Pomimo rozwoju technologicznego silniki spalinowe w samochodach są nadal w dużej mierze odpowiedzialne za zanieczyszczenia w miastach
Zdjęcie: Evgeny Tchebotarev na Unsplash
Pierwsze silniki pojawiły się w XVIII wieku. Napędzane były one spalaniem zewnętrznym, przy użyciu drewna opałowego - słynnych maszyn parowych. W XIX wieku pojawiły się pierwsze silniki spalinowe, w których paliwo jest spalane wewnątrz samego silnika. Silniki spalinowe mają przewagę nad silnikami parowymi ze względu na ich uniwersalność, sprawność oraz możliwość dostosowania do różnych typów maszyn. Mimo to są w dużej mierze odpowiedzialne za zanieczyszczenie samochodów.
Zaczęto badać i ulepszać silniki spalinowe, które są dziś stosowane na szeroką skalę w środkach transportu - samolotach, samochodach, ścieżkach i innych pojazdach samochodowych, statkach itp. Wraz ze wzrostem jego wykorzystania pojawiły się problemy związane z silnikami, takie jak emisja gazów, które powodują zanieczyszczenie powietrza i powodują problemy zdrowotne ludności.
Z biegiem lat silniki spalinowe ulegały poprawie, zanieczyszczając coraz mniej niż ich poprzednicy. Ulepszenia te wynikają głównie z takich środków, jak: wymiana gaźników, które mechanicznie doprowadzały mieszankę paliwowo-powietrzną do silników, na elektroniczny układ wtryskowy, który zużywa mniej paliwa i tworzy bardziej idealne mieszanki; tworzenie katalizatorów (lub katalizatorów), które między innymi przekształcają część gazów powstających podczas spalania w nietoksyczne gazy, zanim zostaną wyemitowane przez wydech pojazdu. Jednak wzrost floty samochodowej i koncentracja ludności w centrach miast to czynniki, które dosłownie utrzymują problem zanieczyszczenia samochodami w powietrzu.
Czy wiesz, jak działa silnik Twojego samochodu?
Aby zrozumieć, w jaki sposób powstają zanieczyszczające gazy w pojazdach, ważne jest, aby dowiedzieć się, jak działa silnik. Większość samochodów ma tak zwane silniki czterosuwowe: dolotowe, kompresyjne, rozprężno-wybuchowe i rozładowcze. Film zawiera bardzo objaśniającą animację dotyczącą działania silników benzynowych i wysokoprężnych.Krótko mówiąc, silnik samochodu łączy powietrze z atmosfery (o dużym stężeniu tlenu) z paliwem. Mieszanina ta generuje egzotermiczną reakcję chemiczną (z wydzieleniem ciepła), która powoduje rozszerzanie się gazów w komorze spalania, dociskając tłok, który opada generując ruch obrotowy w silniku - tym samym zamieniając ciepło na pracę - a gazy powstające w wyniku spalania są wyeliminowane poprzez otwarcie zaworu upustowego - jest to zanieczyszczenie samochodów.
Spalanie
Aby doszło do spalania, muszą istnieć trzy elementy:- Paliwo: głównie węglowodory złożone z wodoru (H) i węgla (C) w silnikach spalinowych;
- Tlen: utleniający;
- Ciepło: w silnikach spalinowych ciepło jest wytwarzane przez iskrę (silnik benzynowy) lub przez kompresję wprowadzanego powietrza (silnik wysokoprężny).
- Spalanie węglowodorów paliwowych może być całkowite lub niepełne.
Całość zachodzi, gdy jest wystarczająco dużo tlenu, aby pochłonąć całe paliwo. W przypadku związków zbudowanych z węgla i wodoru (węglowodory) produktami całkowitego spalania są: dwutlenek węgla (CO2), woda (H2O) oraz energia. Idealne jest całkowite spalanie, ponieważ lepiej wykorzystuje paliwo, ale w wyniku reakcji generuje dwutlenek węgla, który, mimo że nie jest gazem toksycznym - tylko w przypadku wycieku w dużych ilościach w środowisku zamkniętym, co powoduje jego uduszenie - to dobrze znany gaz cieplarniany.
Niecałkowite spalanie, gdy nie ma wystarczającej ilości tlenu, aby spalić całe paliwo, powoduje zanieczyszczenie samochodu. Może zawierać jako produkt tlenek węgla (CO), węgiel pierwiastkowy (C) - sadzę (ciemny dym, utworzony przez drobne cząstki węgla) - aldehydy i cząstki stałe.
Występuje również w składzie paliw, ale w mniejszej ilości azot i siarka, które podczas spalania tworzą toksyczne związki, takie jak dwutlenek siarki (SO2), siarkowodór (H2S) i tlenki azotu (NOx). Tworzenie się tlenków azotu jest procesem trudnym do kontrolowania, ponieważ oprócz obecności w paliwie azot występuje również w powietrzu - w postaci azotu gazowego (N2) - który w wysokich temperaturach w komorze spalania może ulegać reakcji. z tlenem.
Problem zdrowia publicznego i środowiska
Gazy, które powodują zanieczyszczenie samochodów, powstające w silnikach spalinowych, mogą powodować szereg problemów dla zdrowia ludzkiego i środowiska. Tlenki SO2 i NOx oddziałują na układ oddechowy i powodują kwaśne deszcze, CO zmniejsza zdolność przenoszenia tlenu we krwi, a cząstki stałe powodują alergie układu oddechowego i są wektorami (nośnikami) innych zanieczyszczeń (metale ciężkie, organiczne związki rakotwórcze) ).
Przy dużej emisji zanieczyszczeń w miastach nadal występują zjawiska naturalne, takie jak inwersja termiczna, która pogarsza scenariusz zanieczyszczenia, ponieważ utrudnia rozproszenie tych gazów i utrzymuje ludność narażoną na ich działanie przez dłuższy czas.
W 2002 roku Agencja Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych (EPA) opublikowała raport, w którym ostrzega przed ryzykiem długotrwałego narażenia na opary oleju napędowego. Według raportu długotrwałe wdychanie tych cząstek stałych, tlenków siarki i azotu, może powodować raka u ludzi. W 2013 roku Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem (Iarc) stwierdziła, że w rzeczywistości emisje z silników Diesla powodują raka płuc, a prawdopodobnie także raka pęcherza. W Londynie był nawet przypadek śmierci spowodowanej zanieczyszczeniem powietrza przez samochody.
Różnica między silnikami spalinowymi
Silniki benzynowe i wysokoprężne
Działanie silników benzynowych i wysokoprężnych jest podobne, jak wyjaśniono wcześniej. Główna różnica pomiędzy tymi silnikami polega na tym, że w silniku benzynowym do komory spalania wchodzi mieszanina powietrza i paliwa, a zapłon (start / start spalania) tego silnika następuje od iskry dostarczanej przez świecę zapłonową. zapłon. W silniku wysokoprężnym początkowo do komory spalania jest wprowadzane tylko powietrze, które następnie jest sprężane przez tłok, a zapłon następuje od wtrysku oleju napędowego do tego powietrza pod wysokim ciśnieniem.
Benzyna to wysoce wybuchowe paliwo (jak pokazano na filmie), które gwarantuje samochodowi dużą moc przy szybkiej reakcji na obroty. Silnik wysokoprężny spala wolniej i bardziej nieprzerwanie paliwo, „wypychając” tłok w dół w trwalszy sposób i oferując większy moment obrotowy (siłę obrotową) przy niższych obrotach. Dzięki temu jest mocniejszy, a tym samym bardziej odpowiedni do stosowania w środkach transportu z dużymi ładunkami. Ta zaleta nadaje również silnikowi wysokoprężnemu cechę większej trwałości, ponieważ powoduje mniejszy wpływ na korby (wał korbowy) silnika.
W silniku wysokoprężnym wtrysk paliwa zachodzi podczas tradycyjnego procesu spalania samoczynnego, w którym olej napędowy wtryskiwany jest do silnie sprężonego powietrza. Skutkuje to gwałtownym wzrostem temperatury, osiągając poziomy, które zapewniają tworzenie się NOx i przyczyniają się do procesu pirolizy (analiza lub reakcja rozkładu, która zachodzi pod wpływem wysokich temperatur), w którym generowany jest materiał w postaci cząstek. To paliwo jest mniej lotne. Ponieważ jest wtryskiwany bezpośrednio do sprężonego powietrza (gdzie zaczyna się spalanie), jego mieszanka jest mniej jednorodna niż ta, która występuje w benzynie. Brak nadmiaru powietrza w reagującej mieszaninie powoduje niecałkowite spalanie, wydzielanie sadzy, tlenku węgla (CO) i węglowodorów (HC). W przypadku tych czynników silniki wysokoprężne w porównaniu z silnikami benzynowymizwykle emitują do atmosfery siedem razy więcej zanieczyszczeń w postaci emisji cząstek stałych. Benzyna emituje wyższy procent dwutlenku węgla (CO2).
Silnik Flex
Silnik flex to silnik, który pracuje na więcej niż jednym typie paliwa. W Brazylii najpopularniejszym pojazdem z elastycznym paliwem jest ten, który wykorzystuje benzynę i etanol.
Silnik tych samochodów flex jest jeden. Aby działał zarówno z benzyną, jak i etanolem, ma pewne zmienne, które zakłócają jego działanie. Wśród tych zmiennych można wymienić stosunek stechiometryczny silnika (mieszanka paliwowo-powietrzna), który zmienia się wraz z charakterystyką paliwa, z większą lub mniejszą wartością opałową, który również zmienia zużycie paliwa przez silnik. Elastyczny pojazd na paliwo ma czujnik, który wykrywa mieszankę paliwa umieszczonego w zbiorniku i dostosowuje wtrysk w zależności od mieszanki.
