Toxicological properties of diesel engines’ exhaust gases, in particular polycyclic aromatic hydrocarbons, as well as diesel engines’ exhaust gases composition, toxicity assessment technique for exhaust gases of diesel engines working at different types of fuel have been presented. Advantages related to use in diesels a biological fuel made on basis of vegetable oils have been shown.
diesel engine, diesel fuel, sunflower oil, exhaust gases toxicity.
1. Введение
Работа транспортных дизелей оценивается комплексом эксплуатационно-технических данных: удельной мощностью и массогабаритными показателями, топливной экономичностью, токсичностью отработавших газов (ОГ), динамическими качествами и др. [1]. Важнейшими из них в настоящее время являются показатели токсичности ОГ, т.е. количество выбрасываемых двигателем вредных веществ. Это обусловлено как ухудшением экологической обстановки, так и ужесточением требований, предъявляемых к двигателям внутреннего сгорания современными нормативными документами на токсичность ОГ [2].
В настоящее время отечественный автомобильный парк ежегодно выбрасывает в атмосферу 13–15 млн т оксидов углерода и 1,2–1,5 млн т оксидов азота. При этом до 22% всех выбросов диоксида углерода, около 50% веществ, вызывающих кислотность атмосферы, и 60–90% смога приходится на эмиссию вредных веществ с ОГ транспортных средств.
Особенно тяжелая экологическая обстановка складывается в крупных городах. Например, в Москве годовые суммарные выбросы вредных веществ автотранспортом достигают 1,7 млн т. Данные о загрязнении атмосферы двигателями внутреннего сгорания, работающими на нефтяном топливе — бензине и дизельном топливе, приведены в табл. 1 [3]. При этом отмечается непрерывный рост доли дизельных двигателей в общем объеме выпускаемых транспортных двигателей внутреннего сгорания [4].
Для оценки относительной агрессивности отдельных токсичных компонентов в [5] использован условный коэффициент агрессивности Аi, который учитывает отношение ПДК рассматриваемого компонента к ПДК монооксида углерода в воздухе рабочей зоны. Он учитывает также вероятность накопления в атмосфере вредных веществ, их вторичных химических превращений, оседание твердых частиц на поверхность земли, воздействие токсичных компонентов ОГ на сельскохозяйственные растения и животных. Среди токсичных компонентов ОГ дизельных двигателей одним из наиболее значимых компонентов считаются твердые частицы, состоящие преимущественно из сажи. Для сажи условный коэффициент агрессивности составляет Аi = 200 (при работе на дизельном топливе, табл. 2), для оксидов азота NOx этот коэффициент равен 41,1, для монооксида углерода СО — 1,0, для несгоревших углеводородов СНx — 3,16. Такой высокий коэффициент агрессивности сажи обусловлен косвенным учетом присутствия на частицах сажи полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и других вредных веществ.
1. Mashinostroenie. Entsiklopediya. Tom IV. Dvigateli vnutrennego sgoraniya / L.V. Grekhov, N.A. Ivashchenko, V.A. Markov i dr. / Pod red. A.A. Aleksandrova, N.A. Ivashchenko. M.: Mashinostroenie, 2013.
2. Markov V.A., Bashirov R.M., Gabitov I.I. Toksichnost´ otrabotavshikh gazov dizeley. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2002.
3. Al´ternativnye topliva dlya dvigateley vnutrennego sgoraniya / A.A. Aleksandrov, I.A. Arkharov, V.A. Markov i dr. / Pod red. A.A. Aleksandrova, V.A. Markova. M.: OOO NITs «Inzhener», OOO «Oniko-M», 2012.
4. Ispol´zovanie rastitel´nykh masel i topliv na ikh osnove v dizel´nykh dvigatelyakh / V.A. Markov, S.N. Devyanin, V.G. Semenov i dr. M.: OOO NITs «Inzhener», OOO «Oniko-M», 2011.
5. Ekologicheskie aspekty primeneniya motornykh topliv na transporte / V.F. Kutenev, V.A. Zvonov, V.I. Chernykh i dr.. Avtomobil´nye i traktornye dvigateli. Mezhvuz.sb. M.: Izd-vo TU «MAMI», 1998. Vyp. 14. S. 150-160.
6. Kanilo P.M., Solovey V.V., Kostenko K.V. Problemy zagryazneniya atmosfery gorodov kantserogenno-mutagennymi supertoksinami. Vestnik KhNADU. 2011. Vyp. 52. S. 47-53.
7. Lach A. Kantserogennyy effekt politsiklicheskikh aromaticheskikh uglevodorodov. London: Imperial Kolledzh Press, 2005.
8. Purmal´ A.P. Antropogennaya toksikatsiya planety. Sorosovskiy obrazovatel´nyy zhurnal. 1998. № 9. S. 46-51.
9. Ekologicheskoe i toksikologicheskoe vozdeystvie politsiklicheskikh aromaticheskikh uglevodorodov (PAU) na okruzhayushchuyu sredu / T.N. Ngandzhe, E.A. Abara, K.A. Ibe i dr. http://www.jurnal.org/articles/2009/ecol2.html.
10. Morishima A., Narushima T., Moriwaki H. et al. Experimental and Numerical Studies on Particulate Matter Formed in Fuel Rich Mixture. SAE Technical Paper Series. - 2003. No 2003-01-3175. P. 1-10.
11. Akasaka Y., Sakurai Y. Effects of Fuel Properties on Exhaust Emission from DI Diesel Engine. Transactions of the JSME. Ser. B. 1997. Vol. 63. No 607. P. 1091-1097.
12. Harrung A., Lies K.-H. Schnellverfahren zur Bestimmung der PAK-Werte. MTZ. 1990. Jg.51. No 1. S. 12-17.
13. Lepperhoff G., Schommers J. Einfluss des Schmierols auf die PAN-Emissionen von Verbrennungsmotoren. MTZ. 1986. Jg.47. No 9. S. 367-371.
14. Ziejewski M., Goettler H.J., Gook L.W. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Emissions from Plant Oil Based Alternative Fuels. SAE Technical Paper Series. 1991. No 911765. P. 1-8.
15. Narushima T., Morishima A., Moriwaki H. et al. Experimental and Numerical Studies on Soot Formation in Fuel Rich Mixture. SAE Technical Paper Series. 2003. No 2003-01-1850. P. 1-9.
16. Kitamura T., Ito T., Senda J. et al. Detailed Chemical Kinetic Modeling of Diesel Spray Combustion with Oxygenated Fuels. SAE Technical Paper Series. 2001. No 2001-01-1262. P. 1-19.
17. Barale R., Bulleri M., Cornetti G. et al. Preliminary Investigation on Genotoxic Potential of Diesel Exhaust. SAE Technical Paper Series. 1992. No 920397. P. 1-15.
18. Mitchell K., Steere D.E., Taylor J.A. et al. Impact of Diesel Fuel Aromatics on Particulate, PAH and NitroPAH Emissions. SAE Technical Paper Series. 1994. No 942053. P. 1-29.
19. Bagley S.T., Gratz L.D., Johnson J.H., McDonald J.F. Effects of an Oxidation Catalytic Converter and a Biodiesel Fuel on the Chemical, Mutagenic, and Particle Size Characteristics of Emissions from a Diesel Engine. Environmental Science & Technology. 1998. Vol. 32, No 9. P. 1183-1191.
20. Krahl J., Vellguth G., Munack A. et al. Exhaust Gas Emissions and Environmental Effects by Use of Rape Seed Oil Based Fuels in Agricultural Tractors. SAE Technical Paper Series. 1996. No 961847. P. 1-14.
21. McMillian M.H., Cui M., Gautam M. et al. Mutagenic Potential of Particulate Matter from Diesel Engine Operation on Fischer-Tropsch Fuel as a Function of Engine Operating Conditions and Particle Size. SAE Technical Paper Series. 2002. No 2002-01-1699. P. 1-16.
22. Takada K., Yoshimura F., Ohga Y. et al. Experimental Study on Unregulated Emission Characteristics of Turbocharged DI Diesel Engine with Common Rail Fuel Injection System. SAE Technical Paper Series. - 2003. - No 2003-01-3158. - P. 1-8.
23. Sakai T., Kashiwakura K. Basic Investigation of Particulate Matter (O-PM) and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Emitted by Two-stroke Mororcycles. SAE Technical Paper Series. 2002. No 2002-32-1846. P. 1-4.
24. Takada K., Ikezawa H., Kotani Y. Determination of Polyaromatic Hydrocarbons in Particulate Matter with HPLC and 3D-Detector. SAE Technical Paper Series. 2001. No 2001-01-3318. P. 1-6.
25. Ahrenfeldt J., Henriksen U., Schramm J. et al. Combustion Chamber Deposits and PAH Formation in SI Engines Fueled by Producer Gas from Biomass Gasification. SAE Technical Paper Series. 2003. No 2003-01-1770. P. 1-8.
26. Ball J.C., Hilder D.L., Wolf L.R. et al. Emissions of Toxicologically Relevant Compounds Using Dibutyl Maleate and Tripropylene Glycol Monomethyl Ether Diesel Fuel Additives to Lower NOx Emissions. SAE Technical Paper Series. 2005. No 2005-01-0475. P. 1-35.
27. Abbass M.K., Andrews G.E., Williams P.T. Diesel particulate composition changes along an air cooled exhaust pipe and dilution tunnel. SAE Technical Paper Series. 1989. No 890789. P. 1-8.
28. Abbass M.K., Andrews G.E., Ishaq R.B. A comparison of the particulate’s composition between turbocharged and naturally aspired DI Diesel engines. SAE Technical Paper Series. 1991. No 910733. P. 1-9.
29. Israel G.W., Zierock K.H., Mollerauer K. Grossenverteilung und chemische Zusammensetzung der Partikelemissionen verschiedener Dieselmotoren. VDI Berichte. 1982. No 429. S. 279-286.
30. Lopez B., Masclet P., Person A. Emissions Diesel. Analyse des polluants non reglementes. Colloque «pollution de l’air par les transports» Edition INRETS. 1987. P. 77-85.
31. Mills G.A., Howarth J.S. The effect of Diesel fuel aromaticity on polynuclear aromatic hydrocarbons exhaust emissions. Journal of the Institute of Energy. 1984. P. 273-286.
32. Wajsman J., Champoussin J.C., Hayyani M. Mesure en gaz bruts des hydrocarbures aromatiques polycycliques emis par le moteur Diesel. Entropie. 1995. An. 31. No 191. P. 15-19.
33. Williams P.T., Andrews G.E. The influence of lubricating oil on Diesel particulate PAH emissions. SAE Technical Paper Series. 1989. No 890825. P. 1-7.
34. Wajsman J., Champoussin J.C., Dessalces G. et al. Measurement Procedures of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Undiluted Diesel Exhaust Gases. SAE Technical Paper Series. 1996. No 960248. P. 79-87.
35. Azarova Yu.V., Kuznetsova N.Ya. Novoe ob otnositel´noy agressivnosti uglevodorodov. Avtomobil´naya promyshlennost´. 1999. No 3. S. 14-16.
