Мы все знаем, что дизельные двигатели являются одними из самых популярных двигателей в мире, благодаря своей надежности, экономичности и мощности.
Однако, кроме этих преимуществ, дизельные двигатели также известны своими высокими выбросами вредных веществ, что негативно влияет на экологию и здоровье людей. В этой статье мы рассмотрим экологические характеристики дизельного двигателя, и как они влияют на окружающую среду.
Основные компоненты вредных выбросов с отработанными газами
Процесс преобразования химической энергии топлива в механическую работу в цилиндре дизеля сопровождается выхлопом отработанных газов в атмосферу. К категории наиболее опасных загрязнителей, содержащихся в них, относятся следующие газообразные вещества и частицы, выбрасываемые с выпускными газами:
- окислы азота NOx, образующиеся в цилиндрах дизеля при температуре выше 1 500 °С, когда азот становится химически активным газом;
- окись CO и двуокись углерода СO2, образующиеся в результате сгорания топлива;
- сернистый и серный ангидриды SO2 и SO3, образующиеся в результате окисления присутствующей в топливе серы (элементарной, меркаптановой и др.);
- продукты неполного сгорания топлива CHx, агломерация мелких частиц не полностью сгоревшего топлива, частицы не полностью сгоревшего масла, сажи и др. (рис. 1).
1 – воздух; 2 – тепло выделяющееся в атмосферу; 3 – выпускные газы; 4 – механическая работа; 5 – масло на смазку цилиндров; 6 – топливо
Образование окислов азота NOx сопровождает рабочий процесс любой энергетической установки, если температура этого процесса выше 1 500 °С. При таких условиях атомы азота становятся химически активными в результате потери ими одного или нескольких электронов.
Таким образом, для того, чтобы уменьшить содержание в выпускных газах окислов азота, необходимо:
- создание в камере сгорания условий, при которых не происходит интенсификация процесса образования химически активного азота;
- обеспечение максимально допустимой интенсификации процесса окисления углеводородов (топлива) в камере сгорания.
Окись углерода CO образуется в результате неполного сгорания топлива, что указывает на недостаточно эффективное протекание рабочего процесса в камере сгорания дизеля. К основным причинам неполного сгорания топлива относятся:
- низкие эксплуатационные свойства применяемого топлива;
- нарушения в регулировании подачи топлива в камеру сгорания дизеля;
- неудовлетворительное состояние топливоподающей системы и деталей ЦПГ (нагары на распылителе форсунок, образование недопустимых отложений в газовыпускном тракте, потеря подвижности поршневых колец; изношенность деталей топливной аппаратуры и ЦПГ).
Образования окиси углерода и окислов азота связаны между собой прямо пропорционально, т. е. чем больше содержание в выпускных газах окиси углерода, тем больше содержание и окислов азота. Образование окиси углерода как результат неполного сгорания топлива указывает на неэффективное использование последнего в процессе преобразования его потенциальной энергии в дизеле. Окись углерода при нормально организованном рабочем процессе, правильном выборе применяемого топлива и требуемом техническом состоянии дизеля не образуется и в выпускных газах не присутствует.
Сернистый и серный ангидриды SO2 и SO3 образуются в процессе сгорания топлива, содержащего серу. Реакции окисления серы в сернистый SO2 и серный SO3 ангидриды проходят с выделением теплоты, поэтому они участвуют в выработке преобразованной в дизеле полезной энергии. Чем выше доля серного ангидрида SO3, тем больше выделяется Принцип действия ДВС, основные понятиятепловой энергии. Однако выбросы этих ангидридов с выпускными газами являются опасными веществами для окружающей среды.
Среди указанных ангидридов наибольшую опасность представляет сернистый SO2, выбрасываемый в виде газа, и в результате дальнейшего окисления, переходящий в серный ангидрид SO3. При температуре ниже 110 °С серный ангидрид, соединяясь с парами воды, образует наиболее химически активную серную кислоту H2SO4. Серный ангидрид образуется в цилиндре дизеля, а серная кислота – еще в выпускном тракте, и возможна ее нейтрализация очистительными устройствами. Поэтому в процессе сгорания топлива необходимо обеспечить окисление серы в серный ангидрид.
Общее количество содержания сернистых веществ в выпускных газах регламентируется содержанием в топливе серы, поэтому необходимо ограничить наличие серы в применяемых топливах.
Твердые продукты сгорания топлива (частицы) в дизеле образуются в результате неполного окисления наиболее тяжелых его компонентов, и в первую очередь присутствующих в нем структурных (агрегативных) образований:
- смолистых,
- смолисто-асфальтеновых,
- смолисто-водяных,
- смолисто-твердых.
Все эти несгоревшие структурные системы и составляют основную массу твердых загрязнений, выбрасываемых в виде сажи с выпускными газами.
Двуокись углерода СO2 является конечным газообразным веществом процесса преобразования потенциальной энергии углеводородных энергоносителей в энергетических установках, в частности в дизелях. В отличие от перечисленных веществ, выбрасываемых в составе выпускных газов, исключить содержание в них двуокиси углерода невозможно. Основное экологически опасное воздействие двуокиси углерода состоит в разрушении озонового слоя и создании, таким образом, «парникового эффекта» на нашей планете.
Анализ данных по содержанию экологически опасных веществ в выпускных газах на единицу вырабатываемой мощности позволяет составить баланс количеств вводимых в установку и выбрасываемых из нее различных химических веществ.
Типичный состав выпускных газов для четырехтактного СОД при полной нагрузке следующий:
| % (по объему) | г/кВт·ч | ||
|---|---|---|---|
| N0 | 75 | SOx | 12 |
| O2 | 12,3 | NOx | 16 или 700-1 000 ‰ |
| CO2 | 5,6 | CO | 0,6 |
| Инертные газы | 0,9 | CH | 0,4 |
| Пар H2O | 6 | Сажа | 0,05 |
Безвредные или нейтральные (CO2) вещества в сумме составляют – 99 % от общего объема выпускных газов. Остальные – менее 1 % (10 000 частей на миллион – промилле, %) – включают в себя окислы азота (NOx), серы (SOx), окись углерода (CO), углеводороды (CxHy) и частицы (сажа, зола).
Окись углерода, сажа и углеводороды являются результатом Технология обработки судового топливанеполного сгорания топлива. В связи с большим избытком воздуха в отработанных газах судовых дизелей их немного по сравнению с их количеством в высокооборотных автотракторных дизелях и особенно бензиновых карбюраторных двигателях. Однако, некоторые углеводороды обладают сильными канцерогенными свойствами, поэтому, несмотря на малую концентрацию, проблема снижения выброса этих компонентов актуальна. Такие химические вещества, как NOx, CO, SOx и др., попадая в атмосферу, нарушают ее естественный экологический баланс вследствие образования слабых кислот.
Доля NOx и SO2 в отработанных газах дизелей составляет более 80 % объема всех вредных выбросов, поэтому задача снижения эмиссии этих компонентов составляет основу проблемы создания экологически чистых судовых дизелей. Содержание окислов серы в отработанных газах обусловлено наличием серы в топливе. При окислении серы в камере сгорания дизеля образуются SO2 и SO3, причем преимущественно SO2 (соотношение 15:1). Образование окислов азота в камере сгорания дизеля обусловлено наличием больших количеств азота, кислорода и высокими температурами в отдельных зонах расслоенного заряда. Окисление азота начинается при температуре выше 1 227 °С, а при 2 027 °С и более реакция протекает достаточно быстро (время реакции около 10-2 – 10-6с).
Окись азота образуется в зонах топливного факела, где смесь приближается по составу к стехиометрической, а локальная температура может достигать 2 227 °С. И хотя максимальная температура в дизелях не превышает 1 727 °С, указанное обстоятельство обусловливает высокие значения эмиссии NOx. Окислы азота образуются также из-за наличия азота в топливе. Как показали исследования, этот азот значительно более активен в химических реакциях окисления по сравнению с атмосферным азотом.
Требования международных и российских стандартов по экологии судовых дизельных двигателей
На состоявшейся 26.09.97 конференции членов Международной Конвенции по предотвращению загрязнений от судов (MARPOL 73/78) принят разработанный Международной организацией судоводителей (IMO) директивный документ «Технический Кодекс по выбросам окислов азота от судовых дизельных двигателей» (далее Кодекс).
Предполагалось, что эти предложения IMO формально вступят в силу спустя год после того, как 15 стран-участниц, представляющих 50 % мирового тоннажа эксплуатирующихся судов, ратифицируют соглашение. На данный момент соглашение не ратифицировано, однако вступил в силу циркуляр 34 IMO MERC, в соответствии с которым дизели, предназначенные для судов с датой закладки киля после 1 января 2000 г., подлежат экологической сертификации с выдачей промежуточного (или временного) сертификата. После вступления в силу правил IMO по ограничению выбросов промежуточные сертификаты будут переоформлены, как это требуется, в международные сертификаты по предупреждению загрязнения воздуха судовыми дизелями EIAPP-Сертификаты.
Правила IMO или, другими словами, «Технический Кодекс по контролю эмиссии окислов азота судовыми дизельными двигателями», как следует из названия документа, накладывает ограничения пока только на эмиссию окислов азота.
Кодекс представляет собой Международный стандарт, устанавливающий порядок и правила сертификации судовых дизелей на предприятии-изготовителе и на борту судна на соответствие нормам выбросов NOx организацией, уполномоченной Правительством страны (Регистром РФ).
Читайте также: Основные элементы топливной аппаратуры судовых дизелей
Под действие Кодекса подпадают судовые дизели мощностью более 130 кВт, предназначенные к установке или установленные на любых судах, вместимостью 400 и более регистровых тонн, подчиненных правилам по предотвращению загрязнения воздуха от судов, составляющих Приложение IV к MARPOL 73/78.
Его требования должны быть обеспечены прежде всего изготовителями судовых дизелей.
Требования Кодекса в части испытательных процедур, методов измерений и методов обработки результатов испытаний полностью соответствуют международному стандарту ISO 8178 «ДВС. Измерение эмиссии вредных веществ». Нормированию подлежат удельные средневзвешенные выбросы NOx при испытаниях по стандартным четырехступенчатым циклам С1, D2, E2, E3.
Выброс окислов азота в атмосферу при сгорании топлива наносит наибольший ущерб, нарушая в природе очень хрупкое природное равновесие. Именно поэтому, экологи и законодатели настаивают на контроле, в первую очередь, выбросов NOx. IMO на основе проведенных исследований заложило в Кодексе требования по ограничению выбросов окислов азота, которые показаны на рис. 2.
Нормы выбросов NOx установлены в зависимости от номинальной частоты вращения коленчатого вала дизелями n и имеют следующие значения:
- при n < 130 мин-1, eNOx = 17 г/кВт·ч;
- при 130 ≤ n ≤ 2 000 мин-1, eNOx = 45n-0,2г/кВт·ч;
- при n > 2 000 мин-1, eNOx = 9,84n г/кВт·ч.
По настоянию EUROMOT (Ассоциация Европейских производителей двигателей внутреннего сгорания) эти нормы уже действуют с 1997 г.
В национальных стандартах ряда стран для судовых дизелей нормы выбросов не связаны с каким-либо техническим параметром дизеля и имеют постоянное значение. Например, в США стандартом EPA на 1999 г. установлена норма выбросов NOx 9,2 г/кВт·ч, а в России до 2000 г. – 14 г/кВт·ч, с 2000 г. – 8 г/кВт·ч. Наиболее жесткий и действующий с 1995 г. стандарт Калифорнии (США) ограничивает выбросы NOx от морских судов нормой 2 г/кВт·ч. Таким образом, нормы Кодекса следует считать весьма либеральными, особенно для мало- и среднеоборотных дизелей.
До 2000 г. вредные выбросы оксидов углерода и окислов азота дизелей нормировались в соответствии с ГОСТ 24585-81 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработанными газами. Нормы и методы определения». Дымность ОГ определялась и нормировалась в соответствии с ГОСТ 24028-80 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Дымность отработанных газов. Нормы и методы измерения». Однако требования этих государственных стандартов распространялись только на заводские стендовые испытания дизелей и не применялись для дизелей в эксплуатации.
В 1997 г. вместо ГОСТ 24028 и 24585 вступили в силу новые стандарты, а также дополнительный стандарт «Испытательные циклы», разработанные Техническим комитетом РФ по стандартизации ТК 235 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные».
С 1 января 2000 г. введен в действие новый государственный стандарт ГОСТ Р 51249-99 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработанными газами. Нормы и методы определения», требования, которые допускается распространять на дизели в условиях эксплуатации, в том числе и после капитального ремонта.
При разработке стандартов учтены MC ISO 8178, ISO 10054, ISO 11614 и UJC-Codex № 623-2 в части терминов и определений, методов испытаний, измерений и расчетов. Расширена область применения стандартов на все виды стендовых испытаний дизелей, в том числе, прошедших капитальный ремонт. Расширена номенклатура нормируемых выбросов, а также ужесточены нормы.
Действующий ГОСТ 24028 допускал измерения непрозрачности потока отработанных газов (ОГ) дизелей при использовании только дымомеров оптического типа (ДОТ). Вместе с тем, как за рубежом, так и в российской практике широкое распространение получили дымомеры фильтрационного типа (ДФТ), которые, благодаря своей портативности, легко могут быть подключены в любом подходящем месте выпускных систем тепловозных и крупных судовых дизелей, в частности, расположенном внутри машинного отделения тепловоза или судна.
Применение на этих объектах эксплуатации полнопоточных и даже частичнопоточных ДОТ осложнено необходимостью размещения на срезе газовыпускной трубы либо фотометрического узла дымомера, подвергающегося воздействию атмосферы, либо обогреваемой пробоотборной линии.
Поэтому в новой редакции стандарта, регламентирующего нормы и методы измерения дымности ОГ, допускается использование как ДОТ, так и ДФТ.
В действующем стандарте нормирование показателей дымности ОГ базируется на условном (геометрическом) расходе газов. В новой редакции стандарта дымность нормируется в зависимости от действительного расхода отработанных газов, то есть имеет место ужесточение требований к дизелям с турбонаддувом.
Значения норм дымности ОГ приведены в табл. 1.
| Таблица 1. Нормы дымности отработанных газов | |||
|---|---|---|---|
| Расход отработанных газов Vexp, дм3/с | Натуральный показатель ослабления светового потока, Kд, м-1, не более | Коэффициент ослабления светового потока, приведенный к шкале дымометра оптического типа с L = 0,43, N %, не более | Дымовое число фильтра, приведенное к шкале дымометра фильтрационного типа с LF = 0,405 м FSN, усл. ед., не более |
| до 75 включ. | 1,857 | 55 | 4,17 |
| свыше 75 включ. 85 | 1,707 | 52 | 4,01 |
| свыше 85 включ. 95 | 1,612 | 50 | 3,91 |
| свыше 95 включ. 110 | 1,521 | 48 | 3,80 |
| свыше 110 включ. 125 | 1,433 | 46 | 3,70 |
| свыше 125 включ. 140 | 1,348 | 44 | 3,59 |
| свыше 140 включ. 160 | 1,267 | 42 | 3,47 |
| свыше 160 включ. 185 | 1,188 | 40 | 3,37 |
| свыше 185 включ. 210 | 1,112 | 38 | 3,26 |
| свыше 210 включ. 250 | 1,038 | 36 | 3,14 |
| свыше 250 включ. 290 | 0,966 | 34 | 3,02 |
| свыше 290 включ. 350 | 0,897 | 32 | 2,89 |
| свыше 350 включ. 400 | 0,829 | 30 | 2,77 |
| свыше 400 включ. 500 | 0,764 | 28 | 2,64 |
| свыше 500 включ. 600 | 0,700 | 26 | 2,50 |
| свыше 600 включ. 700 | 0,638 | 24 | 2,34 |
| свыше 700 включ. 900 | 0,578 | 22 | 2,13 |
| свыше 900 включ. 1 150 | 0,519 | 20 | 2,02 |
| свыше 1 150 включ. 1 500 | 0,461 | 18 | 1,84 |
| свыше 1 500 включ. 2 000 | 0,405 | 16 | 1,67 |
| свыше 2 000 включ. 3 000 | 0,351 | 14 | 1,48 |
| свыше 3 000 | 0,297 | 12 | 1,30 |
Примечание:
Данные табл. 1 нельзя использовать для пересчета показаний оптического дымомера в показания фильтрационного, за исключением случаев одновременного проведения измерений.
Уточнена формула приведения коэффициента ослабления светового потока N, измеренного ДОТ с произвольной эффективной базой L к базе, равной 0,43 м, характерной для автомобильных дымомеров:
Впервые введена формула приведения показаний ДФТ с фильтрационной колонкой произвольной эффективной длины LF к длине, равной 0,405 м, также характерной для автомобильных дымомеров:
где:
- FSN – дымовое число фильтра в условных единицах десяти балльной шкалы.
Действующий ГОСТ 24585 регламентирует нормы и методы определения удельных выбросов окислов азота (NOx) и окиси углерода (CO).
Новая редакция стандарта дополняет номенклатуру нормируемых веществ суммой углеводородов (ΣCH) в приведении к CHi, Si.
В действующем стандарте нормы выбросов устанавливаются в функции среднего эффективного давления и удельного расхода топлива при номинальной мощности в условиях стендовых испытаний серийных дизелей (табл. 2).
| Таблица 2. Нормы выбросов загрязняющих веществ | ||||
|---|---|---|---|---|
| Наименование и размерность нормируемого параметра | Обозначение | Назначение дизеля | Норма удельных средневзвешенных выбросов | |
| до 2000 г. | с 2000 г. | |||
| Удельный средневзвешенный выброс оксилов азота (NOx) в приведении к NO2, г/кВт·ч | [lpNOx] | Тепловозный | 18,0 | 12,0 |
| Промышленный | 16,0 | 10,0 | ||
| Судовой | 14,0 | 8,0 | ||
| Удельный средневзвешенный выброс окиси углерода (CO), г/кВт·ч | [lpCO] | Любое | 6,0 | 3,0 |
| Удельный средневзвешенный выброс углеводородов ΣCH в приведении к CHi85, г/кВТ·ч | [lpCH] | Любое | 2,4 | 1,0 |
В новой редакции стандарта изменяется методический подход к расчету и нормированию удельных выбросов загрязняющих веществ, основанный на их оценке по стандартным испытательным циклам дизеля.
Испытательный цикл – это совокупность фиксированных по частоте вращения коленчатого вала и мощности (или моменту) режимов работы дизеля, устанавливаемая в соответствии с его назначением и реализуемая в процессе стендовых испытаний.
Нормируемым (и расчетным) параметром выброса принимается удельный средневзвешенный выброс загрязняющего вещества –
который представляет собой количество вещества, приходящееся на 1 кВт·ч эффективной работы дизеля при совершении им полного испытательного цикла:
где:
- Ci – измеренная при испытаниях концентрация i-го загрязняющего вещества в ОГ, об. % ;
- j – порядковый номер режима испытаний в испытательном цикле;
- Vexp – объемный расход ОГ, приведенный к стандартным атмосферным условиям (To = 273 К; Po = 101,3 кПа), нм3/ч (во «влажном» или «сухом» состоянии в зависимости от условий измерения состава отработанных газов);
- Pej – отношение эффективной мощности дизеля на данном режиме испытаний к номинальной эффективной мощности;
- Pеном – номинальная эффективная мощность, кВт;
- μi – молекулярная масса любого загрязняющего вещества либо его эквивалента по приведению, кг/моль;
- m – количество режимов испытаний в испытательном цикле;
- Wi – весовой коэффициент режима испытаний.
Весовой коэффициент режима испытаний – это условная величина, статистически отражающая долю времени работы дизелей данного назначения в эксплуатации в окрестностях данного режима. Значения Wi заимствованы из международных стандартов.
Испытательные циклы (регламентируются отдельным стандартом) для судовых, тепловозных и промышленных дизелей имеют 5 основных градаций (при общем числе 11) и являются производными от универсального одиннадцатирежимного цикла (табл. 3).
| Таблица 3. Основные испытательные циклы | ||||
|---|---|---|---|---|
| Назначение дизеля и индекс испытательного цикла | Обозначение режима | Отношение частоты вращения коленчатого вала к номинальной частоте вращения, | Отношение эффективной мощности к ее номинальному значению, | Весовой коэффициент режима, W |
| Промышленное (дизель-генератор) D1 | 1 2 3 | 1,000 1,000 1,000 | 1,00 0,75 0,50 | 0,30 0,50 0,20 |
| Судовые E3 | 1 2 3 4 | 1,000 0,908 0,794 0,630 | 1,00 0,75 0,50 0,25 | 0,20 0,50 0,15 0,15 |
| Для железнодорожного транспорта F | 1 2 3 4 | 1,00 промежуточная промежуточная промежуточная | 1,00 0,50 0,25 0,05 | 0,20 0,10 0,10 0,60 |
Разбивка циклов по градациям отвечает следующим признакам:
- C – промышленные дизели, мощностью более 20 кВт;
- D – дизели для привода генератора (две подгруппы);
- E – судовые дизели (четыре подгруппы);
- F – тепловозные дизели;
- G – промышленные дизели, мощностью менее 20 кВт (три подгруппы).
По назначению дизелей в новом стандарте различаются и нормы удельных средневзвешенных выбросов NOx (см. табл. 2).
Для дизелей, прошедших капитальный ремонт, нормы корректируются соответствующими коэффициентами.
В новом стандарте уточнены требования к газоаналитической аппаратуре в части применяемых методов количественного анализа. Так, при проведении сертификационных испытаний дизеля газоанализаторы должны иметь следующие детекторы:
- для NOx – хемилюминесцентный (нагреваемый или нет) с преобразователем NOx → NO;
- для CO – недисперсионный инфракрасный;
- для CH – пламенно-ионизационный, нагреваемый до температуры (453 ± 10) К.
Линия отбора и транспортирования пробы должна быть термостатирована при температуре 180 ± 20 °С. Длина пробоотборной линии не должна превышать 20 м, при этом в паспорте должна быть указана дополнительная погрешность определения состава газов, вносимая пробоотборной линией и системой пробоподготовки.
