для сохранения чистоты окружающей среды необходим жёсткий контроль за полнотой сжигания топлива.Сажа белая — условное название тонкодисперсной аморфной двуокиси кремния SiO2, применяемой в качестве активного наполнителя резин на основе некоторых каучуков специального назначения, например кремнийорганических, а также для получения белых и цветных резин.Лит.: Печковская К. А., Сажа, как усилитель каучука, М., 1968. Зуев В. П., Михайлов В. В., Производство сажи, 3 изд., М., 1970. Беленький Е. Ф., Рискин И. В., Химия и технология пигментов, Л., 1960. Блох А. Г., Тепловое излучение в котельных установках, Л., 1967. Теснер П. А., Образование углерода из углеводородов газовой фазы, М., 1972.П. А. Теснер.

Изменение состава ОГ по годам

В последние годы в Федеративной Республике Германии, а также в других странах Европы и всего мира были приняты постановления и законы, направленные на снижение выброса вредных веществ в атмосферу

Естественно, что при этом особое внимание должно быть обращено на автомобильный транспорт. В ответ на ужесточение норм на токсичность в США и Европе, автомобильная промышленность проводит новые разработки, направленные на снижение и полное предотвращение выброса вредных веществ с ОГ

Выброс наиболее важных компонентов ОГ автомобильным транспортом в 1990–1998 годах (в ФРГ)

Данные о выбросах вредных веществ свидетельствуют о снижении в период с 1990 по 1998 годы загрязнения воздуха автомобильным транспортом. Преследуемые законодательными органами цели были достигнуты частично с запасом, и работы по снижению выбросов вредных веществ продолжаются. Однако, исключением в этом развитии является ситуация с выбросом двуокиси углерода CO2. Выброс двуокиси углерода CO2 зависит непосредственно от расхода топлива автомобилем. Новые разработки позволили снизить расход топлива, но увеличение зарегистрированных автомобилей и продолжающаяся тенденция к увеличению мощности двигателей и массы автомобилей сводят все последние достижения на нет. Прирост выбросов CO2 в последнее время замедлился и появилась тенденция к его будущему снижению.


С этим читают