Пути снижения токсичности двигателей

Г. Б. Либефорт «Катера и яхты» №4 (68) июль-август 1977г.

 

Пути снижения токсичности двигателей

 

Одна из глобальных проблем сегодняшнего дня — чистота окружающей среды. Источником загрязнения ее в немалой степени является двигатель внутреннего сгора­ния, занявший ведущее место на транспортных средствах, в том числе — на катерах и мотолодках.

Конечно, условия работы таких двигателей на катерах и мотолодках существенно отличаются от условий на наземном транспорте в первую очередь тем, что, как пра­вило, на катере двигатель работает в постоянном режиме. Это благоприятно (с точки зрения токсичности) сказывается на составе отработавших газов.

В предлагаемой вниманию читателей статье Г. Б. Либефорта рассказывается о современных методах снижения токсичности двигателей внутреннего сгорания.

Есть множество проектов замены двигателя внутреннего сго­рания. Перспективным, в частности, представляется «стирлинг» — двига­тель внешнего сгорания («КЯ» № 27). Доктор технических наук, профессор А. С. Орлин, на кафедре которого в МВТУ им. Баумана проводятся ис­следования стирлингов, говорит: «Они могут совместить в себе луч­шие качества существующих двига­телей— экономичность дизеля, лег­кость бензинового мотора, неприхот­ливость к топливу и надежность па­ровой машины. Кроме того, они бес­шумны и выбрасывают в атмосферу ничтожное количество токсичных ве­ществ». Однако до практического внедрения этого и многих других проектов путь длинный и тернистый.

На ближайшие два десятилетия поршневой двигатель внутреннего сгорания останется основным типом массовой транспортной силовой уста­новки. Поэтому неудивителен повсе­местный интерес к проблеме сниже­ния токсичности такого двигателя.

В выхлопных газах бензиновых двигателей содержится около 200 компонентов, в принципе вредных для здоровья человека и окружаю­щей среды. Важнейшие из них - окись углерода, углеводороды, окислы азота, сажа и свинец. Содержание окиси углерода на отдельных режи­мах работы такого двигателя может составлять 12%. Еще опаснее окиси углерода окислы азота. Двуокись азота, в частности, участвует в фото­химической реакции образования «смога». Свинцовые соединения обра­зуются из тетраэтилсвинца, добав­ляемого в бензин в качестве анти­детонатора. При использовании сернистых топлив в состав отработавших газов входят окислы серы.

Трудность решения проблемы сни­жения токсичности двигателя состоит в том, что нужно одновременно выполнить ряд противоречивых тре­бований. Например, снижение в вы­хлопных газах концентрации окиси углерода и углеводородов, которое достигается только при полном сго­рании, в то же время неизбежно увеличивает содержание окислов азота, образующихся при высоких температурах.

Теоретические и эксперименталь­ные разработки показывают воз­можность снижения токсичных выбросов поршневых двигателей внут­реннего сгорания улучшением про­цесса сгорания топлива: примене­нием форкамерно-факельного за­жигания, уменьшением неравномер­ности распределения смеси по ци­линдрам, повышением топливной эко­номичности, применением устройств для ранней газификации топлива, оснащением системой впрыска бен­зина, электронным управлением цик­ловой подачей, системой рецирку­ляции отработавших газов, системой для улавливания бензиновых паров, испаряющихся из бензобака и кар­бюратора, и другими усовершенство­ваниями.

Возлагаются надежды на карбю­раторный двигатель с послойным сгоранием рабочей смеси, в кото­ром богатая и бедная топливовоздушные смеси размещаются в раз­личных зонах камеры сгорания. Сначала поджигается богатая смесь, при сгорании которой вследствие низкой температуры не образуются окислы азота. Затем сгорание переносится в зону с бедной смесью, при сгорании которой происходит дожигание углеводородов и окиси углерода.

Большой интерес в вопросе сни­жения токсичности выбросов в атмо­сферу представляет замена жидкого топлива газообразным.

Двигатели внутреннего сгорания, работающие на сжиженном нефтя­ном газе, в 4—5 раз менее токсич­ны, чем бензиновые, но несколько уступают в динамике и хуже запу­скаются в холодную погоду.

Применение природного газа позволяет еще больше снизить ток­сичность выхлопа. Кроме того, за­крытая система топливоподачи при применении как нефтяного, так и природного газа полностью исклю­чает испарение топлива в окружаю­щую среду.

С целью значительного снижения токсичности отработавших газов предпринимаются попытки перевода автомобильных двигателей на водо­родное топливо. По стоимости на одну милю пробега водород в США уже сейчас дешевле бензина (2,5 цен­та против 3,5). Появляются сообще­ния об удачном решении проблемы хранения водорода на автомобиле, исключающем возможность взрыва в случае аварии.

При применении в качестве окис­лителя воздуха продуктами сгора­ния водорода являются вода и окислы азота, Если же применить кислород, то из выхлопной трубы выходил бы только водяной пар. Для широкого применения водорода в качестве топлива автомобильных двигателей необходимо решить вопросы расширения его производ­ства и хранения в условиях эксплуа­тации.

Большое влияние на токсичность отработавших газов оказывает тех­ническое состояние двигателя. Правильно отрегулированный двигатель выделяет в 10 и более раз меньше окиси углерода, чем двигатель плохо отрегулированный  или  неисправный.

Наиболее простой и доступный способ снижения токсичности отра­ботавших газов заключается в регулировке дозирующих элементов карбюратора и параметров системы зажигания. Малотоксичная регули­ровка системы холостого хода кар­бюратора винтом качества смеси позволяет привести в соответствие с требованиями ГОСТ 16533—70 практически все отечественные авто­мобильные карбюраторные двига­тели. Кроме снижения выброса окиси углерода и углеводородов в результате малотоксичной регулировки ча­совой расход топлива на холостом ходу уменьшается на 25-40%.

Нейтрализация отработавших га­зов в выпускной системе в дополне­ние к малотоксичной регулировке двигателя позволяет значительно уменьшить выделение окиси угле­рода и углеводородов. Это дополнительное средство может удовлет­ворить постоянно ужесточающиеся нормы токсичности отработавших газов. Дизельные самосвалы «БелАЗ-540» оборудуются каталитическими нейтрализаторами НКД-241. Нейтра­лизатор устанавливается вместо глу­шителя и выполняет также и его функции. В качестве катализатора применяют благородные металлы: для дизелей платину, для бензиновых двигателей палладий, что, конеч­но, ограничивает применение этих нейтрализаторов.

Для очистки отработавших газов дизелей в основном от сажи и спе­цифического запаха применяются жидкостные нейтрализаторы, кото­рые могут использоваться в соче­тании с каталитическими.

Впрыск воды в дизелях снижает температуру отработавших газов на 50-70 °С, что способствует уменьше­нию образования окислов азота и увеличивает срок службы каталити­ческих нейтрализаторов.

В любой энергетической установ­ке с бензиновым двигателем имеется два места, откуда испаряется бензин: вентиляционные отверстия бензобака и карбюратора.

Испарение из бензобака опреде­ляется температурой наружного воз­духа, а также зависит от места рас­положения бака (нагрев бака сол­нечными лучами и т. п.). Интенсив­ное испарение из поплавковой каме­ры происходит после остановки дви­гателя, когда карбюратор нагре­вается теплом от мотора (при ра­боте двигателя карбюратор охлаж­дается засасываемым воздухом).

Разработана система улавливания паров бензина, экспонировавшаяся на выставке «Охрана труда-75». Приме­нение этой системы снижает выде­ление бензиновых паров в атмо­сферу до 2 г в сутки (вместо 30-50 г).