Procesy chemiczne – analiza spalin silnikowych

Sprawozdanie

Prowadzący: dr hab. Inż. M. Kułażyński

Wykonawcy:

Wstęp teoretyczny:

Ostatnie lata to czas szaleńczego wyścigu o dobro środowiska naturalnego. Dzięki rozbudowanym katalizatorom, wysokosprawnym silnikom, systemom start-stop oraz dodatkom do utylizacji spalin w formie środka AdBlue samochody emitują znacznie mniej spalin niż jeszcze kilkanaście lat temu. Do tego stopnia, że wiele aut, jeżdżąc w wielkomiejskim, zanieczyszczonym środowisku, emituje czystsze powietrze niż pobiera.Zredukowano właściwie wszystkie formy zanieczyszczeń. Nawet z pozoru trudne do eliminacji cząstki stałe zostały poskromione poprzez specjalne filtry. Zmniejszono udział nawet tych, których na razie nie da się wyeliminować – jak ograniczenie emisji dwutlenku węgla poprzez zmniejszenie spalania.

Spaliny silników są mieszaniną substancji znajdujących się w różnych stanach skupienia. Przeważają substancje znajdujące się w gazowym stanie skupienia, ale są również substancje ciekłe i stałe. W miarę obniżania się temperatury spalin wyemitowanych z silnika rośnie w nich względny udział substancji ciekłych oraz stałych.

Składniki spalin silników można klasyfikować według wielu kryteriów. Produkty spalania zupełnego wśród składników spalin to:

• dwutlenek węgla CO₂,

• woda H₂O,

• trójtlenek siarki SO₃.

Produktami spalania niecałkowitego są węglowodory, oznaczane HC i ich pochodne. Z kolei produktami spalania niezupełnego są:

• węglowodory HC;

• pochodne węglowodorów, m.in. aldehydy RCHO;

• tlenek węgla CO;

• sadza C (w rzeczywistości sadza jest odwodornionym wielopierścieniowym węglowodorem);

• tlenek siarki.

Substancje szkodliwe dla zdrowia organizmów żywych, występujące w spalinach silników w stosunkowo dużych stężeniach, to przede wszystkim:

• tlenek węgla CO;

• węglowodory HC i ich pochodne, w wielu wypadkach zamiennie określane jako lotne związki organiczne VOC;

• tlenek azotu (tlenek i dwutlenek);

• tlenki siarki (tlenek, dwutlenek, trójtlenek);

• ołów i jego związki;

• sadza, dymy, popioły, metale, inne substancje stałe, ciężkie związki organiczne w fazie ciekłej, częściowo zamiennie określane jako cząstki stałe PM.

Wśród substancji nieszkodliwych bezpośrednio dla zdrowia organizmów żywych lub występujących w spalinach w niewielkich stężeniach są substancje szkodliwe dla środowiska. Sprzyjają one w szczególności powstawaniu zjawiska cieplarnianego w atmosferze. Należą do nich głównie:

• dwutlenek węgla CO₂,

• metan CH₄,

• amoniak NH₃,

• podtlenek azotu N₂O.

Szczegółowa charakterystyka zanieczyszczeń emitowanych przez samochody silnikowe w postaci spalin została przedstawiona poniżej:

• Tlenki azotu

Tlenki azotu to jedne z najbardziej toksycznych gazów spalinowych. Powstają podczas procesu spalania przy udziale wysokiej temperatury. Azot tworzy z tlenem następujące rodzaje tlenków azotu: podtlenek azotu, tlenek azotu, dwutlenek azotu, trójtlenek dwuazotu, czterotlenek azotu, pięciotlenek azotu. Najgroźniejsze dla człowieka są głównie dwutlenek azotu oraz tlenek azotu.
Oba te związki występują przede wszystkim w aglomeracjach miejskich. Tlenek azotu wchłonięty do organizmu reaguje z hemoglobiną, tworząc NO-hemoglobinę. Wewnątrz tkanek tlenek azotu utlenia się do dwutlenku azotu. Zatrucie tlenkiem azotu objawia się m.in. osłabieniem organizmu, zawrotami głowy i drętwieniem kończyn. Z kolei dwutlenek węgla powoduje obrzęk płuc, osłabienie tętna i zwyrodnienie mięśnia sercowego.

• Tlenek węgla

Jest to bezwonny i bezbarwny gaz, którego rocznie emituje się do atmosfery około 230 milionów ton. Jest niebezpieczny dla organizmu ze względu na jego łatwość do łączenia się z hemoglobiną i powstające niedotlenienie organizmu. Powtarzające się niedotlenienia mogą powodować uszkodzenie tkanki mózgowej, osłabienia pamięci i zmiany psychiczne. Osoby poddane częstym małym stężeniom mają takie objawy, jak: bóle i zawroty głowy, uczucie senności, kołatanie serca zaburzenia ciśnienia krwi. Poddanie się stężeniu większemu od 600 ppm powoduje tzw. zaczadzenie i śmierć.

• Węglowodory

Powstają w wyniku niecałkowitego spalania paliwa, ale też w wyniku parowania lekkich frakcji benzyny oraz podczas transportu i przeładunku paliw. Węglowodory szybko reagują z tlenem i związkami azotu, tworząc m.in. nadtlenki i aldehydy. Najbardziej niebezpieczne są węglowodory nienasycone, ponieważ łączą się z hemoglobiną we krwi, działając jak narkotyk.
Szczególnie groźnym węglowodorem jest aromatyczny, jednopierścieniowy benzen, który może spowodować śmierć (wysokie stężenie). Z kolei węglowodory aromatyczne wielopierścieniowe tzw. WWA rozpuszczają się w tłuszczach i kumulują się w organizmie człowieka i zwierząt. Metabolizowane w wątrobie, działają rakotwórczo ze względu na zdolność reagowania z białkami DNA i RNA.

• Cząstki stałe

Są to produkty wydostające się z układu wylotowego silnika o konsystencji ciekłej lub stałej, zawierające między innymi pewną ilość cząstek węgla, związków siarki i azotu, metali oraz ciężkich węglowodorów. Kiedyś źródłem były też produkowane z azbestu klocki hamulcowe i okładzin sprzęgieł. Te małe cząsteczki długo utrzymują się w atmosferze i są łatwo wchłaniane. Ponieważ nasycają się innymi niebezpiecznymi związkami, umożliwiają wniknięcie do organizmu metali ciężkich, w tym ołowiu, siarki, azotu i różnych węglowodorów.

• Tlenki siarki

Dwutlenek siarki i trójtlenek siarki powstają głównie w przemyśle energetycznym. Udział motoryzacji jest niewielki i wynosi 3%. Reagują one z tlenkiem węgla i pyłami, tworząc tzw. smog. Dwutlenek siarki jest również składnikiem kwaśnego deszczu. Gaz ten jest silnie drażniący, rozpuszcza się w błonach śluzowych, tworząc kwas siarkowy, co powoduje podrażnienie dróg oddechowych i zapalenie spojówek. Powoduje też zmiany morfologiczne krwi.

Przebieg ćwiczenia:

1. Badanie stopnia oczyszczenia spalin z zanieczyszczeń w postaci tlenku węgla, dwutlenku wegla oraz węglowodorów wykonano na silniku Fiata o pojemności 1200 cm3 o mocy 60 koni mechanicznych. Badany był katalizator trójfunkcyjny, który dopalał tlenek węgla do dwutlenku węgla, utleniał niespalone węglowodory, a także redukował tlenki azotu do azotu cząsteczkowego.

2. Warunki pomiaru były następujące:

Badano skład spalin przed oraz za katalizatorem w następujących warunkach obciążenia silnika:

L.p.	Moment obrotowy, Nm	Prędkość obrotowa, obr/min
1	Bieg jałowy
2	20	2000
3	40	2000
4	20	3000
5	40	3000

W czasie pomiaru kontrolowano także działanie sondy lambda w postaci stężenia tlenu (także przed i za katalizatorem).

Otrzymane wyniki umieszczono w poniższej tabeli:

moment obrotowy, Nm	bieg jałowy	20	40	20	40
obciążenie, obr/min		2000	2000	3000	3000
-	przed	za	przed	za	przed
CO, %	3,00	2,50
CO2, %	8,35	1000
HC, ppm	1015	500
O2, %	0,25	0,00

Wnioski:

Z otrzymanych wyników wynika, że na biegu jałowym katalizator dopala tlenek węgla oraz węglowodory (Ilości tych substancji zmniejszały się po przejściu spalin przez katalizator jednocześnie zwiększając ilość całkowitego produktu ich spalania – dwutlenku węgla). Jednakże katalizator nie działa jeszcze z zadowalającą skutecznością. Poziom tych zanieczyszczeń w spalinach jest nadal wysoki i niebezpieczny dla zdrowia ludzkiego (2,5% CO i 500 ppm niespalonych węglowodorów). Poziom tlenu wskazuje na fakt, że sonda lambda działa prawidłowo, czyli silnik pracuje na mieszance stechiometrycznej.