Причины образования токсичных компонентов в ОГ ДВС

Моноксид углерода СО. В двигателях внутреннего сгорания образование окиси углерода может происходить в ходе холоднопламенных реакций, при сгорании топливовоздушных смесей с некоторым недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации двуокиси углерода, происходящей при высоких температурах (более 2000 К). В процессе последующего сгорания и расширении при наличии кислорода возможно горение окиси углерода. Оно происходит по цепному механизму, который установлен на основе работ советских ученых (Я. Б. Зельдовича, Н. Н. Семенова, В. Н. Кондратьева) и который может быть представлен следующими элементарными стадиями.

Зарождение цепей

Н2O + СО = Н2 + СO2; (2)

Н2 + O2 = 2OН. (3)

Продолжение цепей

ОН + СО = С02 + Н. (4)

Разветвление цепей

Н + O2 = ОН + О; (5)

О + Н2 = ОН + Н. (6)

Обрыв цепей на стенках

2Н + стенки = Н2. (7)

Обрыв цепей в объеме

СО + О = СO2. (8)

Скорость процесса определяет наиболее медленная реакция (4). Таким образом, окисление СО зависит от концентрации водорода и гидроксила в продуктах сгорания.

В дизелях, работающих при α> 1, вероятность указанных превращений во фронте пламени мала и в отработавших газах содержится меньше СО, но в цилиндрах находятся дополнительные источники его появления:

— низкотемпературные участки пламени стадии воспламенения топлива;

— капли топлива, поступающие в камеру на поздних стадиях впрыска и сгорающие в диффузионном пламени при недостатке кислорода;

— частицы сажи, образовавшейся в период распространения турбулентного пламени по гетерогенному заряду, в котором при общем избытке кислорода могут создаваться зоны с его дефицитом и осуществляться реакции типа

2С+О2 →2СО (9)

Так как при нормальной эксплуатации дизелей концентрация СО в отработавших газах обычно не велика (не превышает 0,1—0,2%), то основное внимание в последние годы было уделено анализу механизма образования и сгорания окиси углерода в карбюраторных двигателях.

Рис.2 Равновесные концентрации CO в зависимости от степени расширения

Сравнение равновесных концентраций СО, подсчитанных для идеального цикла с подводом тепла при постоянном объеме в зависимости от расширения смеси (рис. 2), с опытными данными о концентрациях СО в отработавших газах показало, что последние значительно выше равновесных при температуре конца расширения. Значения 0 и 1,0 по оси абсцисс соответствуют началу и концу расширения. Замеренные концентрации СО ближе к равновесным при условиях начала расширения. Исследования последних лет показали, что это расхождение может быть объяснено на основе законов кинетики химических реакций. В качестве реакции, определяющей содержание окиси углерода в отработавших газах, принята реакция (4). Скорость уменьшения концентрации СО (или увеличения концентрации СО2) определяется при этом уравнением

- d [СО]/dτ = К1С [СО] [ОН], (10)

где К1C — константа скорости реакции; К1C =7,10-1012ехр(-32200/RT) см3/(моль∙с) [Т—абсолютная температура, R — универсальная газовая постоянная; Дж/(моль∙К)]; [СО] и [ОН] — концентрации СО и ОН.

При частоте вращения коленчатого вала n=1500 об/мин процесс расширения в четырехтактном двигателе длится около 20 мс. За это время температура изменяется примерно на 1200 К, т. е. скорость изменения температуры составляет около 60 К/(м∙с).

В определенный момент расширения происходит "закалка" продуктов догорания окиси углерода. При составе смеси, близкой к стехиометрическому, температура "закалки" равна примерно 1020 К. По мере обогащения смеси температура "закалки" несколько увеличивается, приближаясь при α ≈0,7 к максимальной теоретической температуре цикла.

Углеводороды СХНУ — свыше двухсот различных углеводородов, образующихся в отработавших газах двигателей в результате:

— реакций цепочно-теплового взрыва — пиролиза и синтеза (полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), альдегиды, фенолы);

Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Другие материалы

Поверхностно-активные вещества как загрязнители окружающей среды
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – вещества, способные накапливаться (сгущаться) на поверхности соприкосновения двух тел, называемой поверхностью раздела фаз, или межфазной поверхностью. На межфазной поверхности ПАВ образуют слой повышенной концентрации – адсорбционный слой. Любое вещество в виде комп ...