Влияние высоты места эксплуатации дизельных автомобилей на токсичность их выхлопа

В связи с широкой эксплуатацией в стесненных высокогорных услови­ях дизельных автомобилей при карь­ерных разработках полезных иско­паемых, проходке строительных тон­нелей, строительстве ГЭС и т. д. пред­ставляет интерес оценка влияния высоты места работы двигателей на выброс ими вредных веществ. В ста­тье на примере четырехтактных безнаддувных двигателей Ярославского моторного завода размерности 140 X X 130 рассмотрены имеющие место здесь закономерности. Общие выводы могут быть распространены и на другие типы дизелей.

Влияние высоты сказывается преж­де всего на величине коэффициента избытка воздуха а. На рис. 1 пред­ставлены графики зависимости соста­ва рабочей смеси от высоты над уровнем моря, полученные при посто­янной подаче топлива для четырех­тактного безнаддувного дизеля.

Коэффициент избытка воздуха а зависит от режима работы двигателя и определяется его нагрузкой и ско­ростью вращения коленчатого вала. При этом влияние п значительно лишь в области частичных нагрузок. Так, например, для типового ряда дизелей ЯМЗ (ЯМЗ-236, ЯМЗ-238, ЯМЗ-240) при увели­чении скорости вращения коленча­того вала п = 1000 до п = 2100 об!мин приводит к увели­чению коэффициента избытка воз­духа от а == 5 до а = 8, т. е. на 60%.

Результаты стендовых исследова­ний двигателей, устанавливаемых на автомобили-самосвалы: МАЗ-500 (ЯМЗ-236), КрАЗ-256 (ЯМЗ-238), БелАЗ-540 (ЯМЗ-240) позволяют ска­зать, что выброс вредных веществ (за исключением сажи), также не зависит от скорости вращения колен­чатого вала, а в области малых на­грузок и от а. Хотя в последнем случае и должны существовать функ­ции Сг= /(а), но вследствие малых абсолютных значений концентраций вредных веществ в отработавших га­зах установить их пока не представ­ляется возможным. Следует отметить также, что, за исключением альдеги­дов, концентрации всех токсичных компонентов отработавших газов максимальны при полной нагрузке двигателей. Так как доля альдегидов в общей токсичности выхлопа при работе на номинале не превышает 1%, оценку влияния внешних факто­ров на степень загрязнения дизелями атмосферного или рудничного возду­ха можно ограничить рассмотрением режимов работы двигателей только с максимальной подачей топлива при п = пн= const. Это положение спра­ведливо и для сажи.

Рассмотрение рисунка позволяет сказать следующее:

1) с увеличением высоты эксплуа­тации автомобилей растет выброс продуктов неполного сгорания топ­лива. При этом содержание в отра­ботавших газах углеводородов из-за высоких значений предельно допусти­мых концентраций их в воздухе по сравнению с окисью углерода и осо­бенно окислами азота практически не отражается на общей токсичности выхлопа. В то же время увеличение выброса углеводородов, прежде все­го олефинов, крайне нежелательно в местах, где возможно образование грязных ядовитых туманов-смогов, ибо они относятся к категории смогообразующих. Доля окиси углерода <7со в общей токсичности монотонно растет от 10%, имеющей место при работе двигателей на уровне моря, и до 25% на высоте 4000 м\

dhdhudhndhnydhdhndh14

Рис. 1. Графики зависимости состава рабочей смеси от высоты над уровнем моря

dhdhudhndhnydhdhndh15

Рис. 2. Графики зависимости содержа­ния продуктов сгорания топлива в ат­мосфере от высоты над уровнем моря

2) концентрации окислов азота NO* вследствие увеличения макси­мальной температуры смеси, обус­ловленного увеличением скорости распространения пламени до аопт, сначала растут приблизительно на 10%, затем снижаются и в первом приближении с той же интенсивно­стью. Причина — уменьшение кон­центраций О2 и максимальной темпе­ратуры из-за снижения тепловыде­ления вследствие недогорания. Мак­симум выброса приходится на высо­те 1500—2500 м над уровнем моря. Удельный выброс окислов азота сни­жается с ростом высоты, достигая 70% от первоначального;

3) удельная токсичность q макси­мальна при работе автомобилей на высотах 1500—2000 м, превышает имеющую место на равнине на 10%.

Таким образом, если не принять специальных мер по снижению вы­броса окиси углерода, расход воздуха на проветривание выработок должен быть увеличен в среднем на 5% для высот 500 м 1000 м, на 10% для вы­сот 1000—2500 м, оставаясь на преж­нем уровне при высотах, больших 3000 м*.

dhdhudhndhnydhdhndh16

Рис. 3. Графики концентрации и удель­ного содержания сажи в зависимо­сти от высоты над уровнем моря

выводы.

1. Увеличение высоты места рабо­ты дизелей ведет к увеличению вы­броса ими продуктов неполного сго­рания топлива и к изменению в пре­делах до 10% концентраций в отра­ботавших газах окислов азота с максимальным их выбросом на высотах 1500—2500 м. В результате это­го удельная общая токсичность вы­хлопа изменяется по параболическо­му закону с экстремумом в указан­ных пределах высот. Удельный рас­ход воздуха на проветривание выра­боток (количество необходимого воз­духа для разбавления отработавших газов до безопасных концентраций, приходящееся на единицу номинальной мощности двигателя) по срав­нению с имеющим место на уровне моря должен быть увеличен в сред­нем на 5% для высот 500 и 3000 м, на 10% для высот 1000—2500 м, оставаясь на прежнем уровне при высотах, больших 3000 м.

2. Необходимо принимать меры для снижения выброса продуктов не­полного горения топлива. Использо­вание каталитических нейтрализато­ров нецелесообразно из-за возможно­сти быстрого их засорения большими количествами сажи. Хорошие резуль­таты могут быть получены при при­менении термокаталитических нейтра­лизаторов, имеющих блок для задер­жания взвешенных частиц, а также при добавлении в топливо антидым­ной присадки. В последнем случае открывается возможность внедрения каталитических нейтрализаторов в данных условиях эксплуатации, од­нако она должна быть проверена экспериментально.

3.Если не принимать мер к дожиганию в нейтрализаторах продуктов неполного горения, то двигатели сле­дует регулировать на меньшую по­дачу топлива, не считаясь с потерей ими мощности.