Войти
British Rail Дельтик класса 55 тепловоз с характерным густым выхлопом при запуске поезда Дизельный выхлоп представляет собой газообразный выхлоп, производимый дизельным двигателем типа двигателя внутреннего сгорания, плюс любые содержащиеся твердые частицы. Его состав может варьироваться в зависимости от типа топлива или скорости его расхода, или скорости работы двигателя (например, на холостом ходу, на скорости или под нагрузкой), а также от того, установлен ли двигатель на дорожном транспортном средстве, сельскохозяйственном автомобиле, локомотиве, морском судне, или стационарный генератор, или другое применение.
Дизельные выхлопные газы являются канцерогеном группы 1, который вызывает рак легких и имеет положительную связь с раком мочевого пузыря. Он содержит несколько веществ, которые также перечислены по отдельности как канцерогены для человека в IARC.
. Существуют методы снижения содержания оксидов азота (NO x) и твердых частиц (PM) в выхлопных газах. Таким образом, хотя дизельное топливо содержит немного больше углерода (2,68 кг CO₂ / литр), чем бензин (2,31 кг CO₂ / литр), общие выбросы CO₂ дизельного автомобиля, как правило, ниже. При использовании в среднем это соответствует примерно 200 г CO₂ / км для бензина и 120 г CO₂ / км для дизельного топлива
Основными продуктами сгорания нефтяного топлива в воздухе являются диоксид углерода, вода и азот.. Остальные компоненты существуют в основном из-за неполного сгорания и. Хотя распределение отдельных компонентов сырых (необработанных) дизельных выхлопов варьируется в зависимости от таких факторов, как нагрузка, тип двигателя и т. Д., В соседней таблице показан типичный состав.
Физические и химические условия, которые существуют внутри любых таких дизельных двигателей при любых условиях, значительно отличаются от двигателей с искровым зажиганием, поскольку по конструкции мощность дизельного двигателя напрямую контролируется подачей топлива., а не за счет управления воздушно-топливной смесью, как в обычных бензиновых двигателях. В результате этих различий дизельные двигатели обычно производят другой набор загрязняющих веществ, чем двигатели с искровым двигателем, различия, которые иногда являются качественными (какие загрязняющие вещества есть, а какие нет), но чаще количественными (сколько конкретных загрязняющих веществ или классы загрязняющих веществ присутствуют в каждом). Например, дизельные двигатели производят одну двадцать восьмую угарного газа, чем бензиновые двигатели, поскольку они сжигают свое топливо в избытке воздуха даже при полной нагрузке.
Однако, дизельные двигатели работают на обедненной смеси и высокие температуры и давления в процессе сгорания приводят к значительному образованию NOx (газообразных оксидов азота ), загрязнителя воздуха, который представляет собой уникальную проблему с точки зрения их уменьшения. В то время как общее количество оксидов азота в бензиновых автомобилях снизилось примерно на 96% за счет внедрения каталитических нейтрализаторов выхлопных газов с 2012 года, дизельные автомобили по-прежнему производят оксиды азота на том же уровне, что и те, которые были куплены 15 годами ранее в ходе реальных испытаний; следовательно, автомобили с дизельным двигателем выбрасывают примерно в 20 раз больше оксидов азота, чем автомобили с бензиновым двигателем. В современных дорожных дизельных двигателях обычно используются системы избирательного каталитического восстановления (SCR), чтобы соответствовать законам о выбросах, поскольку другие методы, такие как рециркуляция выхлопных газов (EGR), не могут в достаточной степени снизить NO x для соответствия новым стандартам, применимым во многих юрисдикциях. Вспомогательные дизельные системы, предназначенные для нейтрализации загрязняющих веществ оксидами азота, описаны в отдельном разделе ниже.
Более того, мелкие частицы (мелкодисперсные частицы) в выхлопных газах дизельных двигателей (например, сажа, иногда видимая как непрозрачный дым темного цвета) традиционно имеют больше беспокойство, поскольку он представляет различные проблемы для здоровья и редко производится в значительных количествах на двигателях с искровым зажиганием. Эти особенно вредные твердые частицы достигают пика, когда такие двигатели работают без кислорода, достаточного для полного сгорания топлива; когда дизельный двигатель работает на холостом ходу, обычно присутствует достаточно кислорода, чтобы полностью сжечь топливо. (Потребность в кислороде в двигателях без холостого хода обычно снижается с помощью турбонаддува.). С точки зрения выбросов твердых частиц, как сообщается, выхлопы дизельных автомобилей значительно более вредны, чем выхлопы бензиновых автомобилей.
Выхлопные газы дизельных двигателей, давно известные своим характерным запахом, значительно изменились с уменьшением содержания серы в дизельном топливе, а также с введением каталитических нейтрализаторов в выхлопные системы.. Даже в этом случае выхлопные газы дизельных двигателей продолжают содержать ряд неорганических и органических загрязнителей в различных классах и в различных концентрациях (см. Ниже), в зависимости от состава топлива и условий работы двигателя.
| Средний состав выхлопов дизельных двигателей (Reif 2014) | Средний состав выхлопов дизельных двигателей (Merker, Teichmann, 2014) | Состав выхлопа первого дизельного двигателя (Hartenstein, 1895) | Состав выхлопа дизельного двигателя (Khair, Majewski, 2006) | Состав выхлопа дизельного двигателя (разные источники) | |
|---|---|---|---|---|---|
| Виды | Массовый процент | Объемный процент | Объемный процент | (Объем?) Процент | |
| Азот (N 2) | 75,2% | 72,1% | - | ~ 67% | - |
| Кислород (O 2) | 15% | 0,7% | 0,5% | ~ 9% | - |
| Двуокись углерода (CO 2) | 7,1% | 12,3% | 12,5% | ~ 12% | - |
| Вода (H 2 O) | 2,6% | 13,8% | - | ~ 11% | - |
| Окись углерода (CO) | 0,043% | 0,09 % | 0,1% | - | 100–500 частей на миллион |
| Оксид азота (NO. x) | 0,034% | 0,13% | - | - | 50–1 000 ppm |
| Углеводороды (HC) | 0,005% | 0,09% | - | - | - |
| Альдегид | 0,001% | н / д | - | - | - |
| Твердые частицы вещество (сульфат + твердые вещества) | 0,008% | 0,0008% | - | - | 1–30 мг · м |
Ниже перечислены классы химических соединений, обнаруженных в выхлопных газах дизельных двигателей.
| Класс химического загрязнения | Примечание |
|---|---|
| сурьма соединения | Токсичность аналогична отравлению мышьяком |
| соединения бериллия | Канцерогены IARC группы 1 |
| соединения хрома | возможные канцерогены IARC группы 3 |
| соединения кобальта соединения | |
| цианид соединения | |
| диоксины и дибензофураны | |
| соединения марганца | |
| ртуть соединения | Возможные канцерогены IARC группы 3 |
| оксиды азота | 5,6 частей на миллион или 6500 мкг / м³ |
| полициклические органические вещества, включая. полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) | |
| селен соединения | |
| соединения серы |
Фолл в связи с этим являются классы конкретных химикатов, которые были обнаружены в выхлопных газах дизельных двигателей.
Включает все региоизомеры этого ароматическое соединение. См. Описания орто-, мета- и пара-изомеров в статье каждого соединения.
Для быстрого уменьшения выбросов твердых частиц из дизельных двигателей большой мощности в Калифорнии Калифорнийский совет по воздушным ресурсам создал Достижение стандартов качества воздуха в Мемориале Карла Мойера. Программа по обеспечению финансирования модернизации двигателей в преддверии норм выбросов. В 2008 году Калифорнийский совет по воздушным ресурсам также ввел в действие Правило для грузовиков и автобусов штата Калифорния от 2008 года, которое требует, чтобы все дизельные грузовики и автобусы большой грузоподъемности, за некоторыми исключениями, которые работают в Калифорнии, либо модернизировали, либо заменяли двигатели. для уменьшения содержания твердых частиц в дизельном топливе. Управление по безопасности и охране здоровья в шахтах (MSHA) в январе 2001 г. выпустило санитарный стандарт, предназначенный для снижения воздействия выхлопных газов дизельного топлива в подземных металлических и неметаллических рудниках; 7 сентября 2005 г. MSHA опубликовало уведомление в Федеральном реестре с предложением перенести дату вступления в силу с января 2006 г. до января 2011 г.
Содержание серы:
В отличие от международного доставка, которая имеет предел суфхура в 3,5% по массе / массе за пределами ЕЦА до 2020 года, где он снижается до 0,5% за пределами ЕЦА, дизельное топливо для дорожного использования и бездорожья (тяжелая техника) было ограничено во всем ЕС с 2009 года.
«Дизель и бензин ограничены до 10 ppm серы с 2009 года (для дорожных транспортных средств) и 2011 года (внедорожные транспортные средства). Обязательные спецификации также применяются к более чем дюжине параметров топлива.»
Сообщается, что выбросы от автомобилей с дизельным двигателем значительно более вредны, чем от автомобилей с бензиновым двигателем. Выхлопные газы дизельного топлива являются источником атмосферной сажи и мелких частиц, которые являются компонентом загрязнения воздуха, вызывающим рак у человека, повреждение сердца и легких и умственную деятельность. Кроме того, выхлопные газы дизельных двигателей содержат загрязняющие вещества, внесенные в список IARC (часть Всемирной организации здравоохранения Организации Объединенных Наций ) как канцерогенные для человека, которые присутствуют в их Список канцерогенов IARC группы 1. Предполагается, что дизельное топливо загрязнение выхлопными газами составляет около четверти загрязнения воздуха в предыдущие десятилетия, а также высокую долю заболеваний, вызванных автомобильным загрязнением.
Два монитора твердых частиц дизельного топлива Воздействие выхлопных газов дизельного топлива и твердых частиц дизельного топлива (DPM) представляет собой профессиональную опасность для водителей грузовиков, железнодорожников, жителей жилых домов. дома вблизи железнодорожной станции , и горняки, использующие дизельное оборудование в подземных шахтах. Неблагоприятные последствия для здоровья также наблюдаются у населения в целом при концентрациях атмосферных частиц в окружающей среде, значительно ниже концентраций в профессиональных условиях.
В марте 2012 года ученые правительства США показали, что у шахтеров, подвергающихся воздействию высоких уровней дизельного дыма, риск заболевания раком легких в три раза выше, чем у горняков, подвергшихся воздействию низких уровней. В исследовании «Дизельные выхлопные газы в горняках» (DEMS) стоимостью 11,5 млн. Долларов участвовало 12 315 горняков, контролирующих ключевые канцерогены, такие как сигаретный дым, радон и асбест. Это позволило ученым изолировать воздействие паров дизельного топлива.
На протяжении более 10 лет в США высказывались опасения по поводу воздействия ДПМ на детей, которые ездят на школьных автобусах и из школы. В 2013 году Агентство по охране окружающей среды (EPA) учредило инициативу Clean School Bus USA, чтобы объединить частные и государственные организации в борьбе с воздействием на учащихся.
Heavy грузовик с видимыми частицами сажи Твердые частицы дизельного топлива (DPM), иногда также называемые частицами выхлопных газов дизельного двигателя (DEP), являются компонентом твердых частиц дизельных выхлопов, которые включает дизельное топливо сажу и аэрозоли, такие как частицы золы, частицы металлической абразии, сульфаты и силикаты. При попадании в атмосферу DPM может принимать форму отдельных частиц или цепочечных агрегатов, большая часть которых находится в невидимом субмикрометровом диапазоне 100 нанометров, также известных как ультратонкие частицы (UFP) или PM0.1.
Основная фракция твердых частиц в выхлопе дизельного топлива состоит из мелких частиц. Из-за своего небольшого размера вдыхаемые частицы могут легко проникать глубоко в легкие. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) в выхлопе стимулируют нервы в легких, вызывая рефлекторный кашель, хрипы и одышку. Шероховатая поверхность этих частиц позволяет им легко связываться с другими токсинами в окружающей среде, что увеличивает опасность вдыхания частиц.
Исследование выбросы твердых частиц (ТЧ) из транзитных автобусов, работающих на ULSD и смеси биодизеля и обычного дизельного топлива (B20), сообщили Омидварборна и его коллеги, где они пришли к выводу Выбросы ТЧ оказались ниже в случаях использования смешанного дизельного / биодизельного топлива, где они зависели от модели двигателя , холодного и горячего холостого хода и типа топлива, а также от тяжелого металлов в PM, выделяемых при горячем холостом ходе, было больше, чем при холодном холостом ходе; Было высказано предположение, что причины уменьшения выбросов твердых частиц в выбросы биодизеля связаны с насыщенной кислородом структурой биодизельного топлива, а также с изменениями в технологии (включая использование каталитического нейтрализатора в этой испытательной системе). Другие исследования пришли к выводу, что, хотя в некоторых конкретных случаях (например, низкие нагрузки, более насыщенное сырье и т. Д.), Выбросы NOx могут быть ниже, чем при использовании дизельного топлива, в большинстве случаев выбросы NOx выше, а выбросы NOx даже увеличиваются. биотопливо подмешано. Чистый биодизель (B100) в конечном итоге дает на 10-30% больше выбросов NOx по сравнению с обычным дизельным топливом.
Воздействие было связано с краткосрочным острым такие симптомы, как головная боль, головокружение, головокружение, тошнота, кашель, затрудненный или затрудненное дыхание, стеснение в груди и раздражение глаз, носа и горла. Длительное воздействие может привести к хроническим, более серьезным проблемам со здоровьем, таким как сердечно-сосудистые заболевания, сердечно-легочные заболевания и рак легких. Элементарный углерод, связанный с дорожным движением, был в значительной степени связан с хрипом в возрасте 1 года и постоянным хрипом в возрасте 3 лет в когортном исследовании новорожденных, проведенном в рамках исследования детской аллергии и загрязнения воздуха в Цинциннати.
Финансируемый NERC-HPA проект «Транспортное загрязнение и здоровье в Лондоне» в Королевском колледже Лондона в настоящее время стремится уточнить понимание последствий загрязнения дорожным движением для здоровья. Загрязнение воздуха, связанное с дорожным движением, было связано со снижением когнитивных функций у пожилых мужчин.
Смертность от воздействия дизельной сажи в 2001 году составляла не менее 14 400 из 82 миллионов населения Германии, согласно официальному отчету 2352 из Umweltbundesamt Berlin (Федеральное агентство по окружающей среде Германии).
Изучение наночастиц и нанотоксикологии находится в зачаточном состоянии, и влияние наночастиц, производимых всеми типами дизельных двигателей, на здоровье еще не выяснено. Понятно, что дизельное топливо вредные выбросы мелких частиц для здоровья являются серьезными и повсеместными. Хотя одно исследование не нашло существенных доказательств того, что кратковременное воздействие выхлопных газов дизельного двигателя приводит к неблагоприятным внелегочным эффектам, которые коррелируют с увеличением сердечно-сосудистых заболеваний, исследование 2011 г. в The Lancet пришел к выводу, что воздействие дорожного движения является единственным наиболее серьезным предотвратимым триггером сердечного приступа среди населения, поскольку является причиной 7,4% всех приступов. Невозможно сказать, какая часть этого эффекта вызвана стрессом от движения, а какая - воздействием выхлопных газов.
Поскольку исследования пагубного воздействия наночастиц на здоровье (нанотоксикология ) все еще находится в зачаточном состоянии, и природа и степень негативного воздействия на здоровье выхлопных газов дизельных двигателей продолжают выясняться. Остается спорным, является ли воздействие дизелей на здоровье людей выше, чем у автомобилей с бензиновым двигателем.
Типы и количество наночастиц могут варьироваться в зависимости от рабочих температур и давления, наличие открытого пламени, основной вид топлива и топливная смесь и даже атмосферные смеси. Таким образом, полученные типы наночастиц из разных технологий двигателей и даже из разных видов топлива не обязательно сопоставимы. Одно исследование показало, что 95% летучих компонентов наночастиц дизельного топлива составляет несгоревшее смазочное масло. Долгосрочные эффекты все еще нуждаются в дальнейшем уточнении, а также влияние на уязвимые группы людей с сердечно-легочными заболеваниями.
Дизельные двигатели могут производить сажу (или, более конкретно, твердые частицы дизельного топлива) из своих выхлопных газов. Черный дым состоит из соединений углерода, которые не сгорели из-за низких местных температур, когда топливо не полностью распылено. Эти низкие локальные температуры возникают на стенках цилиндров и на поверхности больших капель топлива. В этих областях, где относительно холодно, смесь богатая (в отличие от общей смеси, которая бедна). В богатой смеси меньше воздуха для сжигания, а часть топлива превращается в нагар. В современных автомобильных двигателях используется сажевый фильтр (DPF) для улавливания частиц углерода, а затем их периодическое сжигание с использованием дополнительного топлива, впрыскиваемого непосредственно в фильтр. Это предотвращает накопление углерода за счет потери небольшого количества топлива.
Предел полной нагрузки дизельного двигателя при нормальной эксплуатации определяется «пределом черного дыма», после которого топливо не может полностью сгореть. Поскольку «предел черного дыма» все еще значительно меньше стехиометрического, можно получить больше мощности, превысив его, но в результате неэффективное сгорание означает, что дополнительная мощность достигается за счет снижения эффективности сгорания, высокого расхода топлива и плотных облаков. дыма. Это делается только в высокопроизводительных приложениях, где эти недостатки не вызывают особого беспокойства.
При запуске из холодного состояния эффективность сгорания двигателя снижается, поскольку холодный блок двигателя забирает тепло из цилиндра в такте сжатия. В результате топливо сгорает не полностью, что приводит к образованию сине-белого дыма и снижению выходной мощности до тех пор, пока двигатель не прогреется. Это особенно характерно для двигателей с непрямым впрыском, которые имеют меньшую термическую эффективность. При электронном впрыске время и продолжительность последовательности впрыска могут быть изменены для компенсации этого. Старые двигатели с механическим впрыском могут иметь механический и гидравлический регулятор для изменения синхронизации, а также многофазные электрически управляемые свечи накаливания, которые остаются включенными в течение определенного периода времени после запуска для обеспечения чистого сгорания; вилки автоматически переключаются на меньшую мощность, чтобы предотвратить их выгорание.
.
Вяртсиля утверждает, что существует два способа образования дыма, на больших дизельных двигателях, один из которых заключается в попадании топлива в металл и отсутствии времени для сгорания. Другое - когда в камере сгорания слишком много топлива.
Компания Wärtsilä протестировала двигатель и сравнила дымоотдачу при использовании обычной топливной системы и топливной системы Common Rail, результат показывает улучшение во всех условиях эксплуатации при использовании системы Common Rail.
Эксперименты 2013 года показали, что выхлоп дизельного топлива снижает способность пчел обнаруживать запах масличного рапса цветов.
С ужесточением стандартов выбросов дизельные двигатели должны стать более эффективными и содержать меньше загрязняющих веществ в выхлопных газах .. Например, легковые грузовики теперь должны иметь выбросы NOx менее 0,07 г / милю, а в США к 2010 году выбросы NOx должны быть менее 0,03 г / милю. Более того, в последние годы США, Европа и Япония расширили правила контроля выбросов с дорожных транспортных средств на сельскохозяйственные машины и локомотивы, морские суда и стационарные генераторы. Переход на другое топливо (т.е. диметиловый эфир и другие биоэфиры как диэтиловый эфир ), как правило, являются очень эффективными средствами для уменьшения количества загрязняющих веществ, таких как NOx и CO. При работе с диметиловым эфиром Например, эфира (DME) выбросы твердых частиц практически отсутствуют, и можно даже отказаться от использования дизельных фильтров для твердых частиц. Кроме того, учитывая, что ДМЭ может быть получен из животных, пищевых и сельскохозяйственных отходов, он может быть даже углеродно-нейтральным (в отличие от обычного дизельного топлива). Смешивание биоэфира (или другого топлива, такого как водород) с обычным дизельным топливом также имеет тенденцию оказывать положительное влияние на выбрасываемые загрязнители. В дополнение к замене топлива американские инженеры также разработали два других принципа и отличные системы для всех продуктов на рынке, которые соответствуют критериям выбросов США 2010: селективное некаталитическое восстановление (SNCR) и рециркуляция выхлопных газов (EGR). Оба находятся в выхлопной системе дизельных двигателей и дополнительно предназначены для повышения эффективности.
Селективное каталитическое восстановление (SCR) впрыскивает восстановитель, например аммиак или мочевина - последний водный раствор, где он известен как жидкость для выхлопных газов дизельного двигателя, DEF) - в выхлопные газы дизельного двигателя для преобразования оксидов азота (NO x) в газообразные азот и вода. Были созданы прототипы систем SNCR, которые снижают на 90% NO x в выхлопной системе, а коммерчески доступные системы - несколько ниже. Системы SCR не обязательно нуждаются в фильтрах твердых частиц (ТЧ); когда объединяются фильтры SNCR и PM, некоторые двигатели показывают более высокую топливную экономичность на 3-5%. Недостатком системы SCR, помимо дополнительных затрат на предварительную разработку (которые могут быть компенсированы соответствием и улучшенной производительностью), является необходимость пополнения восстановителя, периодичность которого зависит от пройденного расстояния, факторов нагрузки и часов. используемый. Система SNCR не так эффективна при более высоких оборотах в минуту (об / мин ). SCR оптимизирован для повышения эффективности при более широких температурах, большей долговечности и удовлетворения других коммерческих потребностей.
Рециркуляция выхлопных газов (EGR) на дизельных двигателях, может использоваться для получения более богатой топливно-воздушной смеси и более низкой пиковой температуры сгорания. Оба эффекта уменьшают выбросы NOx, но могут отрицательно повлиять на эффективность и образование частиц сажи. Более богатая смесь достигается за счет вытеснения части всасываемого воздуха, но она все еще обеднена по сравнению с бензиновыми двигателями, которые приближаются к стехиометрическому идеалу. Более низкая пиковая температура достигается с помощью теплообменника, который отводит тепло перед повторным входом в двигатель и работает благодаря более высокой удельной теплоемкости выхлопных газов, чем воздух. Из-за большего образования сажи EGR часто сочетается с фильтром твердых частиц (PM) в выхлопе. В двигателях с турбонаддувом для системы рециркуляции ОГ требуется регулируемый перепад давления в выпускном коллекторе и впускном коллекторе, который может быть обеспечен такими конструкциями, как использование турбокомпрессора с изменяемой геометрией, который имеет впускные направляющие лопатки на турбине для создания противодавления выхлопных газов в выпускном коллекторе. выхлопные газы во впускной коллектор. Это также требует дополнительных внешних трубопроводов и клапанов, а значит, требует дополнительного обслуживания.
John Deere, производитель сельскохозяйственного оборудования, реализует такую комбинированную конструкцию SCR-EGR в 9 -литровый "рядный 6" дизельный двигатель, который включает оба типа систем, фильтр твердых частиц и дополнительные технологии катализаторов окисления. Комбинированная система включает два турбокомпрессора, первый на выпускном коллекторе, с изменяемой геометрией и содержащий систему EGR; и второй турбонагнетатель с фиксированной геометрией. Рециркулирующий выхлопной газ и сжатый воздух от турбокомпрессоров имеют отдельные охладители, и воздух сливается перед входом во впускной коллектор, и все подсистемы управляются центральным блоком управления двигателем , который оптимизирует минимизацию выбросов загрязняющих веществ в выхлопных газах..
Air Ink была создана новая технология, которая тестировалась в 2016 году, которая собирает частицы углерода с помощью цилиндрического устройства Kaalink, которое устанавливается в выхлопная система автомобиля, после обработки для удаления тяжелых металлов и канцерогенов, компания планирует использовать уголь для изготовления чернил.
Было проведено исследование способов восстановления войск в пустынях питьевая вода из выхлопных газов автомобилей.
