Создание научной методологии проектирования нейтрализатора современных автомобилей

/

Содержание

Введение

1. Правовые и нормативные основы обеспечения защиты атмосферного воздуха от вредных выбросов автомобильного транспорта

1.1 Современные нормы токсичности отработавших газов автомобилей

1.2 Выбросы и соответствующие системы контроля двигателей.

1.3 Испытания двигателей на токсичность

1.4 Испытательные циклы и нормы токсичности в Европе

1.5 Испытательные циклы и нормы токсичности в Японии

1.6 Испытательные циклы и нормы токсичности в США

2. Токсичность отработавших газов автомобильных двигателей

2.1 Состав и структура выбросов двигателей внутреннего сгорания

2.2 Показатели токсичности автомобильных двигателей

2.3 Токсические характеристики двигателей автомобилей

2.4 Топливо для двигателей (влияние состава топлива на состав ОГ)

2.5 Процесс сгорания и процесс образования токсичных компонентов

2.6 Методы определения содержания токсичных компонентов в ОГ

2.7 Методы оценки а/м по токсичности ОГ

3. Влияние загрязнения на жизнедеятельность человека

4. Обзор существующих методов очистки отработавших газов

4.1 Конструктивные усовершенствования двигателей

4.2 Система рециркуляции ОГ

4.3 Присадки к топливу

4.4 Перевод двигателя внутреннего сгорания на газообразное топливо

4.5 Системы нейтрализации

4.5.1 Общие сведения нейтрализации ОГ ДВС

4.5.2 Активность и селективность нейтрализатора ОГ

4.5.3 Классификация и виды нейтрализации

4.5.4 Устройство и принцип работы нейтрализатора

4.6 Уменьшение токсичности отработавших газов путем совершенствования систем зажигания и подачи топлива двигателей

4.7 Эксплуатационные мероприятия по снижению токсичности отработавших газов

5. Разработка технологической схемы очистки отработавших газов

5.1 Расчет производительности

5.2 Расчет удельной площади

5.3 Требования к нейтрализатору

5.4 Анализ эффективности нейтрализатора

6. Организация и экономика производства

6.1 Принципы определения базовых нормативов платы за загрязнение окружающей природной среды

6.2 Порядок определения дифференцированных ставок платы за загрязнение окружающей природной среды

6.3 Порядок расчета платы за загрязнение окружающей природной среды

6.4 Порядок определения массы загрязняющих веществ, поступающих в окружающую природную среду

6.5. Порядок понижения размеров платы за загрязнение окружающей природной среды или освобождения от нее отдельных природопользователей

6.6 Расчет платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от передвижных источников

7. Безопасность жизнедеятельности при изготовлении каталитического нейтрализатора

Заключение

Список литературы

Введение

Загрязнение воздуха вредными выбросами автомобилей в конце ХХ века стало одной из глобальных экологических проблем. Путь ее решения только один - автомобиль должен стать экологически чистым. Важное место здесь принадлежит системам нейтрализации, способным в несколько раз снизить токсичность выхлопных газов.

Всего в отработавших газах обнаружено около 280 компонентов. По своим химическим свойствам, характеру воздействия на организм человека вещества, содержащиеся в отработавших газах, подразделяются на несколько групп:

Таблица 1

Состав отработавших газов бензиновых и дизельных двигателей

1. Нетоксичные: азот, кислород, водород, водяные пары, а также диоксид углерода;

2. Токсичные: оксид углерода, оксиды азота, многочисленная группа углеводородов, альдегиды, сажа. Причем сажа сама по себе нетоксична, но она адсорбирует на поверхности частиц канцерогенные полициклические углеводороды, в том числе наиболее вредный и токсичный бенз(а)пирен. При сгорании сернистых топлив образуются неорганические газы - диоксиды серы и сероводород.

Токсичные компоненты составляют 0,2-5% от объема отработавших газов, в зависимости от типа двигателя и режима его работы.

За долгое время существования проблемы автомобильных выбросов и загрязнения ими атмосферного воздуха было разработано множество методов и способов, позволяющих уменьшить количества выхлопов или снизить их токсичность.

В настоящее время разрабатываются и претворяются в жизнь мероприятия по снижению загрязнения атмосферы выбросами автомобильных двигателей, включающие в себя:

1.усовершенствование конструкций двигателей и повышение качеств изготовления;

2.поиск новых видов топлива, применение различных присадок к нему;

3.создание энергосиловых установок для автомобилей, выбрасывающих меньшее количество вредных веществ;

4.разработка устройств, снижающих содержание вредных компонентов в отработавших газах.

Практика показала, что при этом достичь уровня токсичности отработавших газов, требуемого законодательством развитых стран, первыми тремя способами нельзя. Поэтому получила широкое распространение нейтрализация отработавших газов в системе выпуска. В этом случае токсичные пары, вышедшие из цилиндров двигателя, нейтрализуются до выброса их в атмосферу.

Практическая реализация широкого применения современных нейтрализаторов сопровождается рядом трудностей. Нерешенными остаются многие вопросы теоретического обоснования основных параметров и рабочих процессов нейтрализатора. Снижение токсичности ОГ может быть достигнуто путем обработки их в выпускной системе.

Целью данной работы является создание научной методологии проектирования нейтрализатора современных автомобилей, позволяющей на стадии конструирования выбрать оптимальные технические решения, прогнозировать эксплуатационные и функциональные его параметры.

1. Правовые и нормативные основы обеспечения защиты атмосферного воздуха от вредных выбросов автомобильного транспорта

1.1 Современные нормы токсичности отработавших газов автомобилей

Анализ состояния современного автомобильного дизелестроения показывает, что для автомобилей категорий M1; N1 (полной массой менее 3500 кг), выполнение требований Правил ЕЭК ООН № 83 (поправки серии 04, уровень выбросов С, поправки серии 05, уровни выбросов А и В), что соответствует экологическим классам автомобилей 2, 3 и 4 (Евро-2, Евро-3, Евро-4) обеспечивается с применением систем очистки отработавших газов, а для автомобилей категории M2 , M3; N2, N3 (полной массой более 3500 кг.), выполнение требований Правил ЕЭК ООН № 49 (поправки серии 04, уровни выбросов А, В1, В2, С), что соответствует экологическим классам автомобилей 3, 4 и 5 (Евро-3, Евро-4, Евро-5) обеспечивается так же с применением систем очистки отработавших газов [99,123,127,128].

С 1 апреля 2006 года в России вступил в силу специальный технический регламент, который предусматривает поэтапное ужесточение требований - от уровня Евро II в 2006 году до Евро V в 2014-м.

Напомним: в Европе нормы Евро II введены еще в 1996 году, а с нынешнего действуют Евро IV, при том, что ряд моделей уже рассчитан под требования Евро V. Мало того, Европарламент намерен к 2011 году взять более высокий порог - снизить токсичность выхлопов автомобилей еще на 20%! Таким образом, с введением весной 2006 г. норм Евро II Россия отстает от Запада как минимум на десять лет.

Таблица 1.1

Современные нормы токсичности отработавших газов легкового автомобиля.

Рисунок 1.1 Диаграмма состава отработавших газов легкового автомобиля.

Определение токсичности выбросов ОГ автомобилей проводят в соответствии со стандартом и оценивают по нормам предельного содержания. Нормы устанавливаются в зависимости от весовой категории автомобиля или рабочего объема (литража) двигателя.

Таблица 1.2

Нормы выбросов токсичных компонентов в зависимости от массы транспортного средства

Практикой установлено, что за последние годы , отечественная автомобильная промышленность выпускающая грузовые автомобили , не по каким европейским стандартам не допускает въезд на территорию городов большегрузного транспорта. Отсутствие достаточной нормативной базы , низкий эффект экономического механизма управление охраной окружающей среды на транспорте. В 1992г. Россия присоединилась к международному соглашению по экологическим требованиям Правил ЕЭК ООН. Это создало правовую основу для того , чтобы требовать от промышленности их выполнения , а также для разработки транспортного законодательства . Но одних законодательных актов недостаточно. Дело в том , что изготовляемая в России автомобильная техника не соответствует Правилам ЕЭК по техническому уровню и прежде всего по топливной экономичности и экологическим показателям. На сегодняшний день в страны ближнего и дальнего зарубежья как Латвия , Эстония , Литва отечественные грузовики не выпускают за пределы государственной границы , по той простой причине несоответствования нормам ЕЭС. На внутреннем рынке наша страна теряет до 76 % оборотных денежных средств из - за плохих показателей двигателей отечественных автомобилей ( шумности , дымности , загазованности ).

В таблице представлено содержание вредных веществ в отработавших газах дизелей и бензиновых двигателей .

Таблица 1.3

Содержание вредных веществ в отработавших газах дизелей и бензиновых двигателей.

Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосфере населенных пунктов установленные экспирическим путем , регламентированы списком Министерством здравоохранения от 7мая 1996г. в соответствии с которыми установлены класс токсичности вещества допустимые максимальная разовая и среднесуточная концентрация примесей. Эти концентрации обосновываются клиническими и санитарно - гигиеническими исследованиями и носят законодательный характер.

Таблица 1.4

Предельно допустимые концентрации некоторых веществ, поступающих в атмосферу , мгм3 .

Если в атмосферном воздухе одновременно присутствует несколько веществ, обладающих эффектом суммации , то их суммарная концентрация не должна превышать единицы при расчете по формуле :

С1 + С2__ + … + Сп__ < 1 (1.1)

ПДК1 ПДК2 ПДКп

где С1 , С2, …Сп - фактические концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе. ПДК1 , ПДК2 , … ПДКп - предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе .

1.2 Выбросы и соответствующие системы контроля двигателей

Низкий технический уровень отечественных автомобилей и эксплуатацию , не соответствующую требованиям национальных стандартов , подтвердили результаты операции «Чистый воздух», проведенной в 2000г. Практически во всех субъектах РФ отмечено , что доля автомобилей , эксплуатируемых с повышением действующих нормативов по токсичности и дымности в среднем составляет 20 - 25 % и в отдельных регионах страны достигает 40 %.

Основными причинами сложной экологической обстановки является :

- отсутствие надлежащего контроля на предприятиях за соблюдением

нормативов государственных стандартов по токсичности и дымности

отработавших газов транспортных средств,

- слабый контроль за качеством реализуемого моторного топлива,

- вьезд на территорию городов больщегрузного транспорта

- отсутствие достаточной нормативной базы, низкий эффект экономического механизма управления охраной окружающей среды на транспорте.

Для проведения измерений контроля двигателя применяется прибор , работающий по принципу просвечивания отработавших газов которые называются дымомерами .Прибор подключается к выпускной системе автомобиля и нажатием педали подачи топлива установить максимальную частоту вращения вала дизеля . Продолжительность работы на данном режиме должна обеспечивать температуру отработавших газов , входящих в прибор , соответствующую требованиям инструкции по эксплуатации прибора . После этого отпустить педаль . Измерение на режиме свободного ускорения производится при 10 - кратном повторении цикла частоты вращения вала дизеля от минимальной до максимальной быстрым, но плавным нажатием педали подачи топлива до упора с интервалом не более 15с . Замер показателей следует производить при последних четырех циклах по максимальному отклонению стрелки прибора . За результат измерения дымности принимают среднее арифметическое значение по четырем циклам . Измерения считают точными , если разность в показаниях дымности последних четырех циклов не превышает 6 единиц по шкале прибора . Измерение на режиме максимальной частоты вращения следует производить при стабилизации показаний прибора ( размах колебаний стрелки прибора не должна превышать 6 единиц измерения по шкале прибора ) не позднее чем через 60с после измерений . За результат измерения следует принимать среднее арифметическое значение от крайних значений диапазона допустимых колебаний . Измерение дымности у автомобиля с раздельной выпускной системой следует проводить в каждой из выпускных труб отдельно . Оценку дымности проводят по максимальному значению . Колебание стрелки прибора не должно превышать _ + 3 % от всей шкалы прибора . За результат измерения следует принимать среднее арифметическое значение , определенное по крайним показателям . У отечественных двигателей вредные вещества находящиеся в отработавших газах , можно просмотреть в следующем виде.

Таблица.1.5

Удельное содержание вредных веществ в отработавших газах.

В связи с этим, в ООО «СП Бизнес Кар» были проведены научно-исследовательские работы, направленных на изучение состояния современного автомобильного дизелестроения. Анализ показал, что автомобили марки Toyota выполняют требования Правил ЕЭК ООН № 83, что соответствует экологическим классам автомобилей 2, 3 и 4 (Евро-2, Евро-3, Евро-4). Эти требования обеспечиваются с применением систем очистки отработавших газов.

1.3 Испытания двигателей на токсичность

Все более ужесточающиеся нормы определяют снижение предельного содержания количества токсичных компонентов в отработавших газах. Эти выбросы могут быть замерены при заданных определенных условиях работы двигателя.

Схема испытаний

Как правило, выбросы токсичных веществ с отработавшими газами двигателей определяются на стенде с беговыми барабанами (для легковых автомобилей) или на испытательном моторном стенде (грузовые автомобили). Многие нормы предельного содержания токсичных компонентов в отработавших газах и методы испытаний автомобилей на токсичность были впервые внедрены в США, где способ отбора проб (газа) постоянного объема был применен в качестве эффективного способа для контроля за выбросом твердых частиц при динамических испытаниях. При этой процедуре отработавшие газы разбавляются отфильтрованным окружающим воздухом и отбираются посредством ротационного насоса во время стандартизованного цикла испытаний. Разбавление отработавших газов воздухом устраняет вероятность конденсации в них влаги и одновременно удерживает их температуру на уровне, требуемом для измерения содержания твердых частиц (52°С).

Одна проба пропускается через специальный бумажный фильтрующий элемент, где осуществляется определение уровня выброса твердых частиц за счет измерения увеличения массы пробы.

Вторая нагретая проба газа направляется в пламенно-ионизационный детектор, в котором производится непрерывный контроль за концентрацией углеводородов. Третья проба отправляется в сборник отработавших газов. После окончания цикла испытаний его содержимое направляется в газоанализатор, где производятся замеры концентраций СО, МОх и СО2. Расчеты для определения уровней выбросов различных компонентов отработавших газов базируются на данных об объеме смеси газов и концентрации отдельных их компонентов.

В США для проверки легковых и грузовых автомобилей на токсичность отработавших газов применяются одни и те же методы и газоанализаторы. Отработавшие газы обычно разбавляются дважды, что дает возможность пропускать большие объемы газа через трубопроводы приемлемого размера. В европейском цикле испытаний также применяется разбавление части газового потока воздухом при замерах содержания твердых частиц в отработавших газах.

После измерений концентрации твердых частиц проводятся дополнительные проверки непрозрачности этих газов как в стационарных условиях, так и при движении с полной нагрузкой.

1.4 Испытательные циклы и нормы токсичности в Европе

Легковые и малотоннажные грузовые автомобили

Нормы предельной токсичности отработавших газов,принятые в Европе,базируются на Директивах R15 ЕЭК и 70/220 ЕЭС, а также дополнениях к этим документам.

Существующие нормы для малотоннажных грузовиков (полной массой менее 3,5 т) указаны в Директиве 93/59 ЕС/ЕЭС. Менее строгие нормы применяются для дизелей с непосредственным впрыскиванием топлива.

Предельная токсичность отработавших газов легковых автомобилей (с числом сидений 6 и более, массой <, 2,5 т) регламентируется в Директиве 91/441 ЕС/ЕЭС.

Следующим шагом в ужесточении норм токсичности является Директива 1997 г. ЕС 94/12. Используемый ранее ездовой цикл ЕСЕ (ЕЭС) R15 был заменен модернизированным европейским ездовым циклом (включающим часть цикла, относящуюся к движению по загородным дорогам со скоростью движения вплоть до 120 км/ч). Предельные нормы дымности, рассмотренные в правилах ЕЭК R24 и ЕЭС 72/306, остаются в силе.

Таблица 1.6

Нормы токсичности для грузовиков (полная масса <3,5т ). Ездовой цикл: модернизированный европейский цикл; временный вариант при Vmax = 90км/ч для автомобилей с максимальной скоростью < 130 км/ч и/или отношением мощности к массе < 30кВт/т.

Таблица 1.7

Нормы токсичности для легковых автомобилей (полная масса <2,5т ). Ездовой цикл: модернизированный европейский цикл ЕЭС R 15 и ЕС (Директивы).

Так называемая 'стокгольмская группа' государств (включая Швецию, Швейцарию, Австрию) приняла нормы по предельной токсичности, базирующиеся на нормативах США (1987 г.). Швеция также проявила инициативу в вопросе создания системы штрафов за несоблюдение более строгих норм предельной токсичности.

Грузовые автомобили

В Европе автомобили полной массой свыше 3,5 т, которые имеют более чем 9 мест для сиденья, проходят 13-режимные испытания, регламентированные правилами ЕЭК R49. Последовательность испытания - это серия из тринадцати различных стационарных рабочих режимов.

Первоначально принятые предельные нормы выбросов газообразных компонентов были ужесточены, и в новые нормативы были включены требования по предельным выбросам твердых частиц в отработавших газах.

Существующие предельные значения выбросов в странах ЕС приведены в нормативах Стадии 1 (EURO I) и Стадии 2 (EURO II) ЕЭС директив ЕЭС 91/542; последние предназначены для автомобилей серийного производства, начиная с октября 1996 г. Дополнительное снижение норм предельной токсичности планируется в 1999 г. Пересмотр испытательного цикла также предполагается осуществить на Стадии 3 (EURO III).

Тем временем нормы, касающиеся контроля за дымностью отработавших газов дизелей, работающих при полной нагрузке (Директива ЕЭК R24), бьши оставлены без изменения, хотя имеющее место значительное снижение уровней твердых частиц в отработавших газах делает их не совсем приемлемыми.

1.5 Испытательные циклы и нормы токсичности в Японии

Легковые автомобили

Для определения концентраций газообразных токсичных компонентов и твердых частиц в отработавших газах дизелей используется ездовой цикл 10.15. Этот цикл расширен включением в него высокоскоростного режима испытаний (подобного европейским циклам).

Грузовые автомобили

Выбросы токсичных компонентов замеряются с использованием нового 13-ступенчатого стационарного цикла испытаний, введенного в Японии и отличающегося от того, что имеет место в 13-режимном европейском испытательном цикле.

Таблица 1.8

Нормы токсичности отработавших газов для легковых автомобилей с числом сидений 10 или менее. Ездовой цикл: Многоступенчатый 10.15, 3 - режим испытания дымности.

Таблица 1.9

Нормы токсичности отработавших газов для грузовых автомобилей полной массой более 2,5т. Ездовой цикл: 13- режимный цикл испытаний, 3- режимный цикл испытаний на дымность.

1.6 Испытательные циклы и нормы токсичности в США

Легковые и малотоннажные грузовые автомобили

Федеральный цикл испытаний (FTP 75) применяется для легковых и малотоннажных грузовых автомобилей полной массой не более 3,9 т. График скорости соответствует ездовому циклу работы автомобиля в условиях города (США). Испытания проводятся с использованием стенда с беговыми барабанами, и измерения осуществляются посредством метода отбора проб постоянного объема.

Тяжелые грузовые автомобили

Начиная с 1987 г., тяжелые грузовые автомобили испытываются на моторном стенде с использованием ездового цикла; замеры проводятся в соответствии с методом CVS. Испытательный цикл выбран с учетом реальных условий движения по автомагистралям.

Таблица 1.10

Предельные значения токсичности легковых автомобилей в США.

Таблица 1.11

Нормы токсичности отработавших газов дизельных тяжелых грузовых автомобилей полной массой > 3.9т

2. Токсичность отработавших газов автомобильных двигателей

2.1 Состав и структура выбросов двигателей внутреннего сгорания

Автомобильные двигатели внутреннего сгорания загрязняют атмосферу вредными веществами, выбрасываемые с ОГ, картерными газами и топливными испарениями. При этом 95-99% вредных выбросов современных автомобильных двигателей приходиться на ОГ, представляющие собой аэрозоль сложного, зависящего от режима работы двигателя, состава. Атмосферный воздух , являющийся окислителем топлив, состоит в основном из азота (79%) и кислорода (21%). При идеальном сгорании стехиометрической смеси углеводородного топлива с воздухом в продуктах сгорания должны присутствовать лишь N2 и CO2, H2O. В реальных условиях ОГ содержат также продукты неполного сгорания (оксиды углерода, углеводороды, альдегиды, твердые частицы углерода, водород и избыточный кислород), продукты термических реакций взаимодействия азота с кислородом (оксиды азота), неорганические соединения тех или иных веществ, присутствующих в топливе (соединения свинца,…).

Всего в ОГ обнаружено около 280 компонентов, которые можно подразделить на несколько групп. Группа нетоксичных веществ- азот, кислород, водород, водяной пар, углекислый газ. Группа токсичных веществ- оксид углерода, оксид азота, углеводороды, альдегиды, сажа. При сгорании сернистых топлив образуются неорганические газы - сернистый ангидрид SO2 и сероводород H2S. В отдельную группу можно отнести канцерогенные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), наиболее активный из которых бензапирен, являющийся индикатором присутствия канцерогенов в ОГ. В случае применения этилированных бензинов образуются токсичные соединения свинца.

Необходимо отметить, что в настоящее время основным источником загрязнения воздуха является бензиновые двигатели. Тем не менее снижение токсичности дизелей также является актуальной задачей, учитывая наметившуюся тенденцию дизелизации АТ. Состав ОГ этих двух типов двигателей существенно различается прежде всего по концентрации продуктов неполного сгорания (оксид углерода, углеводороды, сажа).

Основными токсичными компонентами ОГ бензиновых двигателей следует считать СО, СН, NO и соединения свинца, а дизелей- NO и сажу.

Пары топлива (СН)- испарения топлива из топливных баков, элементов системы питания двигателей: стыков, шлангов и тд. Состав - углеводороды топлива различного состава (15-20%)

Отработавшие газы (СО, СН, NO, сажа и др)- смесь газообразных продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха и различных микропримесей (газ, жидкость, твердые вещества, поступающих из цилиндров двигателя в его выпускную систему.

Рассмотрим краткие характеристики основных токсических компонентов.

Оксид углерода (СО)- прозрачный, не имеющий запаха газ, несколько легче воздуха, практически нерастворим в воде. Поступая в организм с вдыхаемым воздухом, СО снижает функцию кислородного питания , выполняемую кровью.

СО образуется на поверхности поршня и на стенке цилиндра, в котором активизация не происходит вследствие интенсивного теплоотвода в стенки, плохого распыления топлива и диссоциации СО2 на СО и О2, при высоких температурах.

Оксиды азота (NOх)- самый токсичный газ из ОГ. В ОГ двигателей 90-99% всего количества оксидов азота составляет NO. Однако уже в системе выпуска и далее в атмосфере происходит окисление NO NO2. NO2- газ красновато-бурого цвета, в малых концентрациях не имеет запаха, хорошо растворяется в воде с образованием кислот. NOх раздражающе действует на слизистые оболочки глаз, носа, остаются в легких в виде азотной и азотистых кислот, получаемых в результате их взаимодействия с влагой верхних дыхательных путей.

Углеводороды(СН)- этан, метан, бензол и др.

В дизельных двигателях СН образуется в камере сгорания из-за гетерогенной смеси, те пламя гаснет в очень богатой смеси, где не хватает воздуха за счет неправильной турбулентности, низкой температуры, плохого распыления.

Двигатель выбрасывает большое количество углеводородов, когда работает в режиме х.х., за счет плохой турбулентности и уменьшения скорости сгорания. СН действуют раздражающе на органы зрения, обоняния и очень вредны для окружающей среды.

Сажа- бесформенное тело без кристаллической решетки. В ОГ дизельных двигателей сажа состоит из неопределенных частиц с размерами 0,3-100 мкм.

Причина образования сажи заключается в том, что энергетическое условия в цилиндре дизельного двигателя оказываются достаточными, чтобы молекула топлива разрушалась полностью. Более легкие атомы водорода диффундируют в богатый кислородом слой, вступают с ним в реакцию и как бы изолируют углеводородные атомы от контакта с кислородом.

Образование сажи зависит от температуры, давления в камере сгорания, типа топлива, состава топливно-воздушной смеси.

Содержание сажи в ОГ уменьшается с увеличением угла опережения впрыска топлива. При уменьшении этого угла выделение сажи заметно возрастает.

При вдыхании сажи ее частицы вызывают негативное изменение в системе дыхательных органов человека.

2.2 Показатели токсичности автомобильных двигателей

Концентрации токсических веществ в ОГ изменяются в больших пределах. Высокие концентрации С компонентов ОГ, например оксида углерода, принято оценивать в % по объему, меньшие- мг/л или количеством частей на миллион.

Концентрации компонентов в ОГ еще не характеризуют токсичность двигателя. Выбросы компонента G двигателем определяются с учетом расхода ОГ Qог

G=Gi*Qог (2.1)

Токсичность выбросов двигателя автомобиля, так же как и топливная экономичность, оценивается в отношении к пробегу так называемыми пробеговыми выбросами:

Q=G/Va , (2.2)

где Va-скорость движения автомобиля, км/ч

Оценку значимости отдельных токсичных компонентов ОГ удобно производить в сравнении с каким-либо постоянным компонентом, принятым за эталон. Как правило, это оксид углерода, действие которого на организм человека изучено наиболее полно, а методы измерений надежны.

В табл 2.1 приведены значения ПДК относительной значимости Ri, определяемой как отношение ПДК оксида углерода к ПДК рассматриваемого компонента. Из этой таблицы видно, что наибольшей относительной значимостью обладают оксиды азота и бензапирена.

Таблица 2.1

ПДК и относительная значимость ОГ.

В следующей таблице 2.2 приведены данные по пробеговым выбросам автомобилей на отдельных участках внутригородских транспортных магистралей. Для грузовых автомобилей и автобусов выбросы отнесены к тонне полной массы транспортной единицы. Данные соответствуют срежней скорости транспортного потока 20 км/ч- интенсивное движение в центральной части городов. Необходимо также отметить, что довольно сложным моментом является учет изменения выбросов вредных токсичных веществ при отклонении технического состояния двигателей и автомобилей в эксплуатационных условиях нормы.

Таблица 2.2

Выбросы ОГ при эксплуатации АТС

2.3 Токсические характеристики двигателей автомобилей

Автомобильный двигатель в отличие от стационарных источников выбросов имеет широкий диапазон изменения нагрузочных и скоростных режимов работы, определяемых условиями движения автомобиля в транспортном потоке. Эти режимы, соответствующие разгону, установившемуся движению, торможению двигателем (принудительный холостой ход) и собственно холостому ходу. Весь диапазон возможных режимов ограничивается внешней скоростной характеристикой двигателя.

В карбюраторных двигателях регулирование мощности производится изменением положения дроссельной заслонки. При малых нагрузках и на холостом ходу ухудшаются процессы газообмена, увеличивается доля остаточных газов в цилиндрах. Для компенсации этого необходимо обогащать смесь, что приводит к росту концентрации СО и СН. На режимах полных нагрузок для обеспечения максимальной мощности смесь также необходимо обогащать до б=0,9, при этом объемные концентрации СО могут

составить 3-4%.

В дизелях осуществляется качественное регулирование мощности двигателя. Нагрузка двигателя пропорциональна цикловой подаче топлива, степень наполнения цилиндров воздухом у безнадувных дизелей на всех режимах практически одинакова. В дизелях на всех режимах работы коэффициент избытка воздуха больше единицы (б=1,3-5). Концентрации СО и СН определяются не составом смеси, а локальными явлениями, происходящими во фронте пламени и пристеночной зоне камеры сгорания. Зависимость концентраций вредных веществ имеет сложный неоднозначный характер, диапазон изменения объемных концентраций СО составляет 0,05-0,50%, концентраций СН 10-100млн-1.

Наибольшее количество углеводородов образуется на режимах холостого хода и малых нагрузок, что объясняется низкой максимальной температурой цикла дизеля, когда имеет место повышенное не догорание топлива. Наибольшие концентрации СО наблюдаются в зоне высоких нагрузок при малых частотах вращения коленчатого вала.

Пол мере роста нагрузки на дизель увеличивается максимальная температура цикла при одновременном уменьшении коэффициента избытка воздуха. В результате эти два фактора, противоположно влияющие на образование NO, приводят к характерному закону образования оксидов азота. Превалирующим является температурный фактор, и только в области максимальных нагрузок начинает сказываться концентрационный фактор- недостаток кислорода, ограничивающий рост NO.

Показатели токсичности двигателя в цикле городского движения автомобиля представлены в таблице 2.3

Таблица 2.3

Токсичность бензинового двигателя в цикле городского движения автомобиля.

Дизель значительно менее токсичен, чем бензиновый двигатель. Более неблагоприятно процесс разгона происходит у дизелей с турбонадувом по сравнению с безнадувным дизелем из-за инерционности их системы воздухоснабжения. Наиболее полно проявляются положительные качества дизеля в режиме городского движения с большим удельным весом режимов малых нагрузок и холостого хода. Ограничивающим фактором применения дизелей является дымность отработавших газов.

Как видно, неустановившиеся режимы работы автомобильного двигателя во многом определяют его токсические показатели. С целью снижения повышенной инерционности топливоподающих систем, являющейся причиной повышенных выбросов вредных веществ на режимах разгона, в конструкции бензиновых двигателей вводят быстродействующие системы приготовления топливно-воздушной смеси заданного состава, стабилизации температурного режима, впрыск бензина во впускной коллектор. В дизелях, на которых с целью их форсирования все более широко используется турбонадув, применяют малоинерционные турбокомпрессоры с высокой частотой вращения ротора.

2.4 Топливо для двигателей

В современных двигателях в зависимости от принципа работы используется два основных вида жидких топлив: бензин или дизельное топливо. Топлива могут различаться по физическим и химическим характеристикам и по протеканию процесса сгорания в двигателе.

Ограничивать выброс например окислов азота можно путем снижения максимальной температуры сгорания. Особенно эффективными являются средства, способствующие уменьшению интенсивности выделения тепла в процессе сгорания, что приводит к понижению скорости нарастания давления и максимальных температур. Одним из наиболее перспективных из таких средств считается присадки к топливам, облегчающие самовоспламенение в дизельных двигателях и оказывающие влияние на процессы сгорания.

Влияние состава топлива на состав ОГ.

Детонационная стойкость бензина зависит от группового состава топлива и химической структуры отдельных углеводородов.

Повысить экономичность и увеличить удельную мощность двигателя можно посредством увеличения степени сжатия . Однако чрезмерное повышение степени сжатия может привести к детонационному сгоранию топлива. Детонация способствует уменьшению мощности и отдачи двигателя, а также ускорению его износа.

Следует отметить также, что повышение степени сжатия требует применения топлива с увеличенным октановым числом, что является не целесообразным. Кроме того, повышение степени сжатия способствует значительному увеличению выброса окислов азота.

В целях улучшения свойств моторных топлив в них вводят присадки (различные продукты химического синтеза), которые значительно улучшают их эксплуатационные свойства, при этом цена на топливо увеличивается незначительно. Наиболее распространенной является антидетонационная присадка (ТЭС), обладающий свойством повышать октановое число бензина. Однако известно ,что часть продуктов сгорания при этом составляет вредные для здоровья человека соединения свинца, образуемые на базе антидетонационных присадок и выделяемые частично в виде окислов, а главным образом в виде хлоридов и бромидов свинца.

Нет необходимости обосновывать, что одной из наиболее неотложных мер по охране окружающей среды должно быть исключение из топлив свинца. Сохранение величины октанового числа топлив на прежнем уровне при исключении из них тетраэтилсвинца возможно только посредством увеличения содержания в топливах ароматических углеводородов. (табл.2.4)

Таблица 2.4

Составы бензинов с одинаковым октановым числом.

2.5 Процесс сгорания и процесс образования токсичных компонентов

Потенциальная химическая энергия топлива в процессе его сгорания в цилиндрах двигателя преобразуется в тепловую энергию.

Процесс сгорания топлива в ДВС протекает очень быстро. Реакции сгорания углеводородов в камере сгорания двигателя является весьма сложным и при этом недостаточно изученным. Характер протекания реакции зависит от температуры и давления в камере сгорании, от способа образования рабочей смеси и способа ее воспламенения.

Конечной стадией сгорания углеводородов является реакция дожигания окиси углерода, в действительности начинающаяся уже в начальной стадии сгорания. Даже при сгорании бедных смесей со значительным избытком воздуха вследствие локальных различий в составе смеси образуется окись углерода. Процесс дожигания СО в углеводородном пламени определяет время реакции. Присутствие углеводородов сильно затормаживает процесс окисления СО.

Процесс образования сажи можно предупредить, оказывая тормозящее воздействие на предпламенные процессы.

Известно, что при неполной нагрузке двигателя с искровым зажиганием эффективность процесса сгорания снижается и наблюдается увеличение количества углеводородов в ОГ. Основной причиной этого является торможение процесса дегидрогенизации, происходящее в топливе как по всему объему камеры, так и в зоне соприкосновения фронта пламени со стенками камеры сгорания.

Продуктами сгорания являются и окислы азота. В результате взаимодействия окислов азота и ненасыщенных углеводородов образуются нитросоединения. Наличия окислов азота в ОГ может быть связано с процессами, происходящими не только внутри камеры сгорания, но и в выпускной системе двигателя. Окислы азота могут образовываться также в результате процессов фотосинтеза, происходящих в атмосферном воздухе.

Точно определить количество вредных выбросов в атмосферу двиготелями практически невозможно. Величина выброса зависит от многих факторов (конструктивные параметры, процессы подготовки и сгорания смеси, режим работы двигателя, …) Однако на основании данных о среднем статистическом составе смеси для отдельных видов двигателей и соответствующих им величин выброса токсичных веществ на 1 кг израсходованного топлива, зная расход отдельных топлив, можно определить суммарную эмиссию.

2.6 Методы определения содержания токсичных компонентов в ОГ

Полнота сгорания топливной смеси в двигателе определяется экспериментальными методами посредством полного анализа состава отработавших газов.

Для анализа применяют методы, основанные на использовании химических и физических свойств отдельных веществ, входящих в состав газовых смесей. К числу химических методов анализа относят.

К физическим методам относят методы, основанные на использовании физических свойств исследуемых компонентов:

-абсорбции инфракрасного или ультрафиолетового излучения исследуемой средой

- теплопроводности газов магнитной восприимчивости кислорода по отношению к др. газам

- ионизации при сгорании углеводородов в пламени водородной горелки.

Известнее также аналитический метод газовой хроматографии, основанной на использовании различия свойств поглощения и испарения заполнителем колонки отдельных компонентов, содержащихся в проходящем через колонку газе-носителе.

Все известные и применяемые методы оценки степени дымности ОГ основаны на принципе оптического измерения их прозрачности или на измерении содержания в них частиц сажи, осаждаемой на поверхности фильтровальной бумаги, через которую пропускаются отработавшие газы.

2.7 Методы оценки а/м по токсичности ОГ

Оценку токсичности автомобильных двигателей на основе испытательных циклов производят обычно в целях:

- определения соответствия количества выделяемых токсичных веществ стандартам

- исследования влияния конструкции и параметров работы двигателя на токсичность двигателя.

При испытании автомобиля в соответствии с испытательными циклами можно оценить общую токсичность автомобиля, сопоставляя полученные величины выброса токсичных веществ с установленными нормами.

Подобная оценка осуществляется на основании снятия скоростных, нагрузочных и регулировочных характеристик двигателя. На основе результатов таких испытаний можно составить общие характеристики токсичности двигателя.

Количество и состав ОГ непрерывно изменяются в зависимости от режимов работы двигателя.

Следовательно, количество токсичных веществ, выбрасываемых двигателем в атмосферу, зависит не только от концентрации компонентов, но и от количества отработавших газов, которое, в свою очередь, зависит от частоты вращения вала двигателя и его нагрузки.

3. Влияние загрязнения на жизнедеятельность человека

Автомобиль с ДВС называют химической фабрикой на колесах - в его отработавших газах содержится около 200 химических веществ, большинство из которых токсичны . Автотранспорт в развитых странах стал главным загрязнителем атмосферы ( до 50% ), и одним из загрязнителей окружающей среды вообще. В США автомобили выделяют в атмосферу 92% всего СО, 63% углеводородов, 46% окислов азота. Отработавшие газы ДВС оказывают вредное воздействие на жизнедеятельность человека. (см. Табл. 3.1).

Таблица 3.1

Токсическое действие некоторых компонентов отработавших газов.

Величина ежегодного экологического ущерба от функционирования транспортного комплекса РФ исчисляется в 3,4 млрд. долл., или, примерно, в 1,5% валового национального продукта. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от автотранспортных средств составили 12 190,7 тыс. тонн.

В структуре ущерба окружающей среде и здоровью населения от выбросов автотранспорта в городах 9 веществ определяют 95% суммарного ущерба: оксиды азота (44,5%), свинец (21%), акролеин (7,5%), сажа (7,4%), оксид углерода (6%), диоксид серы (3,4%), формальдегид (2,8%), бенз(а)пирен (1,3%), ацетальдегид (1,1%).

Экологический ущерб определяется на территории каждого субъекта России исходя из объемов снижения отрицательного воздействия и величины показателя удельного экологического ущерба, наносимого единицей приведенной массы загрязнения по конкретному виду природных ресурсов и объектов.

К основным факторам, определяющим величину предотвращенного эко-логического ущерба на территории субъектов Российской Федерации относятся следующие:

- снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу;

- снижение площадей земель под несанкционированными свалками;

- снижение загрязненности земель химическими веществами;

Расчет экологического ущерба от автомобильного транспорта .

Экологический ущерб от выбросов в атмосферный воздух загрязняющих веществ подвижным транспортом рассчитывается по формуле:

К N

Yпр=Yуд*Kе УУКэj*mj (3.1)

k=1 I=1

где Yпр -экологический ущерб от загрязнения атмосферного воздуха выбросами от подвижных источников, тыс. руб.;

Yуд- показатель удельного ущерба атмосферному воздуху, наносимого выбросом единицы приведенной массы загрязняющих веществ в течении от-четного периода, руб/усл.т (таблица 6.2);

mj - практическое снижение выброса j-го загрязняющего вещества от к-й единицы передвижного транспорта в течение отчетного периода времени, т.;

к - количество единиц передвижного транспорта, на которых произошло снижение загрязняющих веществ в выхлопных газах в результате осуществле-ния природоохранной деятельности;

N - количество учитываемых групп загрязняющих веществ;

Кэj - коэффициент относительной эколого-экономической опасности j-го загрязняющего вещества (таблица 3.3);

Kе - коэффициент экологической ситуации и экологической значимости атмосферы в данном регионе.(табл 3.2)

Таблица 3.2

Показатель удельного ущерба от загрязнения атмосферного возду-ха по экономическим районам РФ (в ценах 2000г.)

Таблица 3.3

Коэффициент относительной эколого-экономической опасности j-го загрязняющего веществ, выбрасываемого в атмосферный воздух

Современные исследования в области влияния состояния атмосферного воздуха на здоровье населения можно характеризовать следующей качественной таблицей 3.4 общего плана.

Таблица 3.4.

4. Обзор существующих методов очистки отработавших газов

4.1 Конструктивные усовершенствования двигателей

Совершенствование конструкции современного ДВС с искровым зажиганием является одним из основных мероприятий снижения ОГ до величин, регламентированных существующими стандартами. Наибольшее влияние на токсичность ОГ оказывают изменения, вносимые в системы питания и зажигания ДВС. Поскольку эти системы во многом определяют процесс воспламенения и сгорания рабочей смеси, совершенствование системы питания ДВС, позволяющее добиться более равномерного распределения рабочей смеси по цилиндрам, обеспечить ее оптимальный состав для каждого режима работы и возможность работы на бедных смесях, влияет в основном на количество продуктов неполного сгорания в ОГ.

Работы ведутся в следующих направлениях:

· Улучшение качества процесса смесеобразования во впускной системе.

· Улучшение распыливание топлива в карбюраторе.

· Применение регуляторов принудительного холостого хода.

· Обеспечение равномерного распределения смеси по цилиндрам.

Улучшение качества процесса смесеобразования и распыливание топлива позволяет повысить предел обеднения рабочей смеси и увеличить полноту ее сгорания.

Подогрев выпускного трубопровода тоже приводит к улучшению процесса смесеобразования, т.к. при этом быстрее и полнее происходит испарение топлива: выделение CO, CH уменьшается, но выделение NOх увеличивается.

Эффективный метод снижения неравномерности распределения смеси по цилиндрам - применение систем непосредственного впрыска топлива. Впрыск бензина обычно осуществляется во впускной коллектор и бывает одноточечным и многоточечным, или распределенным, когда форсунки ставятся непосредственно перед впускным клапанами.

Существенное влияние на состав ОГ оказывает также регулировка холостого хода. Оптимальная регулировка позволяет снизить содержание СО на 30% и СН на 15% при некотором увеличении (на 5%) NOх.

Поддержание технического состояния автомобиля в период его эксплуатации позволяет значительно уменьшить загрязнение атмосферы продуктами неполного сгорания топлива ( в среднем на 30-40% для одного автомобиля). В итоге цифра получается очень значительная, поскольку основную часть парка составляют автомобили со средним и большими пробегами.

Токсичность двигателя с искровым зажиганием можно существенно уменьшить путем совершенствования конструкции и формы камеры сгорания, впускной и выпускной системы двигателя, введение оптимальных регулировок состава смеси и угла опережения зажигания, применения непосредственного впрыска топлива, организации послойного смесеобразования, перепуска ОГ во впускную систему, впрыска воды, поддержания двигателя в должном техническом состоянии, рациональной его эксплуатации.

Признанным методом уменьшения выделения оксидов азота с ОГ является перепуск части газов во впускную систему двигателя.

Уменьшение выделения NOх с помощью рециркуляции части ОГ объясняется понижением максимальной температуры процесса сгорания из-за уменьшения количества топлива, поступающего в цилиндр при рециркуляции, и большей теплоемкости продуктов сгорания по сравнению с теплоемкостью воздуха.

Введение системы рециркуляции несколько ухудшает динамические качества автомобиля. При работе двигателя на этилированном бензине в системе рециркуляции и камере сгорания образуются отложения, которые содержат в основном свинец. Это приводит к нарушению ее нормальной работы.

В ОГ дизелей доминируют такие токсичные вещества, как оксиды азота и сажа. Кроме того, необходимо обращать внимание на дымность и запах. Запах ОГ дизелей связан с присутствием в них ряда веществ (альдегидов и др.). В настоящее время проводятся работы по установлению связи между запахом и химическим составом ОГ. Борьба с запахом может проводиться как в направлении его устранения, так и превращении его из неприятного в приятный (добавка присадок).

Уменьшение угла опережения впрыска топлива на 1 градус снижает концентрацию NOх в ОГ на 150-200 чнм. Содержание сажи в ОГ уменьшается с увеличением угла опережения впрыска. Таким образом, уменьшая этот угол, можно существенно снизить выделение оксидов азота дизелями, но при этом выделение сажи заметно возрастает и для его уменьшения необходимо принимать специальные меры. Большое влияние на токсичность дизелей оказывают характеристики топливной системы: продолжительность впрыска и размеры сопловых отверстий распылителя. Следовательно, подбирая топливную аппаратуру, можно влиять на токсичность ОГ дизеля, особенно на их дымность.

Большое влияние на выделение токсичных веществ в ОГ дизелей оказывает организация процессов смесеобразования и сгорания. Установлено, что двухкамерные дизели выделяют примерно 50% оксидов азота от выбрасываемых однокамерными.

Одним из средств уменьшения выделения NOх с ОГ дизелей является применение рециркуляции ОГ.

Дымность ОГ двигателей может быть уменьшена применением специальных устройств, корректирующих работу циркулятора.

4.2 Система рециркуляции ОГ

Для уменьшения выброса окислов азота используют перепуск части отработавших газов во впускную системы двигателя.

Концентрация NOх в отработавших газах зависит от максимальной температуры цикла и количества кислорода в продуктах сгорания. Уменьшение выброса NOх при рециркуляции отработавших газов объясняется понижением максимальной температуры процесса сгорания в результате уменьшения количества топлива, поступающего в цилиндр, а также большей теплоемкостью продуктов сгорания по сравнению с теплоемкостью воздуха.

Схема системы рециркуляции ОГ представлена на рисунке 4.1

Рис.4.1 Принципиальная схема системы рециркуляции ОГ.

1-двигатель, 2-дросельная заслонка, 3-диффузор карбюратора,

4-общий привод, 5-клапан рециркуляционной системы.

Перепуск части ОГ из выпускной системы во впускной трубопровод происходит вследствие разницы давлений. Количество всасываемых ОГ зависит от степени разрежения регулируется заслонкой перепуска управляемой тягой, соединенной с дроссельной заслонкой. При работе двигателя на режиме холостого хода и при торможении двигателем заслонка перепуска закрыта.

Рециркуляция более 10% ОГ приводит к падению мощности двигателя, увеличению удельного расхода топлива и способствует некоторому ухудшению динамических характеристик автомобиля.

4.3 Присадки к топливу

В последние годы широко проводятся исследования в области использования присадок к топливам в целях уменьшения токсичных выбросов. В результате исследований установлено, что можно в значительной степени уменьшить задымленность ОГ посредством добавки к топливу соответствующих химических соединений.

В качестве присадок к дизельным топливам, уменьшающих содержание сажи в ОГ, применяют металлоорганические химические соединения. Механизм действия антидымных присадок заключается в их рассеивающем воздействии на сажу и каталитическом воздействии на процесс сгорания.

В качестве присадок к топливам дизельных двигателей используют также органические соединения, являющиеся сильными окислителями, которые содержат слабосвязанный кислород. При температуре сжатого заряда, которая создается в камере сгорания, активный кислород легко высвобождается, что вызывает сокращение периода задержки самовоспламенения, оказывая влияние на процесс сгорания.

4.4 Перевод двигателя внутреннего сгорания на газообразное топливо

Наряду с ТС, оборудованными двигателями, работающими на бензине и дизельном топливе, выпускаются и эксплуатируются газобаллонные ТС. Топливом для них служат природные горючие газы, добываемые из газовых и нефтяных месторождений, а также промышленные газы, получаемые при переработке нефти, нефтяных газов и твердых горючих ископаемых. Себестоимость и затраты труда при производстве природного газа в несколько раз ниже по сравнению с другими видами топлива.

При прочих одинаковых условиях для автомобилей, работающих на газовом топливе, себестоимость топлива снижается на 15-20% на каждый тонно-километр по сравнению с автомобилями, работающими на бензине.

Газовое топливо более полно сгорает в цилиндрах двигателя, а продукты его сгорания (ОГ) намного меньше загрязняют окружающий воздух ядовитыми и дурнопахнущими веществами. Так, при работе двигателя на сжиженном газе концентрация СО в атмосфере уменьшается примерно в 3-4 раза по сравнению с работой на бензине, что является огромным преимуществом газобаллонных автомобилей при их эксплуатации в крупных городах с большой насыщенностью автомобилями.

К основным преимуществам автомобилей, работающих на сжиженных газах, по сравнению с бензиновыми, следует отнести снижение СО в 6-8 раз, углеводородов- на 15-20% и NOх на 10-12%.

Реальное снижение доли выбросов оксида азота возможно, если на а/м будут установлены отработанные конструктивно и отрегулированные газовые двигатели.

Причина образования СО и СО2- неполное сгорание топлива, особенно если в цилиндры двигателя поступает богатая горючая смесь. Газовые двигатели обычно регулируются в расчете на обедненную рабочую смесь. Значит содержание СО и СО2 при работе на газе должно быть меньше, чем при работе на бензине.

Можно сделать вывод по газовому топливу:

Токсичность ОГ автомобиля, работающего на газовом топливе, значительно ниже бензинового. Это объясняется следующим:

ь Качественное смесеобразование и равномерное распределение топлива по цилиндрам, большая антидетонационная стойкость углеводородных газов и большая степень сжатия обеспечивают работу двигателя на обедненных смесях, следовательно уменьшается содержание СО и СН и повышается топливная экономичность.

ь Меньшая температура в камере сгорания приводит к уменьшению содержания NOх в ОГ.

ь Герметичная система топливоподачи исключает испарение топлива из карбюратора и топливного бака.

К недостаткам использования газового топлива можно отнести : большую массу топливной системы, меньший запас хода, затрудненный запуск в холодную погоду, возможность взрыва газового баллона на автомобиле, работающего на сжатом газе.

4.5 Системы нейтрализации

4.5.1 Общие сведения нейтрализации ОГ ДВС

Катализ химических реакций (от греч. каtalysis - разрушение) обеспечивает изменение их скорости в присутствии особых веществ (катализаторов), вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с реагирующими веществами, но восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой химический состав.

Катализатор входит в состав активного комплекса нейтрализатора. Если при этом скорость химических реакций становится больше, чем в отсутствие катализатора, то катализ называют положительным. Катализатор не связан с изменением свободной его энергии. Воздействие катализатора не смещает положения равновесия химической реакции

Физико-химические процессы нейтрализации ОГ. Гетерогенная реакция, протекающая на слое катализатора, представляет собой уравнение баланса массы реагирующего компонента и может быть представлена в общем виде зависимостью

Vг*dc = kv * c * fп * dх (4.1)

Vг - объемный расход газа; c-текущая концентрация компонента ОГ;

kv -константа скорости реакции в единице объема;

fп - поперечное сечение потока газа (трубопровода);

х - текущее значение координаты по длине слоя катализатора.

Эффективность нейтрализации предопределяется температурой и продолжительностью контакта ОГ с каталитической поверхностью. Продолжительность контакта ОГ с функциональными элементами нейтрализатора удобно оценивать объемной скоростью (Wг), т. е. представляющей отношением объемного часового расхода отработавших газов (Vг) к объему катализатора (Vк)

Wг = Vг / Vк (4.2)

Каталитический процесс окисления различных компонентов ОГ обусловлен диффузией молекул газа к рабочей поверхности катализатора и их окислением на его поверхности. В основу расчета кинетики химических реакций нейтрализации продуктов неполного сгорания положены реакционно-кинетические закономерности процесса сгорания реагирующих компонентов. Скорость окисления рабочей смеси может быть представлена выражением.

Z= - dc/dф = kCи * Со2 = kо* Cи * Со2* е-E/RT (4.3)

где Z скорость сгорания, моль/(м3/сек); -dc/dф действительная скорость сгорания моль/(м3 /сек); k константа скорости реакции; Cи концентрация топлива в смеси, %; Со2 концентрация кислорода, %; E энергия активации, кДж/моль; R газовая постоянная, кДж/(моль К); T температура сгорания рабочей смеси, К.

Основным фактором, определяющим скорость химического превращения, является энергия активации (Е), представляющая разность энергий активного комплекса и исходных реагирующих молекул. Если предположить, что реакция окисления не нарушает равновесного распределения энергии между молекулами, то вероятность образования активного комплекса, а следовательно, и скорости реакции в первом приближении пропорциональна величине ехр (-Е/RТ). Скорость реакции окисления тем больше, чем меньше (Е), и вследствие экспоненциальной зависимости возрастает значительно даже при небольшом снижении (Е). Обобщенные параметры реакционно-кинетических реакций получены для расчета константы равновесия прямой и обратной реакций kп и kо

Контактное воздействие катализатора является поверхностным эффектом. Поэтому любое постороннее вещество в горючей смеси, которое активно адсорбируется на катализаторе, может отрицательно повлиять на его свойства. Поверхностный катализ используют как в процессе окисления, так и в процессе восстановления. Сущность процессов каталитической нейтрализации заключается во взаимодействии вредных веществ ОГ между собой или с избытком кислорода. Результатом нейтрализации ОГ является окисление СО и СmНn по уравнениям

СО + Н2О = СО2 + Н2 (4.4)

2 СO + O2 > 2СО2 (4.5)

СnНm + (n + m/4 )*О2 = n*CO2 + m/2*(Н2О) (4.6)

Завершение реакций в нейтрализаторе за короткое время при прохождении через него ОГ требует создания эффективной окислительной среды и поддержания рабочей температуры в пределах (250800) °С. При температуре менее t < 250 °С эффективность катализатора невелика, а при температуре t >1000 °С может наступить дезактивация из-за спекания мелких кристаллов (платины, родия, палладия), сопровождающегося разрушением поверхности активных участков.

Катализатор представляет собой материал, ускоряющий химический процесс и не изменяющийся в процессе реакции. Он обеспечивает повышение скорости реакции окисления и снижение рабочей ее температуры. Для нейтрализации оксида азота NO используют реакции его восстановления до молекулярного азота (N2) и аммиака NH3. В качестве восстановительной среды используют находящиеся в ОГ компоненты СО, СmНn и Н2.

При работе ДВС на стехиометрической рабочей смеси основным продуктом восстановления NO является N2, а при работе на богатых смесях больше NH3. Чтобы после восстановления NO образовывалось больше N2 и меньше NH3 катализатор должен содержать родий (Rh). Соотношение в катализаторах количества Pt и Rh близко к 5, а в ряде случаев достигает 12.

При восстановлении NOх возможны следующие реакции

NO + CO > 1/2N + СО2 (4.7)

2NО + 5CO + H2O > NH3 +5 СО2 (4.8)

NO + Н2 > 1/2 N2 + Н2О (4.9)

2NO + 5 H2 > 1/2N2 + 2 Н2О (4.10)

NO + CH > 2N2 + Н2О + CO + NH3 (4.11)

Для нейтрализации окислов азота в газах бензиновых двигателей нейтрализатор имеет специальную ступень для поглощения кислорода из газовой смеси. Для этой цели обычно используют каталитическую реакцию между содержащимся в ОГ кислородом и окисью углерода. Восстановление NO окисью углерода может быть представлена следующей зависимостью

2NO + 2CO > N2 + 2 СО2 (4.12 )

Между компонентами ОГ и кислородом может протекать ряд побочных реакций

СО + Н2О - СО2 + Н2 (4.13)

5/2Н2 + NO - NH3 + Н2О (4.14)

NН3 + 5/4 O2 - NO + 3/2 Н2О (4.15)

Н2 + NO - H2O + 1/2 N2 (4.16)

Н2 + 1/ 2 O2 - H2O (4.17)

Уменьшения количества NOх обеспечивает реакция восстановления по уравнению

2 NO + 2 CO > N2 + 2СО2 (4.18)

Для обеспечения более полного процесса окисления парциальное давление СО должно быть относительно большим, что обеспечивается путем эксплуатации ДВС с < 1,0. В ОГ автомобильного ДВС всегда имеется свободный водород, поэтому возможна следующая реакция восстановления

2NО + 5 Н2 > 2 NH3 + 2 Н2О (4.19)

Количество образующегося аммиака представляет собой функцию применяемого катализатора, состава и температуры ОГ. При восстановлении NO компонентами ОГ возможны следующие реакции

2NО + 5CO + H2O > NH3 +5 СО2 (4.20)

2NO + 5 H2 > 1/2N2 + 2 Н2О (4.21)

NO + CH > 2N2 + Н2О + CO + NH3 (4.22)

При восстановлении NO одновременно происходит более полное окисление СО и СmНn. Степень каталитического превращения различных газов в нейтрализаторе оценивают коэффициентом преобразования

Кi = (сi вх - сiвых )/ci вх х 100% (4.23)

где Кi - коэффициент преобразования i-того компонента; сi вх и сiвых - концентрация i-того компонента на входе и на выходе из нейтрализатора соответственно.

Максимальная величина преобразования Кi одновременно по трем компонентам достигается при работе ДВС при работе на обогащенной смеси вблизи ее стехиометрического состава (=0,98-0,99), т.е. количество кислорода освобождающегося при восстановлении NOх оказывается достаточным для окисления Н2, СО и СmНn.

Для восстановления окисла азота применяют катализаторы на основе переходных металлов, в частности, меди, хрома, кобальта, никеля и их сплавов.

Эти катализаторы менее долговечны по сравнению с Pt и Pd.. Эффективность катализатора заметно ниже при высоких объёмных скоростях химических реакций. Эффективная нейтрализация продуктов неполного сгорания

достигается на таких катализаторах при более высокой температуре по сравнению с платиновыми. Реакции на окисных катализаторах могут быть представлены соотношением.

d(CO)/dt = k1(CO) (4.24)

На платиновых катализаторах при малых степенях превращения СО реакция протекает по уравнению

d(CO)/dt= k2 (О2/СО)3/4 (4.25)

При высших степенях превращения (80%) реакция протекает по уравнению

d(CO)/dt = k (0,5)1/2 (4.26)

Константы k1, k2 и k3 определяется в первую очередь природой катализатора и концентрирует СmНn в ОГ.

Скорость окисления СmНn в общем случае описывается уравнением:

d(CmHn)/dt = k4(CnHm)(О2)№/І (4.27)

Рисунок 4.2 Принципиальная схема управления нейтрализацией с л-зондом:

1-впускной трубопровод; 2- расходомер воздуха; 3-двигатель; 4-первый л-зонд; 5-нейтрализатор; 6-второй л-зонд; 7-выпускной трубопровод; 8- электрическая цепь второго л-зонда; 9- Электронный блок управления; 10-Датчик частоты вращения КВ; 11- датчик расхода воздуха; 12- датчик температуры двигателя;13- электрическая цепь расходомера воздуха; 14- электрическая цепь первого л -зонда; 15- напряжение электронных магнитных форсунок ; 16- Электронные магнитные форсунки; 17-впрыск топлива; 18-трубопровод подачи топлива;

Система снижения токсичности ОГ с обратной связью (рис.4.2) содержит трехкомпонентный каталитический преобразователь 5 и специальный датчик кислорода (л-зонд) 4, 6, выполняющий обратную связь через цепь 14 между поступающим топливным зарядом на входе в камеру сгорания и продуктами сгорания на выходе. .

Состав горючей смеси измеряют путем определения в ОГ содержания достаточного кислорода. Датчик кислорода, установленный до нейтрализатора, является основным датчиком, при помощи которого корректируется топливоподача

Датчик кислорода, установленный после нейтрализатора, является диагностическим. Датчик анализирует эффективность работы нейтрализатора и, по мере снижения эффективности работы нейтрализатора, вводит дополнительные коррективы в топливоподачу. Для устранения смещений блока нейтрализации в корпусе и их термоизоляции они отделены от поверхности корпуса термоуплотняющими прокладками или специальными термоизолирующими покрытиями.

Большое значение на эффективность нейтрализатора имеет плотность ячеек на 1 см2 сечения блока. Это показатель определяет величину активной поверхности и весовые показатели блока. Наиболее оптимальными являются плотность 65 ячеек на 1 см2.

Широкое распространение получили нейтрализаторы с керамическим сотовым носителем на основе кардирита или с металлическим носителем на основе свернутой гофрированной фольги из нержавеющей фольги. Они обеспечивают плотность ячеистых каналов от 400 до 600 на см2 у керамических блоков и до 800 на 1 см2 у металлических блоков, что обеспечивает высокую активную поверхность при сохранении достаточных прочностных качеств блоканосителя.

Большое значение на эффективность работы нейтрализатора оказываеть конструкция и материал носителя катализатора. Он состоит из первичного носителя (основы) и вторичного (подложки). На поверхность первичного носителя, соприкасающегося с ОГ, наносится вторичный носитель вторичный носитель подложка в виде окиси алюминия, специально обработанной для расширения активной поверхности. Для улучшения свойств вторичной подложки в нее добавляются редкоземельные металлы как церий, лантан, сицилий и др. На активную поверхность вторичного носителя наносится катализатор путем гальванического покрытия или мелкодисперсным распыления.

Кислородный датчик (зонд) действует по принципу гальванического элемента с твердым электролитом в виде керамики из диоксида циркония (ZrO2). Керамика легирована оксидом иттрия, а поверх нее напылены токопроводящие пористые электроды из платины. Один из них дышит ОГ, а второй - воздухом из атмосферы. Эффективное измерение остаточного кислорода в ОГ зонд обеспечивает после разогрева до температуры (300400) оС. В таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость, а разница в количестве атмосферного кислорода в выхлопной трубе ведет к появлению на электродах -зонда выходного напряжения.

Особенностью циркониевого датчика является тот факт, что при малых отклонениях от идеального напряжение на выходе изменяется скачкообразно. В холодном состоянии выходной сигнал датчика отсутствует, так как в этом состоянии его внутреннее электрическое сопротивление составляет несколько Ом.

Циркониевый датчик (источник ЭДС) определяет парциальное давлением кислорода в ОГ. При сгорании богатой смеси содержание кислорода относительно меньше и датчик создает относительно высокое напряжение (7001000) мВ. При обеднении смеси парциальное давление кислорода в ОГ сильно увеличивается, напряжение датчика падает до (50100) мВ. Высокая чувствительность датчика позволяет отслеживать состав смеси с погрешностью 0,5%.

По мере прогрева датчика сопротивление уменьшается и восстанавливается способность генерирования выходного сигнала. Для эффективной работы датчик должен иметь температуру не ниже 360 оС . Для быстрого прогрева после запуска двигателя датчик снабжен внутренним электрическим подогревающим элементом. В процессе работы ЭБУ включением или выключением подогревателя управляет температура датчика.

Если температура датчика выще 360 оС, то в момент перехода через точку стехиометрии, выходной сигнал датчика переключается между низким уровнем (100200) мВ и высоким (700800) мВ. Низкий уровень соответствует бедной смеси (наличие кислорода), высокий богатой (кислород отсутствует).

При прохождении ОГ через катализатор платина и родий ускоряют процесс химического разложения вредных ВВ. Катализатор необходимо использовать только в случае применения неэтилированного бензина, так как свинец осаждается на поверхности катализатора и препятствует контакту с драгоценными металлами.

ЭБУ первоначально рассчитывает длительность импульса впрыскивания форсунки по входным параметрам. После впрыскивания топлива в двигатель датчик кислорода можно использовать для корректировки расчетов длительности импульса впрыскивания форсунки.

В нейтрализатор поступает больше топлива, где оно интенсивно сгорает и температура нейтрализатора достигает недопустимых значений свыше 900С.

4.5.2 Активность и селективность нейтрализатора ОГ

Активность и селективность нейтрализатора ОГ относятся к числу наиболее важных его параметров. Активность представляет собой способность катализатора инициировать определенный химический процесс. Она обычно характеризует степень превращения реагирующих компонентов при определенной температуре.

з = (cвх - свых )/cвх = Дс/cвх (4.28)

где Дс = cвх - свых разность между входящей и выходящей концентрациями.

Степень превращения реагентов ОГ в зависимости от температуры реакции при сжигании компонентов в пламени и присутствии катализатора приведено на рис.4.3. Степень эффективности нейтрализатора является функцией рабочей температуры. Нейтрализатор начинает работать при достижении температуры 250 ?С. Рабочая температура в диапазоне (400800)?С обеспечивают оптимальные условия для получения максимальной эффективности и большого срока службы нейтрализатора.

Рисунок 4.3. Степень превращения реагентов ОГ в зависимости от температуры реакции при сжигании: 1- сжигание СО в присутствии катализатора; 2- СmНn в присутствии катализатора; 3- сжигание СО и СmНn в пламени

Активность катализатора должна снижаться также и в тех случаях, когда его поверхность будет закрыта механическим путем, например пленкой расплавленного вещества. Постороннее вещество является антикатализатором

Расчет каталитического нейтрализатора двигателя сводится к определению необходимого количества каталитических элементов, т.е. к определению объема его реактора и определению количества воздуха необходимого для окисления продуктов неполного сгорания.

Объем реактора нейтрализатора определяется количеством проходящих через него ОГ двигателя и активностью каталитических элементов, которая определяется объемной скоростью газа, проходящей через катализатор. Количество выбрасываемых ОГ прямо пропорционально мощности двигателя, удельному расходу топлива и коэффициенту избытка воздуха. Объем каталитических элементов (реактора) определяют по формуле

Vк = Qог *1000/Wг (4.29)

где Vк объем каталитических элементов (реактора), л;

Wг объемная скорость, час-1.

Эффективность работы трехкомпонентного нейтрализатора приведена на рис.4.4. Наибольшая величина К, одновременно по трем нормируемым компонентам достигается при работе двигателя на слегка обогащенной смеси вблизи ее стехиометрического состава ( = 0,981,01), так как в этом случае количество кислорода, освобождающегося при восстановлении NO,

Рисунок 4.4 Эффективность работы трехкомпонентного катализатора:

1-Nox; 2-СmНn; 3-СО; 4-область эффективной работы

оказывается достаточным для окисления Н2, СО и СmНn. Вблизи стехиометрической смеси коэффициенты преобразования изменяются очень резко, поэтому для эффективной работы нейтрализатора требуется обеспечить поддержание состава смеси ( = 1,0) с высокой точностью, что удается достичь только путем использования систем дозирования топлива с электронным управлением.

Выбор объемной скорости зависит от химической активности катализатора, формы и размеров каталитических элементов и от состава ОГ. Для нейтрализаторов бензиновых ДВС объемная скорость алюмоплатиновых каталитических элементов принимается равной 100 000 час-1. Степень превращения СО в зависимости от температуры и объема приведено на рис.4.5. Путем регулирования температуры в реакционной камере можно поддерживать оптимальный температурный диапазон.

Рисунок 4.5. Степень превращения реагентов ОГ в зависимости от температуры реакции и объемной нагрузки реакционной камеры:

1- 3500 1/ч; 2-5000 1/ч; 3-25000 1/ч;

Степень превращения зависит от реакционно-кинетических свойств используемого катализатора. И тем самым также от температуры реакции. В начале катализатора температура реакции будет соответствовать температуру ОГ, а у его конца увеличится на величину, соответствующую скрытой энтальпии.

Если температура в начале катализатора слишком низка, то ее можно повысить, установив в системе теплообменник. Перед выходом в атмосферу ОГ, нагретые за счет теплоты сгорания до более высокой температуры, отдают свое тепло еще не сожженным ОГ.

При эксплуатации температура в нейтрализаторе составляет (400600) С для чего располагают вблизи выпускного клапана.

Наибольшее распространение получили нейтрализаторы с платинородиевыми катализатора с удельным содержанием драгоценных металлов 1,4 г/л при относительном отношении 5:1 Pt и Rh (платины и родия). В среднем автомобильный нейтрализатор объемом 1,5 л содержит 1,8 г платины и 0,36 г родия. С середины 90-х годов наряду с платиной стали применять палладий Pd. Палладий обладает высокой эффективностью на режимах прогрева холодного двигателя, стойкость.ю к высоким температурам.

Катализаторы, используемые для ускорения реакции окисления СО и СmНn, обычно содержит (12) г платины и палладия. Каталитическое превращение СО при t > 400 оC может достигать (9599) %.

Углеводороды разделяют на быстро и медленно сгорающие реакции. К последним следует отнести предельные СmНn малой молекулярной массы и в первую очередь метан. Если быстро сгорающие СmНn окисляются до 95%, то метановые СmНn окисляются приблизительно до (1070) %. Окисление медленно сгорающих СmНn достигается изза действия платины. Что же касается палладия, то он особенно активен при окислении СО и быстро сгорающих СmНn. Если на выходе из нейтрализатора количество СmНn велико, то можно увеличить Qзаж, что увеличивает в нем температуру и уменьшает выброс СmНn.

Блокноситель каталитического нейтрализатора изготавливают из керамики сотовой структуры, гофрированной фольги из нержавеющей стали толщиной (0,030,04) мм или в виде гранул из оксида алюминия, которые укладываются в металлический цилиндр, закрытый по торцам сетками. Чтобы обеспечить необходимый массоперенос между ОГ и каталитической поверхностью, ее площадь увеличивают путем нанесения на нее гамма-оксида алюминия (с пористой структурой), содержащего каталитический материал.

автомобиль двигатель выброс очистка

4.5.3 Классификация и виды нейтрализации ОГ

Различают нейтрализаторы двух типов: пламенные термические и каталитические. В пламенных нейтрализаторах реакция окисления осуществляются за счет дожигания продуктов неполного сгорания, а во втором за счет интенсивного протекания беспламенных процессов окисления в присутствии катализатора.

По характеру основной реакции нейтрализации отработавших газов нейтрализаторы могут быть подразделены на окислительные, восстановительные и трехкомпонентные или бифункциональные. Каталитические нейтрализаторы окислительного типа обеспечивают окисление СО и СmНn за счет избыточного воздуха в обедненных смесях или подачи дополнительных порций воздуха.

Нейтрализаторы восстановительного типа могут работать при дефиците воздуха, так как они обеспечивают снижение NOx без подачи воздуха. Каталитические нейтрализаторы восстановительного типа могут быть выполнены комбинированными для получения двухсекционных нейтрализаторов. Трехкомпонентный нейтрализатор с зондом является наиболее эффективной системой очистки ОГ. Он обеспечивает необходимый уровень всех основных компонентов ОГ, при работе на стехиометрической смеси. Такой нейтрализатор называется трехкомпонентного или бифункциональным, т.е. восстановительным и окислительным.

Пламенные нейтрализаторы. Термический нейтрализатор представляет собой реакционную камеру, в которой при высокой температуре (порядка 900°С) происходит окисление СО и СmНn.

На режимах работы бензиновых двигателей, выбрасывающих большое количество СО, для пламенного дожигания периодически применяют электрическую искру. Горение осуществляется самостоятельно.

Если ДВС работает на обогащенной смеси, то требуется подача воздуха перед нейтрализатором. Если ДВС работает на обогащенной смеси, то требуется подача воздуха перед нейтрализатором с помощью компрессора. Нейтрализатор начинает работать при существенно более высокой температуре (t = 600 oC), чем каталитический. Низкая долговечность термического нейтрализатора из-за невозможности обеспечить достаточную прочность материалов для деталей нейтрализатора в условиях высоких температур и коррозионной стойкости ОГ. Поэтому термические нейтрализаторы не получили распространение на автомобилях общего назначения.

Существенным недостатком термических нейтрализаторов является отсутствие положительного эффекта на режимах пуска и прогрева, когда выбросы СmНn и СО особенно велики. Термический нейтрализатор начинает работать при существенно более высокой температуре (t = 600 °С), чем каталитический. Термические нейтрализаторы не получили распространения на автомобилях общего назначения.

Размещение нейтрализатора непосредственно за выпускным трубопроводом двигателя ускоряет его прогрев до рабочей температуры, обеспечивающий эффективный тепловой режим его работы. Одновременно с этим возрастают высокие тепловые нагрузки. Максимальная допустимая температура рабочей зоны нейтрализатора может достигать 1000 ?С. Пропуски воспламенения в работе двигателя могут привести к увеличению рабочей температуры нейтрализатора, а затем и его разрушению..

Каталитический нейтрализатор. Принципиальное отличие каталитического нейтрализатора от пламенного, заключается в том, что процессы окисления происходят на его поверхности. Отсутствие высокотемпературных очагов окисления исключает возможность образования дополнительного количества окислов азота.

В выпускном тракте двигателя температура составляет (300-800) оС. Скорость реакций невелика. За время пребывания в системе выпуска состав газов изменяется незначительно. Для ускорения протекающих реакций используют катализаторы, являющиеся веществами, способные увеличивать скорость реакции, приводящей к получению желаемого продукта. При этом количество активного вещества катализатора остается неизменным.

Активный каталитический слой состоит из тончайшего покрытия благородными металлами (Pt, Rh, Pd), чувствительными к содержанию свинца в топливе, при отложении которого активность каталитического слоя быстро падает. Поэтому двигатели с каталитическими нейтрализаторами должны эксплуатироваться исключительно на неэтилированном бензине.

Окислительными катализаторами являются платина и палладий. Они добавляют кислород к углеводородам и окиси углерода, содержащимся в ОГ, преобразуя углеводороды в водяной пар, а окись углерода - в двуокись углерода.

Восстановительным катализатором является родий. Он ускоряет химическую реакцию, отнимая кислород из окислов азота и преобразуя окислы азота в безвредный азот., являющийся одной из основных составляющих воздуха.

Трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы. Для нейтрализации образующегося в процессе сгорания смеси оксида азота NOх используются реакции его восстановления до азота N2 и аммиака NH3. В качестве восстановителей используются находящиеся в ОГ СО, СmНn и Н2. При работе двигателя на стехиометрической смеси основным продуктом восстановления NO является NO2, а на богатых смесях больше образуется NH3.

Для большего образования N2 при восстановления NO2 и меньшего NН3 катализатор, кроме платины, должен содержать родий Рh. Ряд фирм для снижения стоимости нейтрализатора применяют триметаллический катализатор: платина, палладий, родий в соотношении 1:16:1 или 1:28:1. На один нейтрализатор расходуется от 1,5 до 3 г платины.

В бифункциональном катализаторе применяют подачу дополнительного воздуха между двумя секциями. Это позволяет осуществлять снижение не только NОх, но также СmНn и СО.

Недостатками нейтрализатора является конструктивная его сложность и необходимость работы двигателя в условиях высоко расхода топлива (л=0,9).

Принцип действия трехкомпонентных нейтрализаторов основывается на процессе одновременной и эффективной очистки (до 80%) на катализаторе всех трех основных токсичных компонентов ОГ бензиновых двигателей (окиси углерода, углеводородов и окислов азота) при условии строгого контроля состава горючей смеси.

Блок-носитель помещают внутри корпуса нейтрализатора из жаропрочной нержавеющей стали толщиной около 1,5 мм. Между блокомносителем и корпусом ставится специальная терморасширяющаяся прокладка. Скорость процесса окисления на поверхности катализаторе зависит от концентрации реагирующих компонентов.

Быстрый прогрев нейтрализатора очень важен для уменьшения ВВ , так как при пуске и прогреве к холодного ДВС Ог имеют наибольшую концентрацию ВВ.

Нейтрализатор начинает работать при температуре 300 оС, а для достижения высокой эффективности нейтрализатора требуется температура выше 600 оС. За первые 2 мин после пуска холодного ДВС содержание СmНn может составлять до 75%, окислов азота до 50% общего количества выбросов за весь испытательный цикл автомобиля на токсичность. До введения «Евро4» контроль ОГ проводился при температуре ОС выше 20 оС. Устанавливают дополнительный нейтрализатор после выхлопа.

Новшеством, повышающим эффективность катализатора, стало введение в состав материалов, аккумулирующих кислород. Принцип действия таких добавок заключается в том, при наличии в газах свободного кислорода такие вещества вступают с ним в реакцию , т.е. аккумулируют избыточный кислород.

2 СeO3 +O2 4 Ce O2 (4.30)

Сe2 O3 +HO2 2 CeO2 + H2 (4.31)

В восстановительной среде, несмотря на отсутствие свободного кислорода, оксидирование СО и СН происходит благодаря накопленному кислороду по схемам

2 СeO3 +СO 2 Ce2O3 + СО2 (4.32)

2СeO2 +H2 Ce2O3 + H2O (4.33)

В этом случае обеспечиваются оптимальные условия для протекания реакции нейтрализации даже при неизбежном отклонениях состава смеси от теоретического.

Керамические блоки (носители катализатора) стали более совершенными с большей удельной поверхностью проходных каналов. Керамические блоки содержат 900 каналов на 645 мм2 площади поперечного сечения блока. Удельная суммарная поверхность каналов увеличена с 3 и 3,5 м2/л объема блока до 4,2 и 5 м2/л., а толщина стенок каналов уменьшилась до 25 мк.

4.5.4 Устройство и принцип работы нейтрализатора

Рисунок 4.6. Принципиальная схема трехкомпонентного нейтрализатора:

1-входной патрубок; 2- уплотнение ; 3- сетка; 4- корпус; 5- выходной патрубок; 6- окислительная ступень 7- восстановительная ступень

Принципиальная схема трехкомпонентного нейтрализатора ОГ приведена на рис.4.6. Нейтрализатор представляет специальное устройство, заключенное в нержавеющий стальной корпус. За стальной оболочкой находится специальный мат из керамических волокон и смол. Каталитический нейтрализатор конструктивно состоит из входного и выходного устройства, служащих для подвода и выхода нейтрализуемого газа, корпуса и заключенного в него реактора, представляющего собой активную зону, где протекают каталитические реакции.

С целью исключения опасности разрушения слишком длинного одиночного блока внутри оболочки нейтрализатора располагаются два керамических блока. Эти блоки, содержащие веществокатализатор, должно быть надежно закреплены внутри оболочки . Между оболочкой и керамическими блоками уложена металлическая сетка, обеспечивающая правильную установку блоков и исключающая чрезмерные механические нагрузки на них.

Каталитический нейтрализатор имеет внутри корпуса носитель, на поверхность которого наносят покрытие из каталитического материала. В качестве носителя применяется гранулированная или монолитная керамическая основа. Монолитная структура характеризуется максимальным использованием каталитической поверхности, долговечностью, физической прочностью и низкой тепловой инертностью. Он содержит керамический блок сотовой структуры с нанесенным каталитическим покрытием, размещается в двух штампованных полукорпусах и удерживается от перемещений посредством сжатия через терморасширяющуюся прокладку.

Каталитический преобразователь представляет собой камеру, входящую в состав выхлопной системе, в которой происходит преобразование ВВ в безвредные. Преобразователь изготовлен из керамики с множеством продольных каналов для пропуска ОГ. Поверхности каналов покрыты тонкой пленкой благородных металлов - платиной и родием. При нормальной работе преобразователя благородные не расходуются.

В качестве катализатора используется платина (Рt) и родий (Rh), нанесенные на керамический сотовый блок. При температуре 300 оС он разбухает и надежно предохраняет самый дорогой элемент катализатора - монолит. Кроме этого, мат предотвращает утечку ОГ вдоль корпуса. Монолит изготавливают из керамики или металла. Он имеет сотовую структуру. Поверхность монолита составляет площадь 3 м2. Если на поверхность каналов монолита нанести тонкий специальный слой (промежуточное покрытие), то общая активная поверхность катализатора увеличится до 2400 м2.

Зависимость напряжения -зонда от коэффициента избытка воздуха от температуре датчика 500-800 оС: 1-условная точка средних значений приведена на рис.4.7. Когда = 1 даже небольшое изменение приводит к скачку выходного напряжения. Это изменение сигнала вблизи =1 позволяет ЭБУ легко обрабатывать сигнал.

Рисунок 4.7. Зависимость напряжения л-зонда от коэффициента избытка воздуха, от температуры датчика 500-800оС:

1- условная точка средних значений (Uвых=0,5 В при б=1,1)

I- обогащение смеси уменьшение кислорода в ОГ;

II-увеличение кислорода в выхлопе;

Существуют датчики на основе двуокиси циркония и двуокиси титана. Схема циркониевого датчика кислорода приведена на рис.4.8. Он содержит корпус 3, керамический элемент 1, керамический изолятор 5. Два электрода внешний и внутренний выполненные из пористой платины и ее сплава, разделены слоем твердого электролита. В качестве электролита используют диоксид циркония со стабилизирующими добавками оксида иттрия.

Внешний 13 и внутренний 16 электроды зонд выполнены из пористой платины или ее сплава и разделены слоем твердого электролита 1 из двуокиси циркония. Внутренний электрод 16 находится в воздухе с постоянным парциальным давлением кислорода, а внешний 13 омывается отработавшими газами в выпускной системе двигателя. Ионная проводимость твердого электролита, возникающая в результате разности парциальных давлений кислорода на внешнем и внутреннем электродах, обусловливает появление разности потенциалов между электродами. Циркониевый датчик можно рассматривать как гальниванический элемент.

Рисунок 4.8. Схема датчика кислорода: 1-защитный элемент; 2-защитный колпачок с прорезями; 3-корпус; 4-керамический уплотнитель; 5-керамический изолятор; 6-уплотнитель; 7- выводы нагревателя; 8-вывод сигнала; 9-12- контакты; 10-нагревательный элемент; 11-кожух; 13-16-соответственно внутренний и наружный пластиновые электроды; 14- вольтметр; 15- полость; 17-выпускной трубопровод; А-устройств; Б-схема размещения;

При низком уровне парциального давления кислорода в обогащенной смеси (б<1)датчик генерирует остаточно большое напряжение (7001000) мВ.

При переходе состава смеси через стехиометрическое значение в область обедненных смесей (>1) парциальное давление кислорода в ОГ заметно увеличивается, что приводит к резкому падению напряжения на выходе от (7001000) мВ до (50100) мВ.

Характеристика -зонда позволяет определить стехиометрический состав смеси с погрешностью не более ±0,5 %. Нагреватель датчика кислорода представляет собой спираль, расположенную внутри датчика кислорода. Он предназначен для скорейшего прогрева и выхода датчика на рабочий режим. ЭБУ подает напряжение на нагреватель до момента когда датчик начинает генерировать быстроменяющиеся напряжение-рабочий режим.

Датчик кислорода позволяет проверить сопротивление нагревателя, отсоединив разъем от датчика R вd =(510) Ом. Можно измерить опорное напряжение ЭБУ при снятом разъеме и при включенном зажигании равное

U = 0,45 В.

Наиболее совершенными в настоящее время являются нейтрализаторы с блочным катализатором. Использование блочных катализаторов позволяет по сравнению с гранулированными катализаторами уменьшить объем, массу и площадь поперечного сечения нейтрализаторов. Необходимо указать также и на то, что малая удельная масса монолитного катализатора и его высокоэффективная геометрическая поверхность существенно уменьшают время разогрева нейтрализатора при холодных пусках, что является важным положительным качеством. Для уменьшения вибрационных нагрузок со стороны ДВС нейтрализатор подключают к выпускному трубопроводу или приемной трубы через соединение или через компенсатор колебаний.

При нормальной работе этого датчика напряжение на этом датчике изменяется скачкообразно от 0 до 0,9 В. По мере отравления датчика изменения уменьшаются. При полностью отравленном датчике величина напряжения будет равна 0,4 В.

Датчики концентрации кислорода подразделяются на элетрохимические и резистивные.

Первый тип датчиков работает по принципу элемента, вырабатывающего электрический ток. Второй работает как резистор изменяя свое сопротивление от условий среды, в которой он находится.

Обычно используют датчики на основе твердого электролита двуокиси циркония (ZrO2 ) и на основе полупроводниковой керамики ТiO2 (двуокиси титана) с использованием иттрия (Y), платины (Pt), палладия (Pd), сложных соединений на основе алюминия (Al). Действие циркониевых датчиков основано на электрохимическом принципе. Нормальная работа таких датчиков зависит от температуры, поэтому их выполняют подогреваемыми.

Наибольшее распространение в настоящее время получили электрохимические датчики кислорода. В них используется свойство диоксида циркония создавать разность электрических потенциалов (напряжение) при разной концентрации кислорода (в ОГ и ОС).

Керамический наконечник находится в потоке ОГ, поступающих через отверстия в защитном экране. Эффективная работа датчика возможна при температуре не ниже (300350) оС. Поэтому датчик снабжен подогревательным элементом, представляющим из себя керамический стержень со спиралью накаливания внутри. Керамический нагревательный элемент входит внутрь циркониевого элемента. В один конец нагревательного стержня герметично заделан толстослойный проводник тепла.

Нагревательный элемент подвижно поддерживается закрепительной втулкой, которая также передает напряжение датчика от внутреннего электрода. Диапазон рабочих температур находится в пределах (300800) оС.

Чувствительным элементом титановых датчиков на основе Тi являются преобразователи резистивного типа, т.е. их проводимость меняется вследствие физико-химического взаимодействия с кислородом ОГ. Эти датчики работают на принципе изменения проводимости окиси титана.

Датчик автомобиля «Святогор» размещен на ВТ. По содержанию кислорода в ОГ датчик информирует ЭБУ о составе горючей смеси. Анализируя информацию от кислородного и других датчиков, ЭБУ нормализует состав смеси за счет изменения времени открытия ЭМФ. Разъем жгута снабжен контактами «А», «В», «С» и «Д». Исправный датчик имеет напряжение 0,10,9 В при частоте вращения КВ равной 2500 мин-1.

Двуокись циркония при высоких температурах приобретает свойство электролита. Датчик становится гальваническим элементом. Закрытый его конец рабочего элемента помещают в приемный трубопровод, а открытый остается снаружи и сообщается с атмосферой. Если в приемном трубопроводе содержание кислорода меньше по сравнению с окружающей средой, то между внутренний и внешний циркониевыми поверхностями возникает разность потенциалов.

Схема подключения датчика приведена на рис.4.9. Датчик без нагревателя могут иметь один или два сигнальных провода, со встроенным электрическим нагревателем 0- три или четыре провода. Провода светлых цветов относятся к нагревателю , а темных - к сигнальному проводу.

Рисунок 4.9. Схема подключения л-зонда:

1-сигнальный на ЭБУ (черный); 2-3-подогрев (белый); 4-земля датчика (серый);

Все элементы датчика кислорода изготовлены из жаростойких материалов, так как его рабочая температура может достигать 950 оС. Выходящие провода имеют термостойкую изоляцию. Датчик кислорода без нагревания устанавливают в выпускном трубопроводе ближе к двигателю, а с нагревательным элементом перед нейтрализатором.

Датчик кислорода имеют неразборную конструкцию и не требуют обслуживания. Ресурс электрохимических датчиков кислорода составляет 60..80 тыс. км. при соблюдении условий эксплуатации. Иногда устанавливают два датчика - до нейтрализатора и после него.

Рекомендуется проверять датчики кислорода при каждом техническом обслуживании автомобиля.

Работа нейтрализатора. При работе двигателя на режиме ХХ ОГ поступают в корпус через входной патрубок, через запорный клапан проходят в расположенный за ним реактор, очищаются и через выходной патрубок выходят из нейтрализатора. При работе двигателя на режиме частичных нагрузок, т.е. при увеличении количества проходящих через нейтрализатор ОГ, они дополнительно открывают впускной клапан и часть ОГ проходит через расположенный за ним реактор.

Для снижения сопротивления потока газов со стороны катализатора площадь всех отверстий сот примерно в 1,5 раза больше, чем подводящих или отводящих труб. Поверхностный катализ может быть использован как в процессе окисления, так и в процессах восстановления. Для устранения вредных компонентов используется только окисление в присутствии катализатора, которое получило известность как дожигание в присутствие и катализатора. В ходе его происходит преобразование СО и СmНn в СО2 и Н2О. Восстановление в присутствии катализатора можно было бы использовать также для преобразования окиси азота в молекулярный азот.

Работа датчика основана на том, что керамический материал является пористым и производит диффузию кислорода, присутствующего в воздухе (твердый электролит). При высоких температурах керамика становится проводящей и если концентрация кислорода на одном из электродов отличается от концентрации на другом, то между ними генерируется напряжение.

Внешний и внутренний электроды выполнены из пористой платины или ее сплава и разделены слоем электролита из двуокиси циркония. Внутренний электрод находится в воздухе с постоянным парциальным давлением кислорода, а внешний электрод омывается ОГ в выпускной системе ДВС.

Ионная проводимость твердого электролита, возникающая в результате разности парциальных давлений кислорода на внешнем и внутреннем электродах, обуславливает появление разности потенциалов между электродами.

Устанавливают два -зонда. Это позволяет скорректировать управление по сигналу первого датчика и уменьшить амплитуду периодических колебаний, а следовательно увеличить каталитические превращения СО, CmНn и NOх. В системе нейтрализации СНОГ 45% неисправностей приходится на -зонд, нейтрализатор 16% и систему зажигания 6%. Субъективно определить их трудно.

Надежность нейтрализатора в значительной мере зависит от состава топлива. Особенно на нейтрализатор воздействует свинец. Он оседает на поверхность катализатора. блокирует или отравляет катализатор при испытаниях автомобилей с нейтрализатором согласно нормам должен применяться бензин с содержанием свинца не более 5 мг/л.

При тепловых напряжениях керамические блоки нейтрализатора могут разрушаться (закупориться) вызвав повышение противодавления. На работающем двигателе (при n=2500 мин) величина противодавления должна составлять не более 8,62 кПа (измеряется с помощью манометра устанавливаемого в отверстие вместо датчика концентрации кислорода).

Применение зонда. В США, Европе и Японии только каталитическая очистка отработавших газов с использованием трёхкомпонентных нейтрализаторов и системой с обратной связью обеспечивает удовлетворение существующим нормам по предельным концентрациям СО, NОх и СmНn в ОГ. Коэффициент избытка л используется для определения пропорций воздуха и топлива в рабочей смеси и отношений между действительным и стехиометрическим составами смеси. В основном для двигателя с искровым зажиганием для оптимизации состава отработавших газов используются две разновидности обратной связи.

Расчет нейтрализатора сводится к определению необходимого объема катализатора для окисления заданного количества основного токсичного компонента при обеспечении процесса необходимым количеством кислорода. Затем определяют параметры реактора и длину каталитического слоя, зависящего от скорости кинетических превращений и скорости потока. Объемная скорость, представляющая собой отношение часового объемного расхода газа к объему катализатора, предложенного нейтрализатора равна 25000 час-1, температура ОГ на входе равна 400 оС, а на выходе составляет 575 оС. Средняя температура равна 485 оС. Исходная концентрация равна 2,0 %, а конечная - 0,1%. . Содержание ВВ в ОГ с нейтрализатором и без нейтрализатора приведено в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Содержание ВВ в ОГ с нейтрализатором и без нейтрализатора

При применении нейтрализатора с двумя ступенями очистки во время работы двигателя по внешней характеристике были снижены выбросы: оксида углерода в 1,42-1,45 раза; оксида азота в 2,03-2,05 раза; углеводородов - в 2,21 - 2,24 раза; твёрдых частиц - в 2,83 - 2,85 раза.

При переходе на одну ступень очистки снизилось противодавление выпуску с 6,37 по 3,92 кПа (с 650 до 400 мм.вод.ст). Причём было обнаружено, что каталитический нейтрализатор успешно выполнял функцию глушителя шума выпуска. Если стандартный глушителей КамАЗ - 740 снижал уровень шума выпуска до 113 дБА, то каталитический нейтрализатор с двумя ступенями очистки - до 111 дБА.

Наблюдение за работой каталитического нейтрализатора в течении 1200ч эксплуатации в различное время года показало, что эффективность очистки газов за указанный период ухудшилась: содержание СО уменьшилось в 1,05-1,14 раза; NОх - в 1,14 - 1,15 раза; CmНn -1,44 - 1,31 раза; твёрдых частиц - в 2,49 -2,50 раза. Однако после промывки каталитических блоков в растворе нашатырного спирта и моющем растворе эффективность очистки нейтрализатора восстановилась на 85-90 %.

Каталитический нейтрализатор отработавших газов на блочных носителях с сотовой структурой. В настоящее время для очистки отработавших газов ДВС применяются преимущественно катализаторы из блочных носителях с сотовой структурой, а не с гранулами. Это в первую очередь связано с тем, что слой гранулированного катализатора создаёт значительное сопротивление газам, а значит. Однако гранулированные катализаторы имеют ряд преимуществ перед блочными, в частности, меньшее содержание драгоценных металлов, более высокие механическую прочность и термическую стойкость, простую технологию изготовления.

Реакция окисления окиси углерода при катализаторах, содержащих драгоценные металлы, легко переходит в гетерогенно-гомогенный режим, когда происходит скачкообразное увеличение степени превращения окисляемого вещества до ~ 100%. Однако реализуется этот режим лишь при определённой температуре катализатора - так называемого температуре «вспышки» процесса. Причём после её достижения объёмную скорость газового потока можно увеличить более чем на порядок, без снижения эффективности очистки.

Эти особенности были использованы при разработке новой конструкции реактора палладий содержащего нейтрализатора. Идея, заложенная в конструкцию, проста: снизить скорость потока газа через слой зернистого катализатора, чтобы тем самым увеличить время пребывания молекул газа в контакте с катализатором и, как результат, уменьшить температуру «вспышки». Реализуется эта идея тоже не сложным образом: в зону контакта вводятся одна или несколько сетчатых трубок, и часть газа проходит мимо катализатора с большей скоростью. Оставшаяся часть всё же попадает на гранулы, но её скорость уменьшается. Поэтому данная часть и задерживается там на значительно большее время, чем было бы при отсутствии трубок. Молекулы нейтрализуются, а их температура повышается настолько, что они сами становятся инициаторами догорания газов, которые проходят по трубкам. Это ведёт к уменьшению температуры вспышки, а увеличение свободного объёма в зоне катализатора благоприятствует протеканию процесса в гетерогенно-гомогенном режиме.

На первом этапе были разработаны конструкции каталитических нейтрализаторов, в которых автоматическое выключение из работы отдельных ступеней нейтрализации в зависимости от режимов работы двигателя обеспечивало экономию топлива до (57) % по сравнению с аналогичными одноступенчатыми нейтрализаторами.

Каталитический нейтрализатор имеет корпус с входным и выходным патрубками, несколько реакторов с катализаторами (в зависимости от мощности двигателя), расположенных параллельно по потоку газов, и распределитель отработавших газов. В распределителе равномерно по окружности расположены отверстия, в которых установлены впускные клапаны. Каждый клапан отрегулирован на соответствующий режим работы двигателя. Корпус нейтрализатора выполнен подвижно относительно корпуса распределителя ОГ. Выпускной запорный клапан отрегулирован на давление, превышающее давления, на которые отрегулированы впускные клапаны.

Параллельно с организацией производства катализаторов на основе договоров была разработана конструкция нейтрализаторов ОГ как для новых легковых автомобилей «Лада-110, «Лада-111», «ГАЗ-3110», «ГАЗ-3111», «ГАЗ-3302», «ГАЗ-2752», так и для уже находящихся в эксплуатации автобусов, мусоровозов, карьерных большегрузных самосвалов, автопогрузчиков, машин подготовки искусственного льда и. т. д.

Совместная разработка «УЭХК» и «АвтоВАЗа» конструкции нейтрализатора для автомобилей марки «ВАЗ» была завершена в 1997г. организацией сборочного производства нейтрализаторов на основе керамических блоков с каталитическим покрытием УЭХК на предприятии «АвтоВАЗ-Агрегат» и сертификацией автомобилей, оснащённых этими нейтрализаторами,

Испытания нейтрализаторов с катализаторами «УЭХК» в сравнении с катализаторами фирм «Walker», «GM», «Emitec», «Gillet» подтвердили более высокую (на 20-30%) эффективность преобразования катализаторами УЭХК углеводородов и оксидов азота . Эффективность катализаторов УЭХК настолько высока, что может обеспечивать и выполнение норм “Евро-3” при условии оптимизации программ калибровки ЭБУ работой двигателей на переходных режимах (табл.4.2.).

Таблица 4.2

Эффективность применения катализатора

Участвуя в программе по экологическому оздоровлению воздушного бассейна г. Москвы, УЭХК поставляет фирме «ЛИНДО» катализаторы для оснащения нейтрализаторами отдельных видов автотранспорта (такси, автобусы, грузовики). При эксплуатации автобусов с СНОГ периодически проверки токсичности ОГ показали, что эффективность очистки ОГ снижается до 50% по углеводородам после 45-60 тыс. км пробега, по СО после 80-90 тыс. км пробега. Результаты испытаний автомобиля ГАЗ-2752-314 «Соболь» с нейтрализатором УЭХК приведены в табл 4.3.

Таблица 4.3.

Результаты испытаний автомобиля ГАЗ-2752-314 «Соболь» с нейтрализатором

Управление по сигналу -зонда сопровождается периодическим изменением состава смеси, причем колебания величины а относительно = 1 не превосходят ± 0,03. Эти колебания состава смеси вместе с инерционностью всей системы на переходных режимах приводят к тому, что реальная величина коэффициентов преобразования составляет приблизительно 90%.

На новых системах нейтрализации и автоматизированного управления подачей бензина иногда устанавливают по два -зонда, т.е. до и после нейтрализатора. Это позволяет решить ряд задач, в том числе скорректировать управление по сигналу первого л-зонда и уменьшить амплитуду периодических колебаний, а следовательно, увеличить каталитические превращения N0, СО и СmНn .

Снижение выброса СmНn при пуске и прогреве двигателя. При использовании каталитических нейтрализаторов дальнейшее снижение выброса NOx может быть получено путем применения рециркуляции, а уменьшение выброса СО - путем исключения режимов работы на богатых смесях.

Сложнее обеспечить выполнение перспективных норм на выброс СН. В первую очередь это связано с большой эмиссией СmНn на режимах пуска и прогрева. Современный двигатель с каталитическим трехкомпонентным нейтрализатором при испытаниях по американскому циклу в течение первых 100 с выбрасывает примерно 80% СmНn от общего количества (за все испытание). При введении норм «Евро3» предполагается начинать отбор газов для анализа сразу после запуска двигателя, а время работы на ХХ увеличить.

В первой фазе испытаний каталитический нейтрализатор не работает, так как температура в нем недостаточно высока, кроме того, двигатель в это время работает на обогащенных смесях и в ОГ нет кислорода, необходимого для окисления СmНn в нейтрализаторе.

Ускоренный прогрев нейтрализатора достигается путем его установки ближе к двигателю, термоизоляцией системы выпуска между выпускным клапаном и нейтрализатором, электрическим подогревом нейтрализатора, подогревом нейтрализатора путем сжигания перед ним топлива в горелке, уменьшением опережения зажигания с целью увеличения температуры ОГ. -зонд начинает работать при t=300 °С, поэтому все чаще применяют его электрический подогрев.

В некоторых случаях используется так называемый стартовый нейтрализатор, который имеет меньшие размеры, чем основной. При параллельном расположении стартового нейтрализатора во время прогрева двигателя весь поток ОГ направляется в этот нейтрализатор, который быстро прогревается и начинает эффективно работать. Затем по мере прогрева двигателя поток ОГ специальной заслонкой направляется в основной нейтрализатор.

Положительный эффект при последовательном включении стартового нейтрализатора достигается вследствие его расположения перед основным нейтрализатором, т.е. ближе к выпускному коллектору и меньших размеров, а значит и более быстрого прогрева.

Объём мирового производства катализаторов составляет 500..800 тыс. т в год; выпускается 250 основных типов катализаторов, каждый тип включает ряд разновидностей. Между однородными по назначению катализаторов, производимыми в различных странах или разными фирмами, имеются определённые различия.

4.6 Уменьшение токсичности отработавших газов путем совершенствования систем зажигания и подачи топлива двигателей

Так как традиционный распределитель-прерыватель не всегда надежно осуществляет зажигание смеси, что сопровождается повышением содержания в выхлопе продуктов неполного сгорания, то необходимо улучшать систему зажигания.

Первый способ- применение бесконтактного электронного зажигания, которое обеспечивает более мощный разряд на свечах зажигания отличается большей стабильностью работы.

Второй способ - факельное зажигание. Сущность способа состоит в том, что в малой форкамере богатая смесь поджигается электрической искрой, а образующийся при этом мощный факел пламени зажигает основную часть более бедной рабочей смеси в цилиндре, что сопровождается улучшением сгорания топлива. Такие двигатели позволяют уменьшить выброс всех токсичных компонентов при экономии до 10% топлива.

Совершенствование процессов подачи топлива достигается рядом приемов. Первый - разработка карбюратора, способного готовить необходимый состав рабочей смеси для любого режима работы двигателя. Второй - изменение клапанного механизма с целью более тонкого распыления и лучшего перемешивания смеси при поступлении ее в цилиндр. Третий прием - непосредственный впрыск топлива во впускной трубопровод или в цилиндры. Системы непосредственного впрыска особенно эффективна в сочетании с электронным управлением, которое автоматически дозирует топливо в зависимости от режима работы двигателя. Установлены не только снижение токсичности газов и экономия топлива, но и повышение мощности двигателей на 10-20%.

4.7 Эксплуатационные мероприятия по снижению токсичности отработавших газов

Основными эксплуатационными мероприятиями снижения токсичности ОГ являются следующие:

Для карбюраторных двигателей.

1. Своевременное регулирование карбюраторов по оптимальному составу рабочей смеси.

2. Оптимизация характеристики ускорительного насоса при разгоне автомобиля.

3. Поддерживание оптимальной регулировки зазоров между торцами стержней клапанов и носками коромысел газораспределительного механизма.

4. Контроль и регулировка оптимального угла опережения зажигания. Поддержание нормального зазора в контактах прерывателя.

5. Повышение минимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя на 50-100 об/мин.

6. Периодическая промывка системы смазки специальным промывочным маслом.

7. Периодическая проверка герметичности цилиндропоршневой группы.

8. Движение, по возможности , с постоянной скоростью.

9. Систематическая промывка топливных и воздушного фильтров систем питания двигателя.

10. Работа двигателя на средних скоростных режимах и нагрузках 60-80% от максимальной мощности.

11. Добавка в бензин 3% антитоксичного изопропилового спирта.

Для дизельных двигателей.

1. Систематический контроль оптимального угла опережения начала подачи топлива.

2. Поддержание постоянной цикличности подачи топлива для каждого цилиндра. Допускается неравномерность подачи топлива +-5%.

3. Контроль и регулировка оптимальной максимальной подачи топлива, исключающий дымный выхлоп.

4. Своевременный контроль технического состояния и регулировка оптимального давления начала впрыска топлива каждой форсунки.

5. Разогрев двигателя и его систем перед началом движения автомобиля до температуры не ниже 300С и полная нагрузка двигателя при температуре охлаждающей жидкости не ниже 550С.

6. Работа двигателя на средних скоростных режимах и нагрузках 60-70% от максимальной мощности.

7. Периодическая проверка герметичности цилиндропоршневой группы.

8. Движение, по возможности, с постоянной скоростью.

9. Своевременная промывка топливных и воздушных фильтров.

Вывод: однако, на мой взгляд, особого внимания заслуживают методы нейтрализации выхлопов ДВС. В отличие от уже рассмотренных выше приемов уменьшения количества токсичных веществ в отработавших газах методы нейтрализации никак не связаны с изменением конструкций двигателя, усовершенствованием систем питания и зажигания в автомобиле. Суть их заключается в обезвреживании уже образовавшихся токсикантов различными способами.

5. Разработка технологической схемы очистки отработавших газов

5.1 Расчет производительности

Расчет каталитического нейтрализатора сводим к определению необходимого количества каталитических элементов, т.е. определению объема реактора нейтрализатора, и определению количества воздуха, необходимого для окисления продуктов неполного сгорания.

Объем реактора нейтрализатора определяем количеством проходящих через него ОГ двигателя и активностью каталитических элементов, которая определяется объемной скоростью газа, проходящей через катализатор.

Количество выбрасываемых ОГ определяем по формуле:

Qог = Ne · ge · (1-Ь·lo) , м3/ч (5.1)

1000 · гог

где Qог - часовой расход ОГ, м3/ч

Ne - эффективная мощность двигателя, кВт

ge - удельный расход топлива, г/кВт·ч

Ь - коэффициент избытка воздуха

lo - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг дизельного топлива, кг/кг

гог - удельная плотность ОГ, кг/ м3

Мощность двигателя и удельный расход топлива выбираем по внешней скоростной характеристике. В расчет принимаем максимальную мощность двигателя. Коэффициент избытка воздуха соответствующий максимальной мощности двигателя, принимаем равным 2,0…2,5

Для двигателя ЯМЗ-240

Ne - 220 кВт

ge - 267,35 г/кВт·ч

Ь - 2,4

lo - 14,3 кг/кг

гог - 4,55 кг/ м3

Qог = 220·267,35(1-2,4·14,3)

1000·4,55

Следовательно, Qог = 430,72 м3/ч

Объем каталитических элементов (реактора) определяем по формуле:

Vк = Qог· 1000 (5.2)

Wг

Где Vк - объем каталитических элементов (реактора), л

Wг - объемная скорость, час-1

Vк = 430,72 • 1000 , Vк = 4,3072 л

100000

Определив объем каталитических элементов, в дальнейшем выбираем форму реактора и другие конструктивные его элементы в зависимости от принятой конструктивной схемы

Блок - носитель каталитического нейтрализатора изготавливают из керамики сотовой структуры, гофрированной фольги из нержавеющей стали толщиной 0,03 - 0,04 мм или в виде гранул из оксида алюминия, которые укладываются в металлический цилиндр, закрытый по торцам сетками. Чтобы обеспечить необходимый массоперенос между ОГ и каталитической поверхностью, ее площадь увеличивают путем нанесения гамма-оксида алюминия (с пористой структурой), содержащего каталитический материал.

5.2 Расчет удельной площади

Рис.5.1. каталитический нейтрализатор

Объем цилиндра активного элемента равен:

V=рR2*H (5.3)

V=4.3027 л=43072500 мм3.

Sканала в просвете =0,71 мм2,

S со стенкой с нанесенным каталитическим материалом =0,75 м2,

Наиболее подходящий размер носителя катализатора в форме цилиндра (правильного) R=62 м, H-357 м.

Рассчитаем удельную площадь катализатора: Sканала =0,75 мм2,

S поп.сеч.блока=рR2 (5.4)

S=3,14*62*62=12070 мм2,

Рассчитаем количество каналов в сечении блока:

N= S поп.сеч.блока/Sканала (5.5)

N=12070/0,75=16093 шт,

Зная количество каналов и длину блока, не хватает одного значения- длины окружности канала.

Принимая форму канала в виде правильного цилиндра и зная площадь поперечного сечения канала. Длину окружности посчитаем по формуле:

L окр.канала=2рRканала., (5.6)

где Rканала=vS/р ( из S=рR2),

L окр.канала=2рvS/р ,

Подставим численное значение и получаем:

L окр.канала=2*3,14*v0,75/3,14=3,01 мм,

Sповерхности канала=Lокруж.канала*H (5.7)

S=3,01*357=1074,6 мм2,

Sобщ площади пов.каналов=Sповерх.канала*H (5.8)

S=1074,6*16093=172935373,8 мм2=17,2935 м2.

Следовательно, при подборе кожуха (сталь 2 мм) прибавляем толщину уплотнителя и изолирующий материал +20 мм по контуру и по +150 мм с торцов (с учетом длин патрубков).

Присоединительные диаметры патрубков выбираем аналогичные размерам подходящих труб - входной патрубок, крепление к выпускному коллектору, выходной патрубок, крепление к резонатору. Тип соединение - фланцевое.

Рис.5.2. каталитический нейтрализатор

Lнейтрализатор = 657мм

Dнейтрализатор = 168мм

Hреактор = 357мм

Dреактор = 124мм

Lвх = Lвых = 110мм

бстенки = 22мм

5.3 Требования к нейтрализатору

Подбирая катализатор, необходимо знать температуру реакции и продолжительность нахождения газов в реакционной камере, обеспечивающие необходимую степень превращения, а также устойчивость катализатора к высоким температурам, т.е. к воздействию горячих ОГ, потерю активности катализатора, промежуток времени и действие определенных катализаторов и высоких температур, при которых они проявляется, способы восстановления или замены катализатора после неизбежной потери активации.

Катализатор должен обеспечивать достижение максимальной активности по тяжелым СmНn в температурному диапазоне между 250 и 450 оС.

Выдерживать без потери активности кратковременное повышение температуры в пределах 100 и 1000 оС Сохранять активность даже при наличии в ОГ свинца и серы. Исключать даже при полной нагрузке значительных потерь давления и тем самым мощности двигателя (потеря мощности не более 5 %). Иметь малый вес и достаточную механическую прочность, обеспечивающую устойчивость в процессе эксплуатации, обладать сроком службы равным сроку службы двигателя. Стоимость нового катализатора и регенерации старого должна быть не очень высокой. Объемная нагрузка реакционной камеры. Объемная нагрузка реакционной камеры представляет собой продолжительность контакта реагента с катализатором или пространственную скорость. Это значение получают при сопоставлении количества ОГ в час (м3/ч) c объемом катализатора. Чем меньше объемная нагрузка, тем более успешно протекает реакция и тем выше степень превращения.

При окислении СО в присутствии определенного катализатора при 50о в углекислый газ превращалось только 25%, а при 250 оС - уже 95% СО. Примерно такая же степень превращения отмечалась в отношении СmНn только при более высоких температурах, а именно при 200 и 450 оС.

У автомобильного двигателя температура ОГ при различных нагрузках и режимах работы различна. У ДВС с искровым зажиганием она составляет на ХХ в среднем (285315) оС, при половине номинального числа (530-600) оС, а при полной нагрузке от 750 оС до 800 оС. При отказе одной свечи температура может подняться до 1100 оС.

Большинство катализаторов не обладают достаточной устойчивостью при высокой температуре. Их необходимо защищать от перегрева с помощью обводных трубопроводов с регулируемыми заслонками. При запуске необходим возможно более быстрый нагрев катализатора, чтобы низкая степень превращения, имеющая место при низких температурах, сохранилась лишь непродолжительное время. Обводной канал в данном случае не используется. Оснащение системы нейтрализации -зондом обеспечивает существенное улучшение процесса снижения вредных выбросов до уровня перспективных норм. Наиболее перспективным является адсорбционно-каталитический нейтрализатор типа “DENOX”. Подобный тип нейтрализатора обеспечивает эффективную работу как на бедных смесях, так и при <1. При работе на бедных смесях катализатор способствует окислению NO до NO2, адсорбирующейся в виде нитрата. При работе на богатых смесях происходит восстановление с участием продуктов неполного сгорания на восстановительном катализаторе.

5.4 Анализ эффективности нейтрализатора

В целом, проведенные исследования по анализу эффективности изделия свидетельствуют о том, что нейтрализатор, обладает высокой степенью очистки. При применении нейтрализатора с двумя ступенями очистки во время работы двигателя по внешней характеристике были снижены выбросы: оксида углерода в 1,45 раза; оксида азота в 2,05 раза; углеводородов - в 2,24 раза; твёрдых частиц - в 2 раза. Но есть и недостатки - конструктивная сложность, а также необходимость работы двигателя в условиях высокого расхода топлива и большая стоимость самого нейтрализатора.

Если дооборудовать автомобили такими нейтрализаторами, то они будут удовлетворять современным требованиям норм токсичности.

6. Организация и экономика производства

Процесс загрязнения окружающей среды занимает ведущее место среди проблем, которые характеризуют наше общество на современном этапе его развития, данный вопрос неразрывно связан с необходимостью совершенствования законодательства в этой области. Проблема четкой фиксации прав и обязанностей природопользователей в этой связи является весьма актуальной, особенно в части определения видов платежей за негативное воздействие, их размера и порядка уплаты.

Одним из основополагающих принципов законодательства Российской Федерации в области охраны окружающей среды является принцип платности природопользования, в соответствии с которым негативное воздействие на окружающую среду является платным. Статьей 16 Федерального закона от 10.01.2002 N 7-ФЗ 'Об охране окружающей среды' определены виды негативного воздействия на окружающую среду и установлено, что формы платы за негативное воздействие на окружающую среду определяются федеральными законами.

Плата за загрязнение окружающей природной среды (далее плата за загрязнение) взимается с предприятий, учреждений, организаций и других юридических лиц независимо от их организационно-правовых форм и форм собственности, на которой они основаны, включая совместные предприятия с участием иностранных юридических лиц, и граждан, которым предоставлено право ведения производственно-хозяйственной деятельности на территории Российской Федерации (далее природопользователи).

Плата за загрязнение взимается с природопользователей, осуществляющих следующие виды воздействия на окружающую природную среду:

выброс в атмосферу загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников;

сброс загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, а также любое подземное размещение загрязняющих веществ;

Внесение платы за загрязнение не освобождает природопользователей от выполнения мероприятий по охране окружающей природной среды, а также уплаты штрафных санкций за экологические правонарушения и возмещения вреда, причиненного загрязнением окружающей природной среды народному хозяйству, здоровью и имуществу граждан, в соответствии с Законом Российской Федерации 'Об охране окружающей природной среды', а также другим законодательством Российской Федерации.

В случае, когда подразделения и филиалы предприятий, расположенные на отдельных от головных предприятий территориях, не являются юридическими лицами и не имеют расчетных счетов, плату за загрязнение этими подразделениями и филиалами вносят головные предприятия. Платежи поступают в экологические фонды тех территорий, где расположены указанные подразделения и филиалы предприятия.

6.1 Принципы определения базовых нормативов платы за загрязнение окружающей природной среды

За основу при определении базовых нормативов платы за выбросы и сбросы загрязняющих веществ в окружающую природную среду приняты нормативы, утвержденные постановлением Совета Министров РСФСР от 9 января 1991 г. N 13:

нормативы платы за предельно допустимые выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух (приложение N 1 к указанному постановлению);

нормативы платы за предельно допустимые сбросы загрязняющих веществ в водные объекты (приложение N 2 к указанному постановлению).

Базовые нормативные платы за размещение отходов определены исходя из затрат (в ценах 1990 г.) на проектирование и строительство полигонов для обезвреживания, хранения, захоронения промышленных отходов.

В связи с изменением уровня цен на природоохранное строительство и по другим направлениям природоохранной деятельности к нормативам платы за загрязнение окружающей природной среды применяются коэффициенты индексации платы.

Плата за загрязнение представляет собой форму возмещения экономического ущерба от выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую природную среду Российской Федерации, которая возмещает затраты на компенсацию воздействия выбросов и сбросов загрязняющих веществ и стимулирование снижения или поддержание уровня выбросов и сбросов в пределах нормативов, а также затраты на проектирование и строительство природоохранных объектов.

Базовые нормативы платы за выбросы и сбросы конкретных загрязняющих веществ определяются, как произведение удельного экономического ущерба от выбросов и сбросов загрязняющих веществ в пределах допустимых нормативов или лимитов выбросов, сбросов на показатели относительной опасности конкретного загрязняющего вредного вещества для окружающей природной среды и здоровья населения и на коэффициенты индексации платы. Базовые нормативы платы за выбросы и сбросы загрязняющих веществ в окружающую природную среду рассчитаны для наиболее распространенных загрязняющих вредных веществ.

Базовые нормативы платы за размещение отходов определяются как произведение удельных затрат за размещение единицы (массы) отхода IV класса токсичности на показатели, учитывающие классы токсичности отходов, и на коэффициенты индексации платы.

Показатели относительной опасности веществ (А1) рассчитываются на основе нормативных документов 'Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест', 'Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения'.

1

А1 = ------------, (6.1)

ПДК i

где: ПДК i для атмосферного воздуха принимается предельно допустимая концентрация среднесуточная (ПДКсс);

ПДК i для водных объектов принимается предельно допустимая концентрация в воде рыбохозяйственных водоемов (ПДКрх);

i - загрязняющее вещество.

При отсутствии ПДКсс применяется предельно допустимая максимально разовая концентрация (ПДКмр), при отсутствии ПДКсс и ПДКмр применяется ориентировочный безопасный уровень воздействия (ОБУВ).

При отсутствии ПДКрх применяются предельно допустимая концентрация вещества в воде, водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования или ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ).

К базовым нормативам платы за предельно допустимые поступления загрязняющих веществ в окружающую природную среду установлен коэффициент индексации платы равный 5.

Устанавливаются два вида базовых нормативов платы:

- за выбросы, сбросы загрязняющих веществ, другие виды вредного воздействия в пределах допустимых нормативов;

- за выбросы, сбросы загрязняющих веществ, размещение отходов, другие виды вредного воздействия в пределах установленных лимитов (временно согласованных нормативов).

В связи с отсутствием действующих нормативов предельно допустимых объемов размещения отходов, нормативы платы за размещение отходов устанавливаются за объемы размещения в пределах установленных лимитов.

В соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 5 августа 1992 года N 552 'Об утверждении Положения о составе затрат по производству и реализации продукции (работ и услуг), включаемых в себестоимость продукции (работ и услуг), и о порядке формирования финансовых результатов, учитываемых при налогообложении прибыли*/ устанавливаются следующие источники платежей за загрязнение окружающей природной среды:

- платежи в пределах допустимых нормативов выбросов, сбросов загрязняющих веществ, размещения отходов осуществляются за счет себестоимости продукции (работ и услуг);

- платежи за превышение допустимых нормативов выбросов, сбросов загрязняющих веществ, размещения отходов (лимиты или временно согласованные нормативы выбросов, сбросов, размещения отходов, а также превышение лимитов или временно согласованных нормативов выбросов, сбросов, размещения отходов) осуществляются за счет прибыли, остающейся в распоряжении природопользователей.

В себестоимость продукции (работ и услуг) включаются также текущие затраты, связанные с содержанием и эксплуатацией фондов природоохранного назначения, очистных сооружений, золоуловителей, фильтров и других природоохранных объектов, расходы по захоронению экологически опасных отходов, оплате услуг сторонних организаций за прием, хранение и уничтожение экологически опасных отходов, сточных вод, другие виды текущих природоохранных затрат.

6.2 Порядок определения дифференцированных ставок платы за загрязнение окружающей природной среды

Дифференцированные ставки платы за загрязнение определяются умножением базовых нормативов платы, утверждаемых Министерством охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации и согласованных с Министерством экономики Российской Федерации и Министерством финансов Российской Федерации, на коэффициенты, учитывающие экологические факторы по территориям и бассейнам рек.

Коэффициенты экологической ситуации и экологической значимости состояния атмосферного воздуха, почвы и водных объектов на территории Российской Федерации вводятся для учета суммарного воздействия, оказываемого выбросами (сбросами, размещением отходов) загрязняющих веществ на данной территории.

Коэффициенты экологической ситуации и экологической значимости состояния атмосферного воздуха и почвы рассчитаны по данным оценки лаборатории мониторинга природной среды и климата Госкомгидромета СССР и Академии наук СССР **/. В их основу положен показатель степени загрязнения и деградации природной среды на территории экономических районов Российской Федерации в результате присущих этим районам выбросов в атмосферу и образующихся и размещаемых на их территории отходов.

Коэффициенты экологической ситуации и экологической значимости атмосферного воздуха, водных объектов и почвы могут увеличиваться решением органов исполнительной власти республик в составе Российской Федерации, краев и областей, городов Москвы и Санкт-Петербурга, автономных образований:

- для природопользователей, расположенных в зонах экологического бедствия, районах Крайнего Севера и местностях, приравненных к районам Крайнего Севера, на территории национальных парков, особо охраняемых и заповедных территориях, эколого-курортных регионах, а также на территориях, по которым заключены международные конвенции - до 2 раз;

- для природопользователей, осуществляющих выбросы загрязняющих веществ в атмосферу городов и крупных промышленных центров - на 20%.

Территориальные органы Министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации подготавливают и передают показатели по дифференцированным ставкам платы за загрязнение на утверждение органам исполнительной власти.

В соответствии с законодательством органы исполнительной власти республик в составе Российской Федерации, краев, областей, городов Москвы и Санкт-Петербурга, автономных образований рассматривают и утверждают дифференцированные ставки платы за загрязнение по подведомственной территории и бассейнам рек.

При отсутствии утвержденных базовых нормативов платы на загрязняющие вещества дифференцированные ставки платы за загрязнение этими веществами устанавливаются следующим образом:

(1) по загрязняющим веществам, ПДК (ОБУВ) которых определено в соответствующих нормативных документах словом 'отсутствие', нормативы платы устанавливаются на уровне базовых нормативов платы на наиболее опасные загрязняющие вещества и умножаются на коэффициенты, учитывающие экологические факторы;

(2) по загрязняющим веществам, которые имеют ПДК (ОБУВ), но не включены в состав утвержденных базовых нормативов платы, нормативы платы устанавливаются территориальными органами Минприроды России и в соответствии с законодательством утверждаются органами исполнительной власти республик в составе Российской Федерации, краев, областей, городов Москвы и Санкт-Петербурга, автономных образований.

Утвержденные дифференцированные ставки платы за загрязнение и необходимые инструктивно-методические документы доводятся до всех природопользователей, расположенных на подведомственной территории.

6.3 Порядок расчета платы за загрязнение окружающей природной среды

Расчет платежей за загрязнение производится в соответствии с п.п. 3, 4, 5, 6 'Порядка определения платы и ее предельных размеров за загрязнение окружающей природной среды, размещение отходов, другие виды вредного воздействия', утвержденного постановлением Правительства Российской Федерации от 28 августа 1992 г. N 632.

Размер платежей природопользователей определяется как сумма платежей за загрязнение:

- в размерах, не превышающих установленные природопользователю предельно допустимые нормативы выбросов, сбросов загрязняющих веществ;

- в пределах установленных лимитов (выбросов, сбросов, размещения отходов);

- за сверхлимитное загрязнение окружающей природной среды.

Расчет платежей осуществляется в соответствии с приложением N 1.

к Постановлению

Правительства

Российской Федерации

от 12 июня 2003 г. N 344

НОРМАТИВЫ

ПЛАТЫ ЗА ВЫБРОСЫ В АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ

ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПЕРЕДВИЖНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ

(ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА)

(рублей)

_____________________________________________________

Вид топлива Единица Нормативы платы

измерения за 1 единицу

измерения

_____________________________________________________________

Бензин неэтилированный тонна 1,3

Дизельное топливо тонна 2,5

Керосин тонна 2,5

Сжатый природный газ тысяча 1,2

куб. метров

Сжиженный газ тонна 1,2

_____________________________________________________

Плановый годовой размер платежей за загрязнение (с разбивкой по кварталам) определяется природопользователем, утверждается руководителем предприятия и главным бухгалтером и согласовывается с территориальным органом Министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации в установленные им сроки.

6.4 Порядок определения массы загрязняющих веществ, поступающих в окружающую природную среду

Масса выбросов (сбросов) загрязняющих веществ подразделяется на следующие категории:

- предельно допустимые выбросы, сбросы (ПДВ и ПДС);

- временно согласованные выбросы, сбросы (ВСВ и ВСС) или лимиты, устанавливаемые на период достижения ПДВ и ПДС;

- превышение нормативных (при отсутствии утвержденных ВСВ, ВСС или лимитов) или временно согласованных (лимитных) выбросов (сбросов) считается сверхлимитными выбросами (сбросами).

Порядок нормирования выбросов (сбросов) устанавливается в соответствии с 'Инструкцией по нормированию выбросов (сбросов) загрязняющих веществ в атмосферу и в водные объекты', утвержденной в 1989 году, 'Рекомендациями по оформлению и содержанию проекта нормативов предельно допустимых выбросов в атмосферу (ПДВ) для предприятий' выпущенными в 1989 году и 'Методикой расчета предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ в водные объекты со сточными водами', рекомендованной в 1991 году.

Фактическая масса годового выброса (сброса) загрязняющих веществ указывается природопользователем в ежегодной статистической отчетности по формам N 2-тп (воздух) и N 2-тп (водхоз), составленных на основании журналов природоохранной деятельности (ПОД), в которых учитываются результаты работы источников загрязнения атмосферы и водных объектов за год. Фактическая масса годового выброса (сброса) подразделяется:

- на массу нормативных предельно допустимых выбросов (сбросов), рассчитанных на основе 'Проекта ПДВ (ПДС) предприятия' и согласованных с территориальными органами Минприроды России;

- на массу ВСВ и ВСС, разрешенного выброса по отдельным веществам (лимит), установленного территориальным органом Минприроды России природопользователю на период достижения ПДВ или ПДС;

- на сверхлимитную массу.

При определении ежеквартального фактического объема выброса (сброса, размещения отходов), можно использовать следующие варианты:

(1) природопользователи сами определяют фактический выброс (сброс, размещение отходов) за квартал на основе результатов анализов, регистрируемых в журналах учета;

(2) выброс (сброс) за квартал определяется по нормативам ПДВ (ПДС) или лимиту, а по итогам года определяется весь фактический объем выброса (сброса) по данным статотчетности и происходит уточнение объемов выбросов (сбросов) на уровне нормативов ПДВ (ПДС) или лимитов и превышающих эти нормативы;

(3) природопользователи, не имеющие нормативов ПДВ (ПДС) или лимитов, определяют ежеквартальный объем выбросов (сбросов, размещение отходов) делением годовой массы прошлого года на четыре, а по итогам года уточняется фактический объем выбросов (сбросов, размещения отходов).

Для природопользователей, имеющих сезонный характер работы, возможно считать отчетным периодом - сезон года.

Порядок контроля за достоверностью данных о выбросах (сбросах) загрязняющих веществ определяется системой нормативно-методической документации, утверждаемой Минприроды России.

Особенности определения массы загрязнений, поступающих в атмосферу:

- при определении валового выброса учитывается нормативное время работы источников загрязнения атмосферы, соответствующее нормативному времени работы технологического оборудования, имеющего эти источники загрязнения атмосферы;

- при определении фактического выброса в расчетах берется фактическое время работы оборудования за год;

- в случае простоя технологического оборудования, источник загрязнения атмосферы может считаться отсутствующим при наличии официальных документов, удостоверяющих простой;

- разрешенный залповый выброс, обусловленный современным состоянием технологии производства, суммируется с массой вещества, поступившего в атмосферу в остальное отчетное время; природопользователи принимают особые меры по переходу на технологию, исключающую залповый выброс;

- масса аварийных выбросов, включенная в государственную отчетность (форма N 2-тп-воздух) при определении платы по итогам года не учитывается;

- если в выбросах содержатся вещества, трансформирующиеся в атмосфере воздуха в более токсичные (например, переход NO в NO2), или разлагающиеся на более токсичные (например, некоторые соединения ртути), то расчет ведется по более токсичным веществам с уменьшением их количества по коэффициенту трансформации. Если этот коэффициент неизвестен, то на время до его выяснения условно принимается полное превращение вещества выброса в более токсичное.

Расчет массы выбросов от передвижных источников производится в соответствии с утвержденными Минэкологии России методиками:

- для автотранспортных средств:

- методика определения выбросов загрязняющих веществ автотранспортными средствами в атмосферный воздух. М., 1992, НИИАТ, НИИКТП, НИЦИАМТ;

- методика проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для автотранспортных предприятий (расчетным методом). М., 1991, НИИАТ;

6.5 Порядок понижения размеров платы за загрязнение окружающей природной среды или освобождения от нее отдельных природопользователей

Понижение или освобождение от платы за загрязнение может производиться по инициативе администрации республик в составе Российской Федерации, краев, областей, городов Москвы и Санкт-Петербурга, автономных образований или обращению природопользователей.

Природопользователи обращаются в территориальные органы Министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации с предложениями по понижению размеров платы за загрязнение окружающей природной среды или частичному освобождению от нее, с необходимыми обоснованиями и расчетами.

Территориальные органы Министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации рассматривают предложения, обоснования и расчеты, которые подготовлены природопользователями. При решении вопроса об освобождении от платы за загрязнение или частичном понижении ее размеров следует руководствоваться условием соблюдения природопользователем установленных ему допустимых нормативных показателей выбросов и сбросов загрязняющих веществ, лимитов размещения отходов. Предложения в соответствии с законодательством утверждаются органами исполнительной власти республик в составе Российской Федерации, краев, областей, городов Москвы и Санкт-Петербурга, автономных образований.

От оплаты за загрязнение окружающей природной среды (или частичному понижению платы) могут освобождаться природопользователи, осуществляющие деятельность в социальной и культурных сферах, а также природопользователи, финансируемые из республиканского бюджета Российской Федерации, республиканских бюджетов республик в составе Российской Федерации, бюджетов национально-государственных и административнотерриториальных образований Российской Федерации.

Природопользователи, осуществляющие выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, связанные с производством тепла и электрической энергии для нужд населения, могут освобождаться от платы за объемы выбросов, вызванные выработкой тепловой и электрической энергии для нужд населения.

В случаях выбросов, сбросов загрязняющих веществ, размещения отходов сверх установленных допустимых нормативов, отсутствия оформленного в надлежащем порядке разрешения на выброс, сброс загрязняющих веществ, размещение отходов; невыполнения мероприятий в сроки, согласованные с территориальными органами Министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации, плата за загрязнение окружающей природной среды взимается с природопользователей в соответствии с настоящей инструкцией на общих основаниях.

6.6 Расчет платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от передвижных источников

Плата за загрязнение атмосферного воздуха для передвижных источников подразделяется на:

- плату за допустимые выбросы;

- плату за выбросы, превышающие допустимые.

Удельная плата за допустимые выбросы загрязняющих веществ от передвижных источников, образующихся при использовании 1 тонны различных видов топлива, определяется по формуле:

n

Ye = Нбнi атм . Mi транс (6.2)

i=1

где:

Ye - удельная плата за допустимые выбросы загрязняющих веществ, образующихся при использовании 1 тонны e-го вида топлива (руб.);

i - вид загрязняющего вещества (i = 1, 2, .... п);

e - вид топлива;

Нбнi атм - базовый норматив платы за выброс 1 тонны i-го загрязняющего вещества в размерах, не превышающих предельно допустимые нормативы выбросов (руб);

Mi транс - масса i-го загрязняющего вещества, содержащегося в отработавших газах технически исправного транспортного средства, отвечающего действующим стандартам и техническим условиям завода изготовителя, при использовании 1 тонны e-го вида топлива (по данным НИАТа Минтранса России).

В качестве основных нормируемых загрязняющих веществ для передвижных источников рассматриваются: оксиды углерода и азота, углеводороды, сажа, соединения свинца, диоксид серы.

Удельная плата для различных видов топлива составляет (руб/т или руб./ тыс.куб.м.):

Бензин этилированный АИ 93 38.0

А 76, 72 25.0

Бензин неэтилированный АИ 93 10.0

А 76, 72 11.0

Дизельное топливо 21.0

Сжатый природный газ 9.0

Сжиженный газ 11.0

Плата за допустимые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от передвижных источников определяется по формуле:

n

Пн транс = Ye .Те (6.3)

e=1

где:

Пн транс - плата за допустимые выбросы загрязняющих веществ

в атмосферу от передвижных источников (руб.);

e - вид топлива (е = 1, 2 ..... r);

Ye - удельная плата за допустимые выбросы загрязняющих веществ, образующихся при использовании 1 тонны e-го вида топлива (руб.);

Те - количество e-го вида топлива, израсходованного передвижным источником за отчетный период (т);

При отсутствии данных о количестве израсходованного топлива плата за выбросы загрязняющих веществ от передвижных источников определяется по типам транспортных средств, из расчета ожидаемых условий и места их эксплуатации (среднегодовой пробег, расход топлива или количество моточасов работы на уровне 85%-ой обеспеченности, топливо с наиболее экологически неблагоприятными характеристиками и т.д.).

Годовая плата за транспортное средство и другие передвижные источники составляет (в тыс. руб/год за 1 транспортное средство):

1. Легковой автомобиль 2.7

2. Грузовой автомобиль и автобус с бензиновым ДВС 4.0

3. Автомобили, работающие на газовом топливе 1.4

4. Грузовой автомобиль и автобус с дизельными ДВС 2.5

5. Строительно-дорожные машины и с/х техника 0.5

6. Пассажирский тепловоз 16.2

7. Грузовой тепловоз 21.4

8. Маневровый тепловоз 2.5

9. Пассажирское судно 15.0

10. Грузовое судно 20.0

11. Вспомогательный флот 6.0

Плата за превышение допустимых выбросов загрязняющих веществ от передвижных источников определяется по формуле:

n

Псн транс = Пнj . dj (6.4.),

j=1

где:

Псн транс - плата за превышение допустимых выбросов загрязняющих

веществ от передвижных источников (руб);

j - тип транспортного средства (j - 1, 2 .... p);

Пнj - плата за допустимые выбросы загрязняющих веществ

от j-го типа транспортного средства (руб);

dj - доля транспортных средств j-го типа не соответствующих

стандартам. Определяется как соотношение количества

транспортных средств, не соответствующих требованиям стандартов, к общему количеству проверенных транспортных средств.

Плата за превышение допустимых выбросов начисляется территориальными органами Минприроды России по результатам контроля соответствия транспортных средств требованиям стандартов, регламентирующих содержание загрязняющих веществ в отработавших газах в условиях эксплуатации.

Контроль соответствия транспортных средств требованиям стандартов, регламентирующих содержание загрязняющих веществ в отработавших газах, осуществляется органами Минприроды России, Российской транспортной инспекции, Госавтоинспекции, а также специальными организациями, имеющими разрешение на проведение данного вида работ.

Данные о результатах ежеквартальных проверок предоставляются в территориальные органы Минприроды России.

Количество транспортных средств (ТС), подвергаемых контролю в выборке (раздельно по видам топлива) должно составлять не менее:

100 % - для предприятий с числом ТС до 20 единиц;

50 % - для предприятий с числом ТС до 50 единиц;

30 % - для предприятий с числом ТС до 100 единиц;

20 % - для предприятий с числом ТС до 500 единиц;

10 % - для предприятий с числом ТС свыше 500 единиц.

Если в результате проверки, доля транспортных средств, не соответствующих нормативным требованиям, составляет более 90 % или менее 10 %, то для повышения достоверности результатов выборку рекомендуется увеличивать вдвое.

При соблюдении указанных размеров выборки, доля выявленных ТС, не соответствующих нормативным требованиям, распространяется на всю численность ТС предприятия, находящихся в эксплуатации.

Для определения доли ТС, не соответствующих нормативам, не могут приниматься результаты проверок, проведенных в предыдущие годы.

При наличии достоверных сведений о массе выбросов загрязняющих веществ от конкретных видов передвижных источников территориальные органы Минприроды России могут определять плату за допустимое загрязнение атмосферного воздуха передвижными источниками с учетом этих данных.

Общая плата за выбросы загрязняющих веществ от передвижных источников определяется по формуле:

П трнас = (Пн транс + Псн транс). Кэ атм (6.5.),

где: Кэ атм - коэффициент экологической ситуации и экологической значимости атмосферы в данном регионе;

При использовании для обезвреживания отработавших газов двигателя передвижного источника устройств нейтрализации к платежам применяются понижающие коэффициенты:

для автотранспорта, использующего неэтилированный бензин и газовое топливо - 0,05;

для остальных транспортных средств - 0,1.

При проведении других мероприятий (комплексов мероприятий) по снижению токсичности отработавших газов величина платы за выброс уменьшается в количество раз, соответствующее подтвержденной эффективности данного мероприятия.

Применение каталитического нейтрализатора в авто-транспорте, работающем в условиях городского движения, позволяет уменьшить эмиссию

СНх на 50%

СО на 30%

NОx на 10%

Таблица 6.1

Среднесуточный валовый выброс вредных веществ т/сутки

Базовый вариант

Определим годовой объем выброс вещества

СО

471,5•365 = 172097,5 тонн в год, ставка нормативной платы за выброс 1 тонны СО составляет 3 р.следовательно величина платы за СО составит

172097,5•3 = 516292,5 р.

СН

50,3•365 = 18359,5 тонн в год, ставка нормативной платы за выброс 1 тонны СН составляет 6 р.следовательно величина платы за СН составит

18359,5•6 = 110157 р.

NOx

109,3•365 = 39894,5 тонн в год, ставка нормативной платы за выброс 1 тонны NOx составляет 17,5 р.следовательно величина платы за NOx составит

39894,5•17,5 = 698153,75 р.

Сажа

4,8•365 = 1752 тонн в год, ставка нормативной платы за выброс 1 тонны сажи составляет 205 р.следовательно величина платы за сажу составит

1752•205 = 359160 р.

Проектируемый вариант

При степени очистки СО СН NO и сажи соответственно 30% 50% 10% и 90%, годовой объем выброса вещества составит:

СО

471,5•70/100 = 330,05•365 = 120468,25 тонн в год, следовательно плата за выброс составит 120468,25•3 = 361404,75 р.

СН

50,3•50/100 = 25,15•365 = 9179,75 тонн в год, следовательно плата за выброс составит 9179,75•6 = 55078,5

NOx

109,3•90/100 = 98,37•365 = 35905,05 тонн в год, следовательно плата за выброс составит 35905,05•17,5 = 628338,375

Сажа

4,8•10/100 = 0,48•365 = 175,2 в год, следовательно плата за выброс составит 175,2•205 = 3591,6

Итог: разница от платы за сокращение выброса путем применения каталитического нейтрализатора составляет по

СО 516292,5 - 361404,75 = 154887,75 р.

СН 110157 - 55078,5 = 55078,5 р.

NO 698153,75 - 628338,375 = 69815 р.

Таблица 6.2

7. Безопасность жизнедеятельности при изготовлении каталитического нейтрализатора

При выполнении сварки на работающих могут воздействовать вредные и опасные производственные факторы. К производственным факторам относятся повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны; ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение сварочной дуги, а также инфракрасное излучение сварочной ванны и свариваемых изделий; электромагнитные поля; ионизирующие излучения; шум; ультразвук; статическая нагрузка на руку.

При сварке, в зону дыхания работающих могут поступать сварочные аэрозоли, содержащие в составе твердой фазы окислы различных металлов (марганца, хрома, никеля, меди, титана, алюминия, железа, вольфрама и др.), их окислы и другие соединения, а также токсичные газы (окись углерода, озон, фтористый водород, окислы азота в др.), Количество и состав сварочных аэрозолей, их токсичность зависят от химического состава сварочных материалов и свариваемых металлов, вида технологического процесса. Воздействие на организм выделяющихся вредных веществ может явиться причиной острых я хронических профессиональных заболеваний и отравлений.

Интенсивность излучения сварочной дуги в оптическом диапазоне и его спектр зависят от мощности дуги, применяемых материалов, защитных и плазмообразующих газов. При отсутствии защиты возможны - поражения органов зрения (электроофтальмия, катаракта и т. п.) и ожоги кожных покровов. Отрицательное воздействие на здоровье Может оказать инфракрасное излучение предварительно подогретых изделий, нагревательных устройств (нарушение терморегуляции, тепловые удары).

При контактной сварке работающие могут подвергаться воздействию переменных магнитных полей, а при высокочастотной сварке - электромагнитных полей. При работе электронно-лучевых установок, Проведении гамма - и рентгеновского просвечивания сварных швов, Использовании торированных вольфрамовых электродов возможно воздействие на работающих ионизирующих излучений.

Источниками повышенного шума являются плазмотроны, пневмоприводы, генераторы, вакуумные насосы и т д., а ультразвука ультразвуковые генераторы, рабочие органы установок и т. д.

При ручных и полуавтоматических методах сварки, резки, наплавки и пайки имеет место статическая нагрузка на руки, в результате чего могут возникнуть заболевания нервно-мышечного аппарата плечевого пояса.

К опасным производственным факторам относятся воздействие электрического тока, искры брызги, выбросы расплавленного металла и шлака; возможность взрыва баллонов и систем, находящихся под давлением; движущиеся механизмы и изделия

Неправильная эксплуатация электрооборудования может привести к поражению электрическим током. Применение открытого газового пламени, открытых дуг и струй плазмы, наличие искр, брызг и выбросов расплавленного металла и шлака при сварке и резке не только создают возможность ожогов, но и повышают опасность возникновения пожара. Опасность создают использование при сварке в резке горючих газов в кислорода, а также эксплуатация сосудов, работающих под давлением, не равным атмосферному.

При выполнении сварочных работ на высоте и отсутствии соответствующих предохранительных средств и ограждений возможно радение работающих. Движущиеся машины, механизмы изделия при отсутствии защитных устройств могут привести к травмированию работающих.

Требования к технологическим процессам

Технологический процесс и применяемое оборудование должны удовлетворять требованиям ГОСТ 12.3.002-75 (СТ СЭВ 1728-79), ГОСТ 12.2.003-74, ГОСТ (СТ СЭВ 1085 - 78); ГОСТ 12.2.007.8 - 75; ГОСТ 12.3.003-75; ГОСТ 12.2.049-80, а также санитарным правилам.

При выборе технологического процесса предпочтение следует отдавать тому, при котором будет обеспечена большая безопасность труда. Необходимо использовать флюсы, электрода и проволоку защитные газы, свариваемые материалы, которые выделяют вредные вещества в ограниченном количестве. Не допускается использование сварочных материалов, не прошедших гигиеническую оценку.

При проведении электросварочных работ в условии низких температур воздуха (ниже -20°С должно быть обеспечено выполнение требований СНиП III-4-80.

При ручной дуговой сварке электрододержатели должны соответствовать требованиям ГОСТ 14651-78*Е. Сварочные токоведущие кабели и шланги, подводящие защитный газ, должны быть защищены от механических повреждений. Источники постоянного тока должны иметь напряжение холостого хода не выше 65 В, а рабочее напряжение, подводимое от сварочного трансформатора к свариваемому изделию при переменном токе, не должно превышать 70 В. Постоянные рабочие места при питании от многопостовых источников должны быть оборудованы щитками с сигнальной лампой, указывающей сварщику на наличие или отсутствие напряжения В сварочной цепи.

К сварочным и наплавочным работам в замкнутых емкостях, проводимым по специальному разрешению администрация предприятия, допускаются лица только мужского пола не моложе 20 лет с квалификационной группой по технике безопасности не ниже II и не имеющие медицинских противопоказаний. Сварщик должен проводить работы под контролем наблюдающего, находящегося снаружи емкости. Проводить работы внутри емкости при наличия в них ядовитых, газо-пожаро- и взрывоопасных веществ без соблюдения соответствующих мер безопасности запрещается. Каждая емкость перед началом работы должна быть провентилирована (не менее чем пятикратной сменой воздуха). Во время работы должно осуществляться удаление воздуха из зоны сварки или подача чистого воздуха под маску сварщика

Емкости должны быть заземлены, а электрододержатель сблокирован с ограничителем напряжения холостого хода источника тока. Для изоляции от свариваемого металла должны использоваться диэлектрические маты и коврики, шлемы и рукавицы из диэлектрического материала.

Внутренние поверхности емкостей должны иметь температуру не выше 35С. При более высоких температурах необходимо использовать теплоизолирующие коврики, щиты, СИЗ. Работа внутри емкостей при температуре воздух выше 40 С должна проводиться с применением специальных мер защиты и СИЗ органов дыхания. Помимо СИЗ, сварщики, работающие внутри емкостей, должны быть обеспечены спасательным снаряжением.

Требования к производственным помещениям

Производственные помещения для сборочно-сварочных работ должны соответствовать требованиям СНиП II-90-81, СН 245-71, а также санитарных правил.

Объем производственного помещения на одного работающего 7 должен быть не менее 15 м3, а площадь - не менее 4,5 м2, исключая площадь, занимаемую оборудованием и проходами.

Участки работ со значительным образованием вредных веществ, как правило, следует размещать в одноэтажных зданиях у наружных стен с подветренной стороны. Если такие участки расположены в многоэтажных зданиях, необходимо исключить распространение вредных веществ между этажами.

Для уменьшения вредного влияния яркости сварочной дуги и снижения контраста между дугой и окружающими предметами интерьер помещений, оборудование цехов и участков электродуговых методов сварки нужно окрашивать в светлые тона (серый, желтый, голубой) с диффузным отражением света, применяя цинковые и титановые белила и желтый крон для поглощения ультрафиолетового излучения.

Ворот и проемы, через которые провозят длинномерные заготовки И сварные изделия и которые открывают не менее чем на 40 мин в смену, должны быть оборудованы воздушными или воздушно-тепловыми завесами, исключающими поступление холодного воздуха в помещение.

Полы в помещениях должны быть выполнены из негорючих материалов и удовлетворять гигиеническим, технологическим и эксплуатационным требованиям каждого конкретного производства в соответствия с требованиями СНиП II-В-8-71.

Места выполнения электросварочных работ открытой дугой должны быть ограждены несгораемыми ширмами и щитами. Изделия малых к средних размеров следует, сваривать в специальных кабинах с обшивкой из несгораемых материалов, причем между обшивкой и иолом необходимо оставлять зазор не менее 50 мм, а в защитных газах - не менее 300 мм. Свободная площадь на один сварочный пост в кабине не должна быть менее 3 м2

Требования пожаро-врывобезопасности

Сварочные и другие огневые работы должны проводиться в соответствии со СНиП II-90-81, СНиП II-2-80, с Типовыми правилами пожарной безопасности для промышленных предприятий.

Категории производств по взрывной, пожаровзрывной и пожарной опасности следует принимать по специальным ведомственным перечням, утвержденным министерствами в установленном порядке.

Цехи и участки, где ведутся работы по электродуговой сварке, Кислородно-ацетиленовой резке металлов, относятся к категории Г производств по пожарной и взрывной опасности. Количество огнетушителей и других первичных средств пожаротушения для таких цехов и участков должно выбираться в соответствии с указанными выше Типовыми правилами.

Помещения, в которых выполняются газовая сварка и резка металлов, должны быть построены из элементов конструкций по IV категория противопожарной безопасности (противопожарная стойкость не менее 2 ч).

Места, отведенные для проведения сварочных работ, установки оборудования должны быть очищены от легковоспламеняющихся материалов в радиусе не менее 5 м. Сварочные работы вне производственного помещения могут производиться только по согласованию с заводской пожарной охраной.

Запрещается производить сварку свежеокрашенных конструкций до полного высыхания краски, сосудов, аппаратов, трубопроводов коммуникаций, находящихся под напряжением, избыточным давлением, заполненных горючими и токсичными материалами.

Вблизи хранилища карбида кальция должны быть размещены средства пожаротушения (сухой песок, углекислотные огнетушители, тетрахлорные или порошковые огнетушители). В местах хранения карбида кальция должны быть вывешены хорошо видимые плакаты следующего содержания: «Не использовать воду для тушения пожара», «Для открытия барабанов использовать неискрящиеся инструменты» и т. д.

Вентиляция

Для снижения концентрации вредных веществ на рабочих местах до предельно допустимой концентрации необходимо прежде всего применять местные отсосы при полуавтоматической и автоматической в защитных газах плавящимся электродом, порошковой проволокой и под флюсом

Ручная сварка покрытыми электродами. На стационарных сварочных постах используют вытяжные устройства в виде боковых панелей, обеспечивающих отклонение факела вредных выделений от лица сварщика.

Для ручной в полуавтоматической сварки мелких изделий применяют сварочные столы со встроенными отсосами, выпускаемые в двух вариантах: со встроенным вентиляционным агрегатом и для присоединения к цеховой системе местной вытяжной вентиляции. Столы ССН-1 и ССН-3 оборудованы радиальными вентиляторами ЦЧ-70 № 2 1/2 (L= 1500 м3/ч) и присоединяются к воздуховодам для выброса загрязненного воздуха в атмосферу за пределы помещения, а стол ССН-2 подсоединяется к цеховой системе вентиляции. В столах новой конструкции С100.20 и С100.21, С100.40 и С100.41 размеры рабочих решеток составляют соответственно 800 x 800 мм и 1250 х 800 мм, а встроенный вентилятор Ц14-46 № 2 обеспечивает удаление воздуха с расходом 2000 и 2700 м3/ч.

Расчет расхода воздуха (м3/ч), подаваемого в помещение системой общеобменной вентиляции

Расход воздуха, (м3/ч) подаваемого в помещение системой общеобменной вентиляции находим по формуле:

Lпр = Lм + Z - Lм (Ср.з. - Спр) (6.1)

Суд - Спр

Где Lм - расход воздуха, удаляемого из рабочей зоны системой местной вентиляции, м3/ч;

Z - количество вредных веществ, поступающих в помещение, мг/ч;

Ср.з, Спр, Суд - концентрации вредных веществ соответственно в воздухе рабочей зоны, в приточном и удаляемом воздухе, мг/м3

Z = 1000m Zв (6.2)

Где m - масса расходуемого сварочного материала или газа кг/ч

Zв - удельные выделения вредных веществ на 1 кг сварочного материала или газа г/кг,

При использовании 1 кг электродов с рутиловым покрытием типа НИАТ - 1

Z = 1000*1*0,4

Z = 400 мг/ч

При ручной дуговой сварке коррозионностойкой жаропрочной и жаростойкой стали вышеуказанными электродами в рабочую зону сварщика выделяется Хромовый ангидрид

Предельно допустимая концентрация хромового ангидрида в воздухе рабочей зоны составляет 0,01 мг/м3

Концентрация Ср.з = ПДК, а Спр = 0,3ПДК, Суд = Ср.з, соответственно

Ср.з = 0,01 мг/м3

Спр = 0,3*0,01 = 0,003 мг/м3

Суд = 0,01 мг/м3

Следовательно

Lпр = 1500+ 400 - 1500(0,01 - 0,003)

0,01 - 0,003

Lпр = 57142,8 м3/ч

Защита от поражения электрическим током

Источники сварочного тока могут присоединяться к распределительным электрическим сетям напряжением не выше 660 В.

Корпус любой электросварочной установки необходимо заземлять. Последовательное включение в заземляющий проводник нескольких аппаратов запрещается.

Отдельные элементы сварочной цепи, а также отрезки сварочных кабелей при наращивании длины должны быть соединены разъемными соединительными муфтами. Запрещается соединять сварочные цепи скрутками с оголенным кабелем. Токоведущие кабели сварочной цепи должны быть по всей длине изолированы в защищены от механических повреждений.

В качестве обратного провода, соединяющего свариваемые изделия с источниками сварочного тока, могут служить гибкие, а также металлические шины достаточного сечения, сварочные штаты и сама свариваемая конструкция. Использование в качестве Обратного провода сети заземления металлических строительных конструкций здания, коммуникаций и несварочного технологического оборудования запрещается. Соединение между собой отдельных элементов, используемых в качестве обратного провода, должно выполняться тщательно (сваркой или зажимом струбциной). При сварке круговых швов допускается соединение обратного провода со сварным изделием вря помощи скользящего контакта.

Зажим вторичной обмотка трансформатора, к которому подключается обратный провод, а также аналогичные зажимы у сварочных выпрямителей и генераторов, у которых обмотки возбуждения подключаются к распределительной электрической сети без разделительного трансформатора, следует заземлять.

Если установка имеет несколько пультов управления, обслуживание которых с одного рабочего места невозможно, то каждый пульт должен быть оснащен аппаратом ручного аварийного отключения. На установках или автоматических линиях с большим фронтом обслуживания кнопки аварийного отключения должны располагаться друг от друга на расстоянии не более 10 м. Используемые в таких случаях кнопки управления должны иметь защелки, обеспечивающие только принудительное возвращение контактов в первоначальное состояние.

Если для обеспечения безопасности работающих требуется управление установкой одновременно двумя руками, то система управления должна обеспечить двуручное включение, допускающее возможность пуска установки только при одновременном включении пусковых кнопок (рукояток), которые должны располагаться на расстоянии 300--600 мм друг от друга. В особо ответственных случаях для двуручного включения должна быть предусмотрена противозаклинивающая схема, исключающая возможность работы на установке, когда одна из кнопок (рукояток) включения заклинена

Схема присоединения нескольких источников сварочного тока при работе на одну сварочную дугу должна исключать возможность получения между изделием и электродом напряжения, превышающего наибольшее напряжение холостого хода одного из источников сварочного тока.

Сварочные установки должны быть защищены предохранителями или автоматами со стороны питающей сети Многопостовые сварочные агрегаты кроме защиты со стороны питающей сети должны иметь отключающий автомат в общем проводе сварочной цепи и предохранители на каждом проводе в сварочном посту.

Все электросварочные установки с источниками переменного и постоянного токи при сварке в особо опасных условиях (сварка внутри металлических емкостей, колодцев, отсеков, на понтонах и т. д.) должны быть оснащены устройствами автоматического отключения холостого хода или ограничения его напряжения до 12 В не позже чем через 1 с после размыкания сварочной цепи. Ограничитель, выполненный в виде отдельной приставки, должен быть заземлен отдельным проводником.

Закрытые пространства резервуаров, котлов, металлических емкостей, отсеков и т. д. при выполнении работ по сварке, наплавке и резке должны освещаться светильниками с напряжением не выше 42 В, установленными снаружи свариваемого изделия, или ручными переносными светильниками закрытого исполнения с напряжением не более 12 В. Трансформатор для переносных светильников нужно устанавливать вне свариваемого изделия, а его вторичную обмотку -- заземлить.

Применение автотрансформаторов для понижения напряжения питания светильников запрещается.

Электросварочный инструмент (электрододержатели, электрогорелки, электрорезки) не должны иметь открытых токоведущих частей, а рукоятки их необходимо изготовлять из токоизолирующих материалов.

Запрещается оставлять на рабочем месте электросварочный инструмент, находящийся под напряжением. Передвижные электросварочные установки во время их передвижения необходимо отключать от сети.

Присоединение и отсоединение от сети электросварочных установок, переключение сварочного тока рукоятками, расположенными внутри установки за дверцей, не имеющей блокировки, а также наблюдение за исправным состоянием установок в процессе эксплуатации должно производиться электротехническим персоналом.

Весь персонал, обслуживающий электросварочные установки, должен периодически проходить инструктаж об опасности электрического тока и способах оказания первой помощи.

Охрана окружающей среды

В соответствии со СНиП II - 33 - 75 допустимое содержание пыли в воздухе, выбрасываемом в атмосферу (мг/м3), определяем по формуле

С = (160 - 4х10-3L)К, (6.3)

где L - расход удаляемого воздуха, м3/ч;

К - коэффициент, равный 0,6.

Зная расход сварочных материалов, удельное выделение пыли и коэффициент одновременности работы сварщиков, равный 0,8, подсчитываем максимальную концентрацию сварочного аэрозоля в выбрасываемом воздухе:

Св = 0,8Z/L, (6.4)

где Z - количество выделяющегося аэрозоля, мг/ч, от сварочных установок, обслуживаемых данной системой вытяжной вентиляции производительностью L.

Если Св > С, то воздух должен подвергаться очистке.

С = (160 - 4х10-3 х 1500) 0,6

С = 159,4 х 0,6 = 95,64 мг/м3

Св = 0,8 х 400

1500

Св = 0,21 мг/м3

Следовательно, воздух должен подвергаться очистке. Для очистки вентиляционных выбросов от сварочного аэрозоли могут быть использованы пластинчатые электрофильтры, обеспечивающие эффективность очистки около 0,95. Такими фильтрами целесообразно оборудовать крупные вентиляционные установки, к которым должны подключаться небольшие системы местной вытяжной вентиляции. При этом необходимо обеспечить очистку фильтров от осаждаемой сварочной пыли.

Заключение

Тема моей дипломной работы посвящена изучению негативного воздействия автотранспорта на окружающую среду.

В работе произведен обзор законодательной и нормативной базы, из которой видно, что с введением весной 2006 г норм Евро II Россия отстает от Запада как минимум на десять лет, в то время как в Европе нормы Евро II введены еще в 1996 году, а с нынешнего действуют Евро IV, при том, что ряд моделей уже рассчитан под требования Евро V.

Представлена методика предотвращения и снижения токсичности выброса двигателя внутреннего сгорания автомобиля, которые отрицательно сказываются на здоровье человека и на степень загрязнения окружающей среды.

Разработаны конкретные схемы очистки ОГ на основе нейтрализатора, при использовании двигателя отечественного производства ЯМЗ-240.

Произведены расчеты основных параметров трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, который обеспечивает выполнение самых жестких норм на выбросы окиси углерода и углеводородов.

Разработаны мероприятия безопасныхи безвредных условий труда при изготовлении выпускных деталей разработанного нейтрализатора.

В результате был показан экономический эффект от снижения платы за выбросы вредных веществ от двигателя внутреннего сгорания автотранспортных средств в воздушную атмосферу.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р 41.83-2004 (Правила ЕЭК ООН N 83) Единообразные предписания, касающиеся сертификации транспортных средств в отношении выбросов вредных веществ в зависимости от топлива, необходимого для двигателей

2. ГОСТ Р 41.49-2003 (Правила ЕЭК ООН N 49) Единообразные предписания, касающиеся сертификации двигателей с воспламенением от сжатия и двигателей, работающих на природном газе, а также двигателей с принудительным зажиганием, работающих на сжиженном...

3. Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.1338-03'Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест'

4. Постановление Правительства РФ от 12 июня 2003 г. N 344

«О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, размещение отходов производства и потребления»

5. Леонид Голованов. «Дышать! Лучше поздно, чем никогда». «Авторевю» №1, 1998

6. Алексей Воробьев-Обухов. «Освежить дыхание». «За рулем» №12, 2000

7. Юрий Дацик. «Дизельный лямбда-зонд». «Автоцентр» №47, 2002

8. Алексей Воробьев-Обухов. «Задержать и уничтожить». «За рулем» № 12, 2003

9. Юрий Гоголев. «Будут сверхчистые Mercedes». «Автоцентр» №6, 2004

10. Алексей Воробьев-Обухов, Витольд Стрелков. «Плазматрон-нейтрализатор». «За рулем» №3, 2001

11. Владимир Корницкий. «Катализаторы с обратной связью». «Автоцентр» №49, 2002

12. Алексей Воробьев-Обухов. «Датчик кислорода на дизеле». «За рулем» №9, 2002

13. Юрий Макаров. «Нейтрализатор или наше будущее?». «За рулем» №7, 1997

14. Михаил Гзовский. «Твердый курс ЕВРО». «За рулем» №5, 2002

15. Игорь Мельников. «Не пора ли очиститься?» «Автопрофи» №23, 2003

16. Оксана Сердюк. «Экология и автомобилестроение». «Автостандарт» №4, 2004

17. Николай Казаков, Ирина Масленникова. «Экологическая безопасность транспорта». «Автобизнесмаркет» №14, 2004

18. 16. Жегалин О.И., Патрахальцев Н.Н. и др. Каталитические нейтрализаторы транспортных двигателей.-М.: Машиностроение, 1989.-80 с.

19. 17. Малов Р.В., Ерохов В.И. и др. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды. -М.:Транспорт,-1992. -200 с.

20. А.Б.Левин; Е.Б.Петров «Охрана природы» Москва-1995г МИИСП.

21. А.Г.Банников; А.К.Рустамов; А.А.Вакулин «Охрана природы» Москва Агропромиздат 1995г.

22. http://www.dist-cons.ru/modules/Ecology/chap10.html#1

23. http://abs.msk.ru/01.2006.htm

24. «Освежить дыхание» Материал - статья журнала 'За рулём' № 12.2000

25. «Нейтрализатор-и наше будущее?» Материал - статья журнала 'За рулём' № 07.1997

26. Инженерная экология: Учебник / Под ред. Проф. В.Т. Медведева. - М.:Гардарики, 2002. - 687с.: ил.

27. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.376с.

28. К.т.н. Лупачев П.Д. Володин В.М. Маев В. Е. Конькова Р.Г. Снижение выбросов сажи с отработавшими газами тракторных дизелей «ЦНИИТЭИавтосельхозмаш» Москва 1992 г. 28с.

29. Тыричев А.Г. Снижение шумности и токсичности транспортных дизелей. Аналитический обзор. Всероссийский научно-технический информационный центр. Москва 1999г.

30. Амбарцумян В.В. Носов В.Б. Тагасов В.И. Экологическая безопасность автомобильного транспорта. - М.: ООО «Научтехлитиздат»,1999г.

31. Аксенов И.Я. Аксенов В.И. Транспорт и охрана окружающей среды. - М.: Транспорт, 1988г. - 176с.

32. Луканин В.Н. Буслаев А.П. Трофименко Ю.В. Автотранспортные потоки и окружающая среда: Учебное пособие для ВУЗов. М.:ИНФРА-М, 1998 - 408с.

33. Валова В.Д. Основы экологии: Учебное пособие. -- 2-е изд., перераб. и доп. М.: Издательский Дом «Дашков и К •», 2001.

34. Куров Б.М. Как уменьшить загрязнение окружающей среды автотранспортом? // Россия в окружающем мире. - Аналитический ежегодник. 2000 г.

35. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология.Человек -- Экономика -- Биота -- Среда: Учебник для вузов. -- 2-е изд., перераб. и доп. -- М.: ЮНИТИ-ДАНА. 2000-- 30с.

36. Тверетнев М. Чтобы дизель не дымил // Автомобильный транспорт, 1997. № 12.С.26-27

37. Ермолович И.В., Фомин В.М., Салахеддин Муса. Комплексная очистка ОГ дизеля // Тракторы и сельхозмашины, 1997.№4. С.15-16.

38. Вардамов В.Н. Способы улучшения экологии автомобиля // Машиностроитель, 1997.№4. С.45-48.

39. Новиков Л.А. Технологии снижения вредных выбросов тепловозов // Двигателестроение, 1997.№1-2. С.50-52.

40. Перспективы разработки автомобильных топлив с улучшенными экологическими свойствами; А.А. Гуреев М., 1990 г..