Методика оценки токсичности двигателей

Из статьи Леончук Якова Сергеевича "Анализ методов очистки газовых выбросов двигателями внутренннего сгорания"

     Оценка токсичности двигателей и исследование влияния регулировок, организации рабочего процесса и применение конструкции двигателя, а также системы каталитической нейтрализации на токсичность в основном производятся экспериментально. Для решения этих пробелов нами была разработана стендовая установка на базе легкового автомобиля с бензиновым двигателем ГАЗ - 54-04 , снабженный системой очистки из платино-палладиево-родиевого катализатора на инертном блочном носителе из оксида алюминия. Нами была исследована зависимость токсичности газовых выхлопов в условиях каталитической очистки от рабочих параметров двигателя.
     Количественно токсичность определялась как суммарная концентрация особо вредных: оксидов азота, оксида углерода и бенз(а)пирена. Выбор именно этих трех веществ сделан не случайно, а по степени воздействия на человеческий организм и по их доле в составе выхлопных газов. Так, например, опасность воздействия оксидов азота заключается в том, что с влагой верхних дыхательных путей они образуют пары азотной и азотистой кислот. Постепенно происходит их накопление в легких. При сгорании 1 кг бензина выделяется до 55 г оксидов азота. При сгорании 1 кг дизельного топлива выделяется около 20..40 г оксидов азота. Оксид углерода, поступая в организм с вдыхаемым воздухом, снижает функцию кислородного питания, выполняемую кровью.
      При сгорании 1 кг бензина выделяется 225 г оксида углерода, а при сгорании 1 кг дизельного топлива - около 20..30 г. Бенз(а)пирен является канцерогеном, при контакте его с живой тканью и постепенном накоплении он приводит к возникновению злокачественных опухолей. Содержание канцерогена в выхлопах незначительное, однако, степень опасности его очень высока. Количество же выделяющихся выхлопных газов и соответственно вредных компонентов в них зависит от регулировок двигателя, т.е. от организации процесса образования топливно-воздушной смеси. К их числу относятся: частота вращения коленчатого вала, угол опережения зажигания q, давление в выпускном трубопроводе ре и коэффициента избытка воздуха. Это в равной мере относится и к карбюраторным двигателям, и к дизельным.
      На основании изученных различных литературных источников, был сделан вывод о том, что наиболее значимыми, т.е. оказывающими существенное влияние, являются три вышеперечисленных фактора - это угол опережения зажигания q, давление в выпускном трубопроводе ре и коэффициента избытка воздуха. Испытания проводились на специально оборудованных стендах с беговыми барабанами, имеющими тормозные устройства и инерционные массы. В процессе испытаний автомобиля выхлопные газы собирались в эластичные емкости (мешки), из которых выкачивался через газовый счетчик для определения их объема и осреднения концентраций токсичных компонентов.
      Качественный анализ газов производился с помощью газоанализатора фирмы "Druger", а определение бенз(а)пирена производилось хроматографически. Зная количество выхлопных газов, вычислялась концентрация токсичных веществ в них. На данный момент получены результаты экспериментов, дающие наглядную оценку зависимости токсичности газов от настроек двигателя и, показывающие влияние каталитического реактора на их уменьшение. В дальнейшем, при помощи статистической обработки имеющихся данных мы рассчитываем получить уравнение, дающее зависимость токсичности газов от регулировок двигателя. На рисунке 1 привелена объемная структурная формула основного составляющего моторных топлив и дизтоплив, составленная по данным из [3, 4, 5].
     После проведения всех регулировок двигателя тщательно протерли внутреннюю часть выходного участка выхлопной трубы автомобиля, чтобы бенз(а)пирен, осевший вместе с сажей на ее стенках после проведения какой-либо предыдущей эксплуатации автомобиля, не вносил погрешность в определение бенз(а)пирена. После завершения всех подготовительных работ проводятся испытания и отбор проб бенз(а)пирена из отработавших газов автомобилей в соответствии с [4].
      Отработавшие газы пропускают через систему отбора непрерывно в течение испытаний (четырех последовательно проведенных ездовых циклов). При этом регистрируют температуру давление перед фильтром и проводят их регулировку до нужных величин с помощью изменения расхода охлаждающей воды и параметров вытяжной системы. Отбор проб бенз(а)пирена из отработавших газов исследуемого автомобиля проводят трижды, при этом производить какие либо регулировки двигателя между испытаниями не допускается.
     В лаборатории все составляющие отбора (фильтр, конденсат и смыв) тщательно готовятся к анализу. Фильтр вынимают из конверта, помещают в чистый тонкостенный стакан из нержавеющий стали и заливают его перегнанным бензолом. Стакан с бензолом и фильтром помещают в ультразвуковую установку УЗУ - 0,25, имеющую частоту колебания 18 кГц. Включаем установку и экстрагируем фильтр в течение 15 мин. После этого выключаем ультразвуковую установку. Выливаем бензол в колбу с притертой крышкой, заливают в стакан чистый перегнанный бензол, снова помещают в него фильтр и еще раз экстрагируют в течение 15 мин. После экстрагирования выливают бензол в ту же колбу, в которую был вылит бензол первого экстрагирования. Конденсат дважды экстрагируют на Шюттель-аппарате [7] в 100 мл перегнанного бензола с последующим отделение бензола от конденсата в делительной воронке.
     Отделенный бензол переливают в чистую колбу с притертой пробкой. Вата (ткань), используемая при смыве холодильника, дважды экстрагируется в ультразвуковой установке (аналогично экстрагированию фильтра) и их экстракт переливается в чистую колбу с притертой пробкой. В ту же колбу выливают и бензольные смывы холодильника. При малых концентрациях бенз(а)пирена в бензольном экстракте из фильтра, конденсате либо смыве холодильника они концентрируются на ротационном вакуумном испарителе до объема 10 мл. До проведения анализа экстракты хранят в темном прохладном месте в пробирках с притертыми пробками.
      Для отделения присутствующего в экстрактах бенз(а)пирена от примесей экстракты подвергаются хроматографическому фракционированию с применением адсорбционной хроматографии в тонком слое. В качестве адсорбента используется оксид алюминия "безводный".

1. Бучин В.Н. Обезвреживание дизельного выхлопа с помощью катклитических нейтрализаторов. - М.:Знание, 1969.-247 с.
2. Богдаевский О.А. Пламенные нейтрализаторы дизельного выхлопа. - В кн.: Токсичность двигателей внутреннего сгорания и пути ее снижения. - М.:Энергия, 1966. -450 с.
3. Васильковский В.Е. Жидкостные очистители отработавших газов карбюраторных двигателей. - В кн.: Механизация и автоматизация горных работ. Караганда, 1971, №7.
4. Демченко О.Н. Пути уменьшения вредности отработавших газов карбюраторных двигателей. - М.: (НИИНавтопром), 1966. - 235 с.
5. Жигалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. - М.: Транспорт, 1985. - 120 с.
6. Звонов В.А. Токсичноть двигателей внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1973. - 200 с.
7. Эффективность сжигания топлив и экология (энергоустановки и автомобили): Сб. науч. ст. НАН Украины. Ин-т проблем машиностоения; Отв. ред. Подгорный А.Н., Канило П.М. - Харьков, 1993. - 205 с.
8. Методические рекомендации по отбору и анализу проб отработавших газов двигателей внетреннего сгорания на содержение поилциклический ароматических углеводородов. - М.: ВОНЦ АМН СССР, 1987. - 47 с.
9. Про охорону навколишнього природного середовища: Закон України від 25 червня 1991 р.// ВВР України. - 1991. - №41. - ст. 546.
10. Малішко Н.И. Государственній контроль за охранаой атмосферного воздуха. - К.: 1982. - 131 с.
11. Санитарная охрана окружающей среді современного города. Новиков Г.В., Дударев А.Я., Л.: Медицина, 1978. - 216 с.