Содержание выхлопных газов. Анализ бензина при сгорании



Проблемы, связанные с использованием автомобилей, изучаются давно в российской науке и практике. Одной из основных проблем является необходимость изучения состава выхлопных газов от эксплуатации автомобилей в целях снижения их вредного воздействия.

Вопросы, связанные с работой двигателей внутреннего сгорания, исследовали такие авторы, как К. С. Голохваст, Н. К. Христофорова и др. [1], М. С. Ассад, В. В. Грушевский [2], Суфиянов Р. Ш., Моисеев А. Э. [3], Смоленская Н. М., Смоленский В. В. [4], Садов А. А., Говорухин И. А. [5].

Цель данной статьи — провести анализ состава выхлопных газов, образуемых при работе двигателя внутреннего сгорания и рассмотреть пути снижения их вредного воздействия на экологию, а также экономичность.

Актуальность темы заключается в том, что выхлопные газы загрязняют окружающую среду. В современных условиях всеобщей проблемой является глобальное потепление, а также высокий уровень загрязнённости городов. Одной из основных причин этого является растущее количество автомобилей, образующих выхлопные газы.

Для отдельного человека значимость темы заключается в необходимости выбора типа двигателя и оптимального топлива для него с точки зрения экономичности расхода самого топлива, обслуживания двигателя, а также долговечности его использования.

Следует рассмотреть сам двигатель внутреннего сгорания и процессы, происходящие в нём.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — тепловой двигатель, где химическая энергия топлива, сгорающая в камере сгорания, преобразуется в механическую работу.

Процессы, происходящие в двигателе внутреннего сгорания в течение каждого из 4 тактов (такты — отдельные процессы, протекающие в цилиндре за один ход поршня и составляющие полный рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания):

− впрыск — камера сгорания расширяется, клапан открыт и наполняется топливной смесью;

− сжатие — клапан закрыт, поршень движется вверх, объем камеры уменьшается;

− рабочий такт — происходит воспламенение топливной смеси. Смесь расширяет камеру сгорания, толкая поршень;

− выпуск — поршень идёт вверх, клапан открыт, камера сгорания очищается от продуктов горения.

ДВС классифицируют по разным признакам.

1) по устройству: газотурбинные — работа сгорания воспринимается рабочими лопатками; реактивные — используется реактивное давление, возникающее при истечении продуктов сгорания из сопла; поршневые — работа газообразных продуктов сгорания производится в цилиндре, или используется в машине, приводимой в действие. Поршневые двигатели бывают двухтактные и четырёхтактные.

Двухтактный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два хода поршня.

Четырехтактный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за четыре хода поршня.

2)по назначению: транспортные (автомобильные, судовые, самолётные); стационарные — работает на одном месте и прикреплен к фундаменту или к жесткой неподвижной раме; специальные — применение таких двигателей позволяет упростить электропривод и придать ему некоторые свойства, которые двигатели общего назначения не обеспечивают.

3) по виду применяемого топлива: работающие на тяжёлом топливе (дизельные); газовые; бензиновые.

Дизельное топливо — жидкий продукт, использующийся как топливо в дизельном двигателе внутреннего сгорания;

Газ, используемый как топливо в ДВС — это пропан-бутан и метан.

Наиболее распространены бензиновые двигатели, которые используются в легковых автомобилях. Именно они представляют наибольший интерес для раскрытия темы.

Бензин — бесцветная горючая жидкость, получаемая переработкой нефти. Бензин производится нескольких марок, их характеристики даны в таблице 1.

Таблица 1

Марки бензина иих характеристики

Марка	ГОСТ/ТУ	Октановое число (моторный метод)	Октановое число (исследовательский метод)
А-92	ТУ38.001165–87	83	92
АИ-93	ГОСТ 2084–77	85	93
АИ-95	ГОСТ 2084–77	87	95
АИ-98	ГОСТ 2084–77	89	98

Октановое число — это показатель, характеризующий детонационную стойкость топлива, который применяется в ДВС с внешним смесеобразованием.

В России в настоящее время приняты и применяются только 2 метода для определения уровня октана в бензине. Исследовательский метод определения октанового числа означает проведение испытаний в строгом соответствии с ГОСТ 8226–82 [6] и ГОСТ Р 32339–2013 [7]. Моторный метод определения октанового числа предусмотрен ГОСТ 511–81 [8] и ГОСТ Р 32340–2013 [9]. Сравнительный анализ дизельного и бензинового двигателя представлен в таблице 2.

Таблица 2

Сравнительные характеристики дизельного ибензинового двигателей

Дизельный двигатель	Бензиновый двигатель
Преимущества
- дизельное топливо меньше подвержено возгоранию — дизельный агрегат более экологичный, так как полноценнее и эффективнее сжигает топливный заряд. Дизельное топливо также более экологически чистое, чем бензин — расход горючего на дизеле на 30–35 % меньше, чем у бензиновых моторов — ресурс дизельного двигателя больше, чем у бензиновых моторов — отсутствие в конструкции дизеля системы зажигания исключает целый ряд проблем, которые присущи бензиновым силовым агрегатам	- бензиновые двигатели мощнее дизельных — шум от бензинового двигателя меньше, чем у дизельного — бензиновый двигатель работает тише, чем дизельный — бензиновый мотор выгоднее дизельного по стоимости обслуживания
Недостатки
- дизель восприимчив к морозам — стоимость дизельного автомобиля на 25–35 % дороже аналогов на бензине. Двигатель также более дорогой в обслуживании и ремонте. Также владельцы дизельных автомобилей должны чаще менять фильтры и масла — дизельный мотор тяжелее бензинового, что влияет на развесовку автомобиля, его динамические характеристики и управляемость	- тяга на низах значительно хуже — серьёзная требовательность к качеству масел — больший расход топлива с ростом нагрузки — взрыво- и пожароопасность выше, чем у дизельного топлива

С точки зрения экологичности лучше использовать дизельное топливо. Разница в цене и расход топлива также говорят в пользу дизельного двигателя.

Независимо от вида топлива, в процессе работы ДВС происходит образование выхлопных газов. Выхлопные газы — основной источник токсичных веществ, двухтактного и четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, которые загрязняют окружающую среду.

Основными компонентами выхлопных газов двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводорода (таблица 3).

Таблица 3

Состав выхлопных газов при работе разных ДВС

Компоненты выхлопного газа	Содержание по объему,%		Токсичность
	бензиновый двигатель	дизельный двигатель
Азот	74,0–77,0	76,0–78,0	нет
Кислород	0,3–8,0	2,0–18,0	нет
Пары воды	3,0–5,5	0,5–4,0	нет
Диоксид углерода	5,0–12,0	1,0–10,0	нет
Оксид углерода	0,1–10,0	0,01–5,0	да
Углеводороды неканцерогенные	0,2–3,0	0,009–0,5	да
Альдегиды	0–0,2	0,001–0,009	да
Оксид серы	0–0,002	0–0,03	да
Сажа, г/м3	0–0,04	0,01–1,1	да
Бензпирен, мг/м3	0,01–0,02	до 0,01	да

Азот — хим. элемент 15-й группы с атомным номером 7. Это простое вещество представляет собой двухатомный газ без вкуса, запаха и цвета.

Кислород — химический элемент 16-й группы с атомным номером 8. Химически активный неметалл и самый лёгкий элемент из группы халькогенов.

Пары воды — газообразное агрегатное состояние воды. Отсутствует вкус, запах и цвет. Образуются молекулы воды при её испарении.

Диоксид углерода — бесцветный газ, почти не имеет запаха, с химической формулой СО2, плотность 1,98 кг/м3. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом.

Оксид углерода — бинарные химические соединения углерода с кислородом. Кроме углекислого газа и угарного газа остальные оксиды углерода относятся к органическим соединениям.

Альдегиды — класс органических соединений, которые содержат альдегидную группу.

Оксид серы — соединение серы с кислородом состава SO2. Бесцветный газ с резким запахом, токсичен. Под давлением сжимается при комнатной температуре.

Сажа — аморфный углерод, продукт неполного сгорания или термического разложения углеводородов в неконтролируемых условиях. Применяется в резинотехнической и в шинной промышленности.

Бензпирен — ароматическое соединение, вещество первого класса опасности. Образуется при сгорании углеводородного жидкого, твёрдого и газообразного топлива.

При работе двигателя на этилированном бензине в составе выхлопных газов присутствует свинец, а у двигателей, работающих на дизельном топливе — сажа.

Несмотря на плюсы дизельного топлива, бензиновые двигатели наиболее распространены, соответственно бензин — наиболее используемое топливо в легковых автомобилях. При его сгорании происходит 92 % выбросов СО, из них 63 % углеводородов и 46 % оксидов азота. При недостатке воздуха происходит сгорание топлива и образуется большое количество оксида углерода.

Выводы ирекомендации

Чтобы снизить вредное воздействие выхлопных газов на окружающую среду, разработаны новые экологически чистые виды топлива:

1) биодизель — на основе растительных масел применяется в чистом виде и в качестве различных смесей с дизельным топливом;

2) сжатый воздух — помогает малолитражным машинам сократить расход топлива до 3 л на 100 км. Пневмогибрид может передвигаться до 80 % времени на сжатом воздухе, не создавая при этом вредных выбросов.

3) солнечные батареи — такие автомобили оснащены панелями, собирающие солнечную энергию и блоком батарей ёмкостью 6 киловатт-часов. При отсутствии солнечного света запаса батарей хватает на 600 км.

4) жидкий водород — такие автомобили могут работать на бензине и на жидком водороде. Они имеют бензиновый бак на 74 литра и резервуар для хранения 8 кг жидкого водорода. Эти автомобили могут использовать оба вида топлива во время одной поездки: переключение горючего происходит автоматически.

5) электрический двигатель — это элемент электропривода. Состоит из подвижной части (ротора) и неподвижной (статора). После подачи питания ротор вращается. Электрические двигатели в последнее время находят широкое применение в легковых автомобилях.

Также чтобы улучшить экологическую обстановку, необходимо реализовывать следующие мероприятия:

− производить строительство дорог по новым технологиям, что уменьшает выхлопы за счет уменьшения нагрузки на двигатель и увеличения скорости;

− уменьшить вред от эксплуатации транспорта за счёт использования его экологически чистых видов и общественного транспорта;

− улучшать качество горюче-смазочных материалов.

Литература:

1. Голохваст К. С., Христофорова Н. К. и др. Состав суспензии выхлопных газов автомобилей // Методы экологических исследований. 2013. № 6. С. 95–101.
2. Ассад М. С., Грушевский В. В. и др. Измерение концентрации полициклических ароматических углеводородов в продуктах сгорания бензинового двигателя // Горение и взрыв. 2016. № 9..4. С. 22–27.
3. Суфиянов Р. Ш., Моисеев А. Э. Измерение содержания оксида углерода в выхлопных газах автомобильного транспорта // XII международная научно-практическая конференция. МЦНС «Наука и просвещение». 2018. С. 65–68.
4. Смоленская Н. М., Смоленский В. В. Токсичность отработавших газов в бензиновых двигателях при работе на сжатом природном газе и бензине // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2018. Т.18. № 4. С. 57–65.
5. Садов А. А., Говорухин И. А. и др. Влияние транспорта на окружающую среду и мероприятия // Молодежь и наука. 2014. № 4. С. 28.
6. ГОСТ 8226–82 (СТ СЭВ 2183–80) Топливо для двигателей. Исследовательский метод определения октанового числа.

7. ГОСТ 32339–2013 (ISO 5164:2005) Нефтепродукты. Определение детонационных характеристик моторных топлив. Исследовательский метод.

8. ГОСТ 511–2015 Топливо для двигателей. Моторный метод определения октанового числа.

9. ГОСТ 32340–2013 (ISO 5163:2005) Нефтепродукты. Определение детонационных характеристик моторных и авиационных топлив. Моторный метод.