Экологическая безопасность

Со временем предполагается перевести весь автопарк на использование этилового спирта вместо бензина. Спирт получают из сахарного тростника (Бразилия -- крупнейший в мире производитель этой культуры). Возможно получение до 80 т биомассы с 1га в год. Плантаций, занимающих 2% территории страны, будет достаточно, чтобы обеспечить потребность в новом горючем.

По расчетам специалистов 1л спирта обходится на 30-- 35 % дешевле бензина.

Мексика, вторая по численности населения страна Латинской Америки, готова последовать бразильскому примеру. В США также проявляется интерес к производству топливного спирта из древесных, сельскохозяйственных и иных отходов.

С энергетической точки зрения преимущество спиртовых топлив заключается в высоком КПД рабочего процесса и высокой антидетонационной стойкости топлива, но теплота сгорания спиртов примерно вдвое ниже, чем у бензинов. Низкая энергоемкость спиртов ведет к увеличению удельного расхода топлива.

Использование спиртов требует сравнительно небольшого изменения конструкции автомобиля. Основные мероприятия сводятся к увеличению объема топливных баков и установке устройств, обеспечивающих стабильный пуск двигателя в любую погоду. Требуется также замена некоторых металлов и прокладочных материалов, в частности облицовка пластмассой метанольного бака. Это связано с высокой коррозийной активностью спиртов и необходимостью более тщательной герметизации топливоподающей системы, поскольку метанол является нервно-сосудистым ядом. Применение бензометанольной смеси выдвигает ряд других специфических требований. В частности, ужесточаются требования к давлению насыщенных паров бензина, поскольку даже с 5 %-ной добавкой метанола оно значительно увеличивается. Чтобы избежать расслоения смеси, при ее хранении, транспортировке и применении необходимо соблюдать определенную температуру и не допускать попадания в нее воды. Некоторые синтетические материалы, используемые в системах подачи топлива и в автомобильных системах питания, оказались нестойкими к бензометанольной смеси. При переводе автомобиля с бензина на бензометанольную смесь пришлось изменить пропускную способность жиклеров, при этом несколько увеличился общий расход топлива. Вместе с тем установлено, что смесь с содержанием метанола до 15 % не ухудшает основных технико-эксплуатационных показателей грузовых автомобилей. Высокие антидетонационные показатели спиртов позволяют повышать степень сжатия двигателя внутреннего сгорания до 14--15 единиц.

Использование спиртовых топлив снижает содержание токсичных веществ в отработавших газах, что объясняется более низкой температурой горения спиртового топлива.

С начала 70-х годов, когда резко обострилась энергоэкологическая ситуация, практически все промышленно развитые страны развернули широкий поиск альтернативных энергоносителей, способных заменить бензин и дизельное топливо. Среди альтернативных топлив особое внимание уделяется водороду: его использование для двигателей внутреннего сгорания позволяет решить как сырьевую, так и экологическую проблемы, причем сделать это без коренной перестройки технической базы современного двигателестроения. В частности, исследования показали, что применение водорода в качестве основного или дополнительного топлива для двигателей с принудительным воспламенением заряда повышает их топливную экономичность на 30--40% и резко снижает токсичность отработавших газов, так как моторные свойства позволяют двигателям работать на бедных смесях при качественном регулировании мощности. За рубежом работы по созданию автомобильных «водородных» двигателей внутреннего сгорания ведутся передовыми развитыми странами уже давно и довольно успешно. В частности, автомобильная компания «Даймлер--Бенц» (Германия) изготавливала легковые автомобили и микроавтобусы на базе серийных моделей, двигатели которых питаются как бензином с добавкой водорода, так и «чистым» водородом. Из трех приемлемых для автотранспортных средств способов аккумулирования водорода -- в сжатом до 20 МПа, сжиженном при температуре 20К или химически связанном в металлогидридах состоянии -- на экспериментальных автомобилях фирмы «Даймлер--Бенц» применялся последний.

5. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

5.1 Конструктивные усовершенствования двигателей

Совершенствование конструкции современного двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием является одним из основных мероприятий снижения отработавших газов до величин, регламентированных существующими стандартами. Наибольшее влияние на токсичность отработавших газов оказывают изменения, вносимые в систему питания и зажигания двигателей внутреннего сгорания, поскольку эти системы во многом определяют процесс воспламенения и сгорания рабочей смеси, совершенствование системы питания двигателя внутреннего сгорания, позволяющее добиться более равномерного распределения рабочей смеси по цилиндрам, обеспечить ее оптимальный состав для каждого режима работы и возможность работы на бедных смесях, влияет в основном на количество продуктов неполного сгорания в отработавших газах.

Работы ведутся в следующих направлениях:

- улучшение качества процесса смесеобразования во впускной системе;

- улучшение распыливания топлива в карбюраторе;

- обеспечение равномерного распределения смеси по цилиндрам.

Улучшение качества процесса смесеобразования и распыливания топлива позволяет повысить предел обеднения рабочей смеси и увеличить полноту ее сгорания. При использовании карбюраторов, в которых распыливание топлива происходит при высоких (близких к звуковым) скоростях движения воздуха, значительно улучшается процесс смесеобразования, особенно в режимах холостого хода. При этом снижается содержание углеводородов в отработавших газах, двигатель устойчиво работает на холостом ходу.

Подогрев впускного трубопровода тоже приводит к улучшению смесеобразования, так как при этом быстрее и полнее происходит испарение топлива: выделение СО и CnHm уменьшается, но выделение NOx увеличивается. Подогрев смеси целесообразно вводить при работе двигателя внутреннего сгорания на холостом ходу и малых нагрузках. Особенно необходим подогрев смеси при эксплуатации автомобиля в зимнее время года.

В случае отключения жиклера холостого хода снижается расход топлива и выброс СО, но увеличивается выброс CnHm, так как часть топлива из каналов холостого хода уносится воздухом. При переходе с режима принудительного холостого хода наблюдаются «провалы», неустойчивая работа двигателя на холостом ходу. Поэтому применяется, как правило, одновременное отключение подачи топлива и воздуха в режиме принудительного холостого хода. При этом снижаются выбросы СО и CnHm.

В многоцилиндровых карбюраторных двигателях нередко наблюдается неравномерное распределение рабочей смеси по цилиндрам, что вызывает повышенное содержание продуктов неполного сгорания в отработавших газах. Эффективный метод снижения неравномерности распределения смеси по цилиндрам - применение систем непосредственного впрыска топлива. Впрыск бензина обычно осуществляется во впускной коллектор и бывает одноточечным (с одной форсункой, установленной вместо карбюратора) и многоточечным, или распределенным, когда форсунки ставятся непосредственно перед впускными клапанами. Первое время широко применялся механический впрыск, но сейчас он повсеместно вытеснен электронным. Наилучшие результаты получены при электронном управлении впрыском топлива. Легкий пуск в любую погоду, разгон без «провалов» на непрогретом моторе. Легкость перенастройки электронной системы: для этого достаточно заменить или перепрограммировать микросхему в бортовом компьютере - и можно, например, перевести мотор с 95-го на 93-й бензин или из «экологичного» режима на «мощностной» или «экономичный». Но многоточечный впрыск гораздо дороже одноточечного. Недостатком впрыска является его требовательность к качеству топлива, а любая его неисправность требует диагностики и ремонта только в специализированных технических центрах.

Существенное влияние на состав отработавших газов оказывает также, как отмечалось выше, регулировка системы холостого хода. Оптимальная регулировка позволяет снизить содержание СО на 30% и CnHm на 15% при некотором увеличении (до 5%) NOx. В конструкциях современных карбюраторов сейчас применяются различные ограничивающие устройства, исключающие перерегулировку системы холостого хода в больших пределах в процессе эксплуатации.

Совершенствование системы зажигания играет большую роль в процессе сгорания рабочей смеси в цилиндрах. На многих автомобилях в системе зажигания предусмотрены устройства, обеспечивающие установку поздних углов опережения зажигания, иногда даже после верхней мертвой точки. При этом процесс сгорания смеси затягивается на такте расширения, нередко до открытия выпускного клапана. Концентрация СО и NOx в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания практически не меняется, а концентрация CnHm уменьшается. Это объясняется увеличением температуры отработавших газов и догоранием CnHm в выпускной системе. Отрицательным последствием работы двигателя внутреннего сгорания при позднем зажигании является снижение КПД и некоторое увеличение расхода топлива.

Второе направление совершенствования системы зажигания - обеспечение стабильной мощной искры на свече. Это привело к появлению систем зажигания с увеличенным временем разряда или подачей серии искр. Применение транзисторных систем зажигания, обеспечивающих мощный разряд, позволяет снизить содержание CnHm в отработавших газах до 10% с одновременным повышением надежности системы.

Как уже отмечалось, отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания являются не единственным источником загрязнения атмосферы CnHm. Около 35% CnHm попадают в атмосферу с картерными газами и при испарении топлива из карбюратора и топливного бака.

Самым распространенным способом предотвращения попадания в атмосферу CnHm с картерными газами является использование замкнутой системы вентиляции картера.

Отработавшие газы (CnHm), попавшие в картер двигателя внутреннего сгорания, очищаются в маслоотделителе от капелек масла, поступают в воздушный фильтр, а затем в карбюратор, и сгорают в цилиндре. При замкнутой системе вентиляции картера выброс уменьшается на 10-50%.

Для уменьшения испарения топлива на автомобили устанавливается система улавливания паров бензина. Такие системы монтируются на автомобилях ВАЗ, предназначенных для экспорта в Северную Америку. Система улавливания паров бензина работает следующим образом: при неработающем двигателе внутреннего сгорания в случае достижения определенного давления паров в топливном баке они через трехпозиционный клапан поступают в адсорбер, представляющий собой емкость с активированным углем.

В адсорбере пары топлива накапливаются. При работающем двигателе внутреннего сгорания через адсорбер просасывается воздух, который уносит накопившиеся пары топлива во впускную систему двигателя. При работающем двигателе магистраль, связывающая топливный бак и адсорбер, перекрыта.

У автомобиля, оборудованного системой улавливания паров бензина, количество CnHm, попадающего в атмосферу при испарении топлива, уменьшается в 5 раз.

Состав отработавших газов в наибольшей степени определяется техническим состоянием двигателя внутреннего сгорания. На двигатели внутреннего сгорания приходится 84% неисправностей, влияющих на выброс токсичных веществ. Очевидно, что старые автомобили в эксплуатации имеют значительно более высокую токсичность отработавших газов, чем новые. Это объясняется изменением в результате эксплуатации технического состояния и регулировок систем питания и зажигания, газораспределительного механизма, износом цилиндропоршневой группы, отложением нагара на стенках камеры сгорания, увеличением потерь в трансмиссии и сил сопротивления движению.

Поддержание технического состояния автомобиля в период его эксплуатации позволяет значительно уменьшить загрязнение атмосферы продуктами неполного сгорания топлива (в среднем на 30-40% для одного автомобиля). В итоге цифра получается очень значительная, поскольку основную часть парка составляют автомобили со средними и большими пробегами.

Токсичность двигателя с искровым зажиганием можно существенно уменьшить путем совершенствования конструкции и формы камеры сгорания, впускной и выпускной систем двигателя, введения оптимальных регулировок состава смеси и угла опережения зажигания, применения непосредственного впрыска топлива, организации послойного смесеобразования, перепуска отработавших газов во впускную систему, впрыска воды, поддержания двигателя в должном техническом состоянии, рациональной его эксплуатации.

На выделение токсичных веществ двигателем с искровым зажиганием большое влияние оказывает состав смеси и угол опережения зажигания. Подбирая оптимальные в отношении токсичности регулировки указанных параметров, можно значительно уменьшить выделение токсичных веществ. Это в равной мере относится и карбюраторным, и к дизельным двигателям.

Наибольшее количество токсичных веществ двигатель выделяет при ускорении и замедлении автомобиля, а также на режиме холостого хода. Поэтому в первую очередь указанные выше параметры регулируются на этих режимах. Оптимальные регулировки двигателя являются эффективным средством для уменьшения токсичности двигателей (по продуктам неполного сгорания).

Признанным методом уменьшения выделения оксидов азота с отработавшими газами является перепуск части газов во впускную систему двигателя. Концентрация NOx в отработавших газах двигателя зависит от максимальной температуры и наличия свободного кислорода в продуктах сгорания.

Уменьшение выделения NOx с помощью рециркуляции части отработавших газов объясняется понижением максимальной температуры процесса сгорания из-за уменьшения количества топлива, поступающего в цилиндр при рециркуляции, и большей теплоемкости продуктов сгорания по сравнению с теплоемкостью воздуха.

Введение системы рециркуляции несколько ухудшает динамические качества автомобиля. При работе двигателя на этилированном бензине в системе рециркуляции и камере сгорания образуются отложения, которые содержат в основном свинец. Это приводит к нарушению ее нормальной работы.

Впрыск воды во впускной трубопровод двигателя приводит к понижению максимальной температуры цикла и, следовательно, к снижению концентрации NOx при работе. Впрыск воды несколько улучшает мощностные и экономические показатели двигателя.

Однако для массового автомобиля система вряд ли найдет применение из-за усложнения конструкции и необходимости иметь запас воды, соизмеримый с запасом топлива.

Для уменьшения выделения всех основных токсичных компонентов целесообразно применять глубокое расслоение смеси, при котором в первой стадии процесс сгорания происходит в зоне обогащенной смеси, а во второй стадии - в зоне обедненной смеси. Выход оксидов азота в первой стадии ограничивается недостатком кислорода, а во второй - низкой температурой. При послойном смесеобразовании обогащенная смесь находится в зоне расположения свечи зажигания. Это создает благоприятные условия для воспламенения смеси электрической искрой и формирования начального очага пламени, что обеспечивает устойчивую работу двигателя на обедненных смесях и уменьшение цикловой неравномерности. В настоящее время известно много способов послойного смесеобразования и сжигания неравномерно распределенной смеси.

На выделение токсичных веществ двигателями влияет большое число различных эксплуатационных факторов: режим работы, температура деталей камеры сгорания, нагарообразование, износ цилиндропоршневой группы, состояние топливоподающей системы и системы зажигания.

Уменьшение выделения токсичных веществ с картерными газами может быть достигнуто двумя методами: уменьшением прорыва газов в картер двигателя и предотвращением попадания картерных газов в атмосферу.

К системам, разрабатываемым в соответствии с этими методами, предъявляются следующие требования: высокая эффективность, простота конструкции и надежность ее работы, большой срок службы. Кроме того, применяемые устройства не должны ухудшать эксплуатационные показатели двигателя и увеличивать токсичность отработавших газов.

Более рациональным представляется первый метод, однако второй проще реализовать. Поэтому в настоящее время более разработанными являются системы, предотвращающие попадание картерных газов в атмосферу.

Уменьшение выброса углеводородов в атмосферу вследствие испарения топлива из карбюратора и топливного бака возможно различными способами: применением топлив с меньшей испаряемостью; адсорбцией паров топлива в специальных фильтрах; герметизацией топливного бака; сбором паров топлива в специальную емкость (или картер) при неработающем двигателе; конденсацией паров топлива; вентиляцией топливного бака во впускную систему двигателя; вентиляцией топливного бака для уменьшения колебаний температуры топлива в нем.

К системе, предотвращающей образование паров топлива или улавливающей их, предъявляются следующие требования: значительное уменьшение потерь топлива за счет испарения, универсальность, т.е. возможность применения системы на различных автомобилях, простота конструкции, компактность и большой срок службы. Кроме того, система не должна увеличивать выделение токсичных веществ с отработавшими газами (через воздействие на процесс сгорания) и ухудшать эксплуатационные показатели двигателя.

Способы воздействия на основные токсические компоненты можно сгруппировать так: уменьшение токсичности двигателей путем усовершенствования рабочего процесса и конструкции; регулировка угла опережения впрыска топлива и подбор топливной аппаратуры.

В отработавших газах дизелей доминируют такие токсичные вещества, как оксиды азота и сажа; кроме того, также необходимо обращать внимание на дымность и запах. Запах отработавших газов дизелей связан с присутствием в них ряда веществ (альдегидов и др.). В настоящее время проводятся работы по установлению связи между запахом и химическим составом отработавших газов. Борьба с запахом может проводиться как в направлении его устранения, так и превращения его из неприятного в приятный (добавка присадок).

Уменьшение угла опережения впрыска топлива на 1 градус снижает концентрацию NOx в отработавших газах. Содержание сажи в отработавших газах уменьшается с увеличением угла опережения впрыска. Таким образом, уменьшая угол опережения впрыска топлива, можно существенно снизить выделение оксидов азота дизелями, но при этом выделение сажи заметно возрастает, и для его уменьшения необходимо принимать специальные меры. Большое влияние на токсичность дизелей оказывают характеристики топливной системы: продолжительность впрыска и размеры сопловых отверстий распылителя. Следовательно, подбирая топливную аппаратуру, можно влиять на токсичность отработавших газов дизеля, особенно на их дымность.

Большое влияние на выделение токсичных веществ с отработавшими газами дизелей оказывает организация процессов смесеобразования и сгорания. Установлено, что двухкамерные (вихрекамерные и предкамерные) дизели выделяют примерно 50% оксидов азота от выбрасываемых однокамерными.

Одним из средств уменьшения выделения NOx с отработавшими газами дизелей является применение рециркуляции отработавших газов.

Дымность отработавших газов двигателей может быть уменьшена применением специальных устройств, корректирующих работу циркулятора. Эти устройства часто выполняют в виде амортизатора, который ограничивает скорость перемещения рейки топливного насоса высокого давления относительно положения, соответствующего максимальной подаче.

Определенное снижение дымности автотранспортных средств можно получить и более простым способом, ограничив ход рейки установкой постоянного упора простейшей конструкции (прокладка, шайба, ограничительный винт), величину снижения пусковой подачи подбирают из условий нормального запуска двигателя. Такого рода регулировка должна иметь сезонный характер.

5.2 Применение перспективных транспортных двигателей

Дизельные двигатели внутреннего сгорания. На ближайшую перспективу поршневые двигатели внутреннего сгорания останутся основным типом автомобильных двигателей, причем большое развитие должны получить дизельные двигатели внутреннего сгорания. Дизельные двигатели внутреннего сгорания начали широко применяться после второй мировой войны на грузовых автомобилях большой грузоподъемности. Но в последние годы такие преимущества дизельного двигателя внутреннего сгорания, как меньший удельный расход топлива (на 30-35%) и более низкая токсичность отработавших газов, обусловили их широкое применение не только на грузовых автомобилях большой и средней грузоподъемности и автобусах, но и на легковых автомобилях. У многих массовых зарубежных моделей легковых автомобилей существуют модификации с дизельным двигателем внутреннего сгорания.

В дизельных двигателях внутреннего сгорания (в отличие от карбюраторных) в цилиндры поступает, а затем сжимается только чистый воздух, необходимый для обеспечения процесса горения топлива.

Топливо подается форсункой при подходе поршня в верхнюю мертвую точку. К этому времени давление в цилиндре достигает 3,5-5,5МПа, а температура - 500 - 600С. В этих условиях смесь топлива с воздухом самовоспламеняется.

Небольшое, по сравнению с карбюраторным двигателем внутреннего сгорания, содержание СО и CnHm в отработавших газах дизельного двигателя внутреннего сгорания объясняется особенностью его рабочего процесса. Для дизельного двигателя внутреннего сгорания обычно коэффициент избытка воздуха составляет 1,3-1,4; особенно сильно смесь обедняется при работе двигателя на холостом ходу. Максимальное содержание NOx в отработавших газах, как и у карбюраторного двигателя внутреннего сгорания, соответствует наиболее экономичным режимам работы и объясняется высокими температурами в камере сгорания.

К недостаткам дизельного двигателя внутреннего сгорания с точки зрения токсичности отработавших газов относятся повышенное содержание сажи, соединений серы и неприятный запах отработавших газов. Большое содержание сажи связано с неоднородностью рабочей смеси, в результате чего распад (пиролиз) углеводородных соединений топлива сопровождается выделением чистого углерода. С отработавшими газами выносится только около 1% углерода, а большая его часть сгорает в двигателе. Более высокое содержание соединений серы объясняется тем, что в состав дизельного топлива входит до 1% серы, которая в процессе сгорания топлива окисляется до SO.

Отработавшие газы являются основным источником токсических веществ, выделяемых при работе дизельного двигателя внутреннего сгорания. С картерными газами и за счет испарений из топливной системы выделяется очень небольшое (в отличие от карбюраторного двигателя внутреннего сгорания) количество CnHm.

Работы по снижению токсичности отработавших газов дизельных двигателей внутреннего сгорания в основном сводятся к уменьшению выделения NOx и сажи. Добиваются этого как за счет совершенствования процессов смесеобразования и сгорания рабочей смеси, так и путем установки дополнительных устройств в системе выпуска, использования топлива с различными присадками, уменьшающими образование сажи.

Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. В качестве возможной замены поршневого двигателя внутреннего сгорания было сконструировано и предложено большое количество роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания. Роторно-поршневой двигатель фактически опередил изобретение поршневого двигателя внутреннего сгорания, к 1910г. перечень роторно-поршневых двигателей насчитывал более 2000 моделей. Наиболее удачной конструкцией является в настоящее время двигатель, разработанный Ф.Ванкелем в 1954г., поэтому очень часто роторно-поршневые двигатели называют двигателями Ванкеля. В середине 60-х годов несколько фирм освоили серийное производство автомобилей с роторно-поршневыми двигателями. В СССР была выпущена опытная партия автомобилей ВАЗ-21018 с роторно-поршневыми двигателями мощностью 48кВт (70 л.с.).

Рабочий цикл роторно-поршневого двигателя имеет ту же последовательность процессов, что и поршневой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием. В корпусе специальной формы вращается ротор, который совершает планетарное движение относительно эксцентрикового вала, постоянно касаясь поверхности корпуса. При этом образуются три отдельные перемещающиеся камеры. Смесеобразование происходит в карбюраторе обычного типа, воспламеняется смесь от свечи зажигания.

Роторно-поршневые двигатели имеют ряд несомненных преимуществ по сравнению с поршневыми: меньший вес и размеры; компактность, что особенно важно при создании малолитражных автомобилей с передними ведущими колесами; способность работы на бензине с низким октановым числом. Его конструкция относительно проста: в роторно-поршневом двигателе всего две вращающиеся детали - ротор и вал; практически отсутствуют вибрации при работе. Роторно-поршневой двигатель высокооборотен и обладает большой удельной мощностью.

Однако роторно-поршневой двигатель уступает поршневому двигателю внутреннего сгорания с искровым зажиганием по токсичности отработавших газов, особенно по содержанию CnHm. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, зона гашения пламени у роторно-поршневых двигателей больше, чем у поршневого двигателя внутреннего сгорания с такой же степенью сжатия. Во-вторых, основным источником повышенного содержания CnHm в отработавших газах роторно-поршневого двигателя являются утечки CnHm через уплотнения в выхлопную камеру. На малых оборотах масса несгоревшей смеси, просачивающейся в выхлопную камеру, может достигать 9% от общей массы рабочей смеси на впуске. С ростом числа оборотов масса просачивающейся смеси уменьшается. Помимо более высокого содержания CnHm в отработавших газах, к недостаткам роторно-поршневого двигателя можно отнести худшую топливную экономичность, меньший срок службы и необходимость применения ряда сложных уплотнений.

В то же время конструктивные особенности роторно-поршневого двигателя позволяют более эффективно применять устройства для уменьшения выделения CnHm с отработавшими газами. Высокая температура отработавших газов и небольшие размеры двигателя дают возможность использовать термический и окислительный каталитический нейтрализаторы, эффект от которых в данном случае выше чем у поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Роторно-поршневой двигатель остается наиболее перспективным в качестве силовой установки для легкового автомобиля.

Двигатель внутреннего сгорания с послойным смесеобразованием. Анализ влияния состава смеси на токсичность отработавших газов показывает, что уменьшение содержания токсичных компонентов в отработавших газах возможно либо при обогащении смеси, либо при обеднении. Но работа двигателя на обогащенной смеси приводит к большой концентрации в отработавших газах продуктов неполного сгорания, а при сильно обедненной смеси резко ухудшается работа двигателя внутреннего сгорания.

В результате многолетних исследовательских и опытно-конструкторских работ появился ряд схем поршневых двигателей внутреннего сгорания с послойным смесеобразованием. При послойном смесеобразовании обогащенная смесь находится только в зоне свечи зажигания, а остальная часть камеры сгорания заполнена обедненной смесью. Это создает благоприятные условия для начального воспламенения и обеспечивает работу на бедных смесях. Первоначально такие двигатели внутреннего сгорания разрабатывались для улучшения экономичности и возможности работы на разных сортах топлива, но работа двигателя внутреннего сгорания на бедных смесях позволила значительно понизить токсичность отработавших газов по сравнению с обычным двигателем.

Все схемы двигателя внутреннего сгорания с послойным смесеобразованием можно разделить на двигатели с открытой камерой сгорания и с разделенной камерой. Подробно рассмотрим только одну из разновидностей двигателя внутреннего сгорания с разделенной камерой - двигатель внутреннего сгорания с форкамерно-факельным зажиганием.

Отдельный карбюратор через впускной коллектор и отдельный впускной клапан подают обогащенную смесь в форкамеру, в которой установлена свеча зажигания. В форкамере смесь воспламеняется. Этим создаются благоприятные условия для воспламенения бедной смеси в основной камере сгорания от факела сгорающей богатой смеси. Обедненная смесь подается к основному впускному клапану от отдельного карбюратора через свой впускной коллектор.

Конструктивно двигатель внутреннего сгорания с форкамерно-факельным зажиганием несколько сложнее, чем обычный двигатель внутреннего сгорания, но токсичность его отработавших газов значительно ниже (например, выделение СО уменьшается в 2-2,5 раза). Уменьшается также на 8-10% расход топлива.

Разработан четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания с форкамерно-факельным зажиганием, а также двигатель внутреннего сгорания с форкамерно-факельным зажиганием для автомобиля ЗИЛ-130. Однако перспективы применения этих двигателей внутреннего сгорания скорее связаны с легковыми автомобилями и грузовыми малой грузоподъемности. На всех автомобилях средней грузоподъемности целесообразнее применять дизельный двигатель внутреннего сгорания.

Автомобильные газотурбинные двигатели - относятся к двигателям с внешним подводом теплоты. Интерес к ним автомобилестроение проявляет давно. Но лишь в самое последнее время их появление на рынке стало реальностью. Слишком долго к автомобилю пытались приспособить уменьшенные модификации авиационных газовых турбин, упуская из вида почти все особенности автомобильных силовых установок и специфические требования к ним - многорежимность, небольшую стоимость, простоту обслуживания, сроки службы и многое другое. Практически не принималось во внимание и то очевидное обстоятельство, что во всех классах мощности газотурбинным двигателям противостоят прекрасно освоенные поршневые двигатели и для замены одних другими нужны весьма существенные выгоды.

Двигатели, способные удовлетворить этим требованиям, по своей тепломеханической схеме, параметрам, программам регулирования и конструкции оказались для газотурбостроения совершенно новыми. Широкий диапазон низких расходов топлива при использовании простых турбин и компрессоров удалось обеспечить только при помощи очень большой (0,85-0,9) степени регенерации теплоты отработавших газов: в этом случае допустимы невысокие степени повышения давления и, главное, относительно невысокая (~1270К) максимальная температура цикла. Ее увеличение до авиационного уровня (1470-1570 К) в автомобильных газотурбинных двигателях практически невозможно, так как высокотемпературные турбины с внутренним охлаждением очень дороги, а само такое охлаждение при небольших размерах турбинных лопаток малоэффективно.

Многорежимные компактные теплообменники, а также поворотные сопловые аппараты турбин, необходимые для реализации рациональных программ регулирования регенеративных двигателей, автомобильному газотрубостроению пришлось осваивать самостоятельно. Особенно трудной оказалась проблема теплообменников - они долгое время были практически неработоспособными. Решить ее полностью, особенно применительно к двигателям большой мощности (более 1000кВт), не удалось до сих пор, хотя за рубежом разработкой металлических и керамических теплообменников для автомобильных газотурбинных двигателей много лет занимаются крупные специальные фирмы. Одним из наиболее работоспособных является, по всей видимости, металлический вращающийся теплообменник Горьковского автозавода; его конструкция с самого начала была подчинена требованиям надежности и ресурса.

Применение теплообменника выявило целый ряд непредвиденных проблем. Выяснилось, что двигатель со встроенным теплообменником представляет собой мощный аккумулятор теплоты, существенно осложняющий работу многих узлов. Например, после остановки двигателя температура подшипников его ротора возрастает в течение 1,5-2 ч и, чтобы они не вышли из строя, через них необходимо 15-20мин прокачивать масло; нестационарные тепловые потоки на переходных режимах вызывают такое сильное коробление опор вращающегося теплообменника, что в нескольких конструкциях пришлось предусмотреть их жидкостное охлаждение.

В целом автомобильные газотурбинные двигатели оказались гораздо более сложными, чем это предполагалось ранее, и недостаточно надежными.

Принципиальная схема современного автомобильного газотурбинного двигателя показана ниже. Из реально выполненных схем к ней ближе всего две: двигатели GT-601 с пластинчатым теплообменником, изготовленного международным концерном ITI, и двигатели ГАЗ-903 с вращающимся теплообменником.

Схемы двигателей других фирм от показанной отличаются некоторыми элементами. К примеру, двигатели фирмы GMC имеют одноступенчатый центробежный компрессор и вращающийся керамический теплообменник; у двигателей фирмы «Вольво» тепломеханическая схема более сложная.

Все перечисленные автомобильные газотурбинные двигатели из обычных для газотурбостроения материалов и рассчитаны на грузовые автомобили, автобусы, сельскохозяйственные, дорожные и специальные машины. Их мощность - в пределах 200-600 кВт: при меньшей мощности заметно возрастает (из-за низких КПД малых турбомашин) расход топлива. Расширять названные пределы в сторону увеличения до освоения менее мощных двигателей за рубежом считают нецелесообразным, тем более, что как уже отмечалось выше, соответствующие теплообменники сделать еще не удалось. Кроме того, освоение двигателей средней мощности создает необходимую базу и для маломощных двигателей легковых автомобилей, выполненных на основе широкого использования керамики.

«Металлические» автомобильные газотурбинные двигатели рассматриваемого класса мощности разрабатывают многие фирмы («Дженерал моторс», «Вольво», ITI, MTU, ГАЗ). Пробег опытных газотурбинных автомобилей и автобусов с такими двигателями измеряется многими миллионами километров. Поэтому оценить их перспективы можно достаточно уверенно.

Электромобили являются самым радикальным средством борьбы за чистоту атмосферы, особенно в больших городах, так как они не выбрасывают в воздух токсичные выхлопные газы.

В настоящее время в мире эксплуатируются несколько десятков тысяч электромобилей (только в Англии их около 30тыс.). Видимо и в дальнейшем парк будет расти. Поэтому вопросы надежности таких автотранспортных средств, безусловно представляют значительный интерес для практики. Данные по надежности различных электромобилей, эксплуатирующихся в различных странах мира уже имеются, хотя их и не так много.

Например, американская электромобильная ассоциация провела опытную 26-месячную эксплуатацию 74 электромобилей. При этом было установлено, что средняя наработка на отказ (при среднем числе рабочих дней в месяце - 26) составила 136,2 дня, но 80% всех отказов зарегистрировано в первый год эксплуатации. Наработка на отказ для электромобилей с годовым пробегом до 3600км составила около 600км, а с пробегом более 3600км - 1800км.

Таблица 14 Надежность основных систем электромобилей

Элементы конструкции	Отказы
	Число	%
Все электрооборудование	403	73,8
Импульсный преобразователь	93	17
Тяговая аккумуляторная батарея	62	11,4
Бортовое зарядное устройство	28	5,1
Предохранители	33	6
Счетчик энергии тяговой аккумуляторной батареи	77	14,1
Тяговый электродвигатель	5	1
Преобразователь (вторичный источник питания)	105	19,2
Механические узлы	143	26,2

Таким образом, было зафиксировано три наименее надежных системы на электромобилях: электронный преобразователь вторичного источника питания, импульсный тиристорный преобразователь и электронный счетчик энергии тяговой аккумуляторной батареи.

При эксплуатации в Англии в течение двух лет пассажирских автобусов «Лукас» было определено, что коэффициент технической готовности этих машин составил 0,26-0,52 против 0,8-0,85 для дизельных автобусов, обслуживающих те же маршруты. Эксплуатация аккумуляторных и гибридных (имеющих двигатель внутреннего сгорания и тяговую аккумуляторную энергоустановку) электробусов осуществлялась также в Германии и Японии. Испытания в Германии, где гибридные электробусы в городских перевозках использовались достаточно широко, показали, что их техническое состояние характеризуется высоким коэффициентом технической готовности. Срок службы тяговых свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, работающих в составе гибридной энергоустановки составил циклов «заряд-разряд» (для обычного электромобиля - 300 циклов).

В последние годы в мире ведутся настойчивые попытки найти замену для свинцовых аккумуляторов, используемых на электромобилях. Работы ведутся по различным новым типам аккумуляторов, особенно по железоникелевым, цинкохлорным, натриевосерным, а также по алюминиево-воздушному топливному элементу, который является одной из перспективных систем электропитания - в нем электрическая энергия образуется за счет химической реакции металлического алюминия с кислородом атмосферного воздуха в присутствии электролита. Восстановление работоспособности истощенного алюминиево-воздушного топливного элемента осуществляется не путем медленного заряда от сети, а доливкой воды в электролит через каждые 400-600км пробега и заменой анодных алюминиевых пластин через каждые 1600-4800км пробега. При этом алюминий в качестве топлива способен выделить в 2 раза больше энергии на единицу массы, чем бензин при его сгорании в двигателе внутреннего сгорания. Несмотря на очевидность и несомненность преимуществ электромобильного транспорта перед автомобильным с точки зрения экологии и защиты окружающей среды, основным фактором, сдерживающим широкое применение электромобилей является ограниченный запас их хода, обусловленный низкой удельной энергией существующих типов аккумуляторных батарей. Кроме того, в настоящее время на электромобилях лишь 40% энергии, запасенной в аккумуляторных батареях, затрачивается на преодоление сопротивления движению, а остальная ее часть бесполезно теряется в электроприводе, батареях и механических тормозах. Некоторые из электромобилей снабжаются прицепами для запасных аккумуляторов, но лишний груз создает неудобства и ограничивает скорость движения.

6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Экономические показатели применения газового транспорта

В больших городах весьма остро стоит проблема состояния окружающей среды, здоровья населения и связанное с этим сокращение выброса загрязняющих веществ автотранспортом.

Исходя из важности проблемы, в марте 2001 года правительствами стран СНГ было подписано Межправительственное Соглашение «О сотрудничестве в области использования природного газа в качестве моторного топлива для транспортных средств». На Украине для комплексного решения проблемы в сентябре 2001 года Министерство энергоресурсов разработало программу, предусматривающую расширение использования альтернативных видов топлива для транспорта.

В настоящее время наиболее перспективными альтернативными видами топлива признаны: компримированный (сжатый) природный газ - метан, сжиженный нефтяной газ - пропан-бутан, сжиженный природный газ - метан.

По объему замены бензина газом Украина занимает первое место среди стран СНГ.

Исходя из изложенного, на Львовском автобусном заводе на базе автобуса ЛАЗ-695Н с двигателем с искровым зажиганием с 1985 года была разработана конструкция и начато производство автобуса ЛАЗ-695НГ, работающего на компримированном природном газе и бензине. Только за первые десять лет производства было выпущено 7725 таких автобусов, массовая эксплуатация которых в различных условиях показала их существенные преимущества. Экономичность автобуса, исходя из затрат на топливо за единицу пробега автобуса при работе на бензине А-76 и на природном газе иллюстрируется в нижеследующей таблице.

Кроме экономичности, важным преимуществом двигателя, работающего на газе является низкая токсичность.

Очевидно, что при использовании природного газа в качестве моторного топлива возникают дополнительные затраты, связанные с приобретением и установкой газобаллонного оборудования. По результатам технико-экономического обоснования цены и эксплуатационных показателей газобаллонного автобуса ЛАЗ-695НГ, в сравнении с базовым автобусом ЛАЗ-695Н можно сделать следующие выводы:

Автобус ЛАЗ-695НГ дороже базового автобуса ЛАЗ-695Н ориентировочно на 50590тг, в основном за счет высокой цены газовых баллонов.

Себестоимость транспортной работы автобуса ЛАЗ-695НГ составляет 0,183тг/пасс-км, что на 37% меньше себестоимости ЛАЗ-695Н, в основном за счет существенной разницы затрат на топливо.

Годовые эксплуатационные затраты также меньше на 40% и составляют 295130тг.

Таблица 15. Расход топлива

Скорость движения км/ч	Расход топлива и его стоимость на 100км.
	Бензин, л.	Стоимость тг.	КПГ м3	Стоимость тг.
40	29,0	1450	31,5	652,5
50	30,1	1505	28,5	677,25
60	32,9	1645	31,7	740,25
70	35,6	1780	33,9	801

Таблица 16 Выбросы СО

Частота оборотов коленчатого вала мин-1	Содержание СО %
	Без нейтрализатора	С нейтрализатором
	Бензин	Газ	Бензин	Газ
600	1,3	0,5	0,03	0,012
1900	0,6	0,08	0,03	Не выявлено

 Таблица 17 Выбросы газов

Выбросы	Масса газов, мкг/км
	Без нейтрализатора	С нейтрализатором
	Бензин	Газ	Бензин	Газ
СО	217,2	71,1	17,3	7,5
СпНм	12,5	4,69	6,3	0,5
NOx	12,6	7,2	8,9	6,5

Окончательная цена автобуса ЛАЗ-695НГ - 780590тг.

Годовой экономический эффект от использования автобуса ЛАЗ-695НГ - 346824тг.

Окупаемость некоторого увеличения себестоимости автобуса ЛАЗ-695НГ вследствие снижения годовых эксплуатационных затрат при прочих равных показателях составляет 2 месяца эксплуатации автобуса.

Наряду с производством серийных газовых автобусов на ЛАЗе разработаны конструкции перспективных моделей автобусов, переоборудованных для работы на газовом топливе. Одно из их преимуществ заключается в возможности компактно разместить газовое оборудование и газовые баллоны внизу под полом в багажных нишах автобусов.

Однако, наиболее эффективно работают на компримированном природном газе автобусы с двигателями с зажиганием от искры. Газодизельные автобусы из-за наличия запальной дозы жидкого моторного топлива и использования его при работе на малых оборотах - несколько менее эффективны. Поэтому можно полагать, что современные большие газобаллонные автобусы, оснащенные газовыми двигателями с воспламенением от искры, могут составить серьезную конкуренцию парку автобусов с двигателями с воспламенением от сжатия как по экономическим, так и по экологическим показателям.

Тем не менее, при переходе на газодизельный цикл мощность двигателя увеличивается более чем на 10%, а расход дизельного топлива составляет всего 17-20% от требуемого объема, остальное расход газа.

Поэтому на ОАО ЛАЗ ведется конструкторско-технологическая подготовка производства газодизельных автобусов в первую очередь модели ЛАЗ-1414, которая сменит устаревшую модель ЛАЗ-695Н, и планируется к производству в наибольших количествах как основная базовая модель завода.

Это семейство газодизельных автобусов типа ЛАЗ-1414-03 универсального назначения (пригородные второго класса) имеет 35-39 мест для сидения при общем количестве 55-66 пассажиров. Их снаряженная масса 9260-9360кг, объем багажников 2,0-2,8м3, линейная норма расхода топлива на 100км: дизельного - 10,4л, газового - 24,5м3.

На автобусе установлены двигатели с зажиганием от сжатия российского производства ЯМЗ-236А, ЯМЗ-236НЕ и ЯМЗ-236НЕ2, переоборудованные для работы по газодизельному циклу. Это двигатели с V-образным размещением шести цилиндров номинальной мощности 143 (195) - 169 (230) кВт (л.с.)

Шесть газовых баллонов украинского производства размещены в багажном отсеке в базе автобуса под полом. Предпусковой подогреватель модели «Webasto» или «Ржев». КПП - механическая, 5-ступенчатая модели ЯМЗ-236Л.

Одно из преимуществ нового газодизельного семейства в сравнении с базовым заключается в том, что при аналогичных показателях по годовому пробегу (81,4тыс.км.) и производительности автобусов (3,15 млн.пасс/км), себестоимость транспортной работы значительно снижена за счет уменьшения затрат на топливо с 2,65тг./км до 1,95тг./км и смазочные материалы с 0,24тг./км до 0,17тг./км, несмотря на некоторое увеличение затрат на зарплату водителя и амортизацию с 2,76тг./км до 2,96тг./км. В результате стоимость 1км. пробега в эксплуатации уменьшена с 6,84тг./км до 6,33тг./км и себестоимость 1 пасс.км. - с 0,18 тг./км до 0,16тг./км, что позволило значительно уменьшить годовые эксплуатационные затраты с 557205тг. до 515735тг.

По результирующему показателю автобус ЛАЗ-А1414-03 конкурентоспособен в диапазоне цен 1647060-1972550 тенге без НДС и годовому экономическому эффекту в эксплуатации ориентировочно 392118 тенге на один автобус. Окупаемость инвестиции при стоимости дополнительного газового оборудования 112350 тенге составит 2,8 года.

Аналогичные результаты получены в процессе конструкторско-технологической подготовки производства среднего пригородного автобуса ЛАЗ-42078G с двигателем ЯМЗ-236А мощностью 195л.с., переоборудованным под газодизельный цикл, на 39-43 места для сидения.

6.2 Экономические методы оценки здоровья граждан

Специалисты в области экономики природопользования полагают, что оценка последствий загрязнения окружающей среды для здоровья человека может включать расходы на лечение, на профилактику болезни и расходы, связанные с ограничением видов жизнедеятельности.

В США и Великобритании исследуется готовность населения платить за предотвращение риска преждевременной смерти из-за профессиональной деятельности или в связи с дорожно-транспортными происшествиями.

Из исследований американского экономиста Джона А.Диксона и других следует, что ценность статистической жизни нельзя сопоставить со стоимостью жизни отдельного человека. Ценность статистической жизни представляет собой стоимость незначительного изменения степени риска, связанного с гибелью некоего безымянного члена большой группы людей. Определение финансового выражения степени риска, травмы или заболевания в отношении большой группы людей является той задачей, которую общество обязано решать в процессе повседневной деятельности, в том числе и при снижении степени загрязнения окружающей среды.

Стоимость статистической жизни в США, рассчитанной на основе дифференцированной надбавки к заработной плате, колеблющейся в пределах от 100 до 800 долларов, при величине годового риска смерти, равной 0,0001. Эта величина составляет от 1 до 8 млн. долларов, в расчете на статистическую жизнь.

Другим методом оценки полученных выгод в результате предупреждения преждевременной смерти является проведение опроса с целью определения стоимости сохранения одной жизни. Этот способ можно считать разновидностью анализа «затраты-эффективность» применительно к статистической жизни. Американские специалисты считают, что превентивные мероприятия для спасения одной жизни бывают очень дорогими - до 52 млн. долларов, для спасения одной жизни от заболевания раком при работе с пестицидами и 49 млн. долларов при работе с асбестосодержащей продукцией.

Оценка стоимости жизни конкретного человека поднимает острые моральные и этические проблемы. Разброс значений всегда достаточно велик, среднее значение составляет примерно 3 млн. долларов (в Великобритании - до 1 млн. фунтов стерлингов).

В каждом конкретном случае оценка зависит от уровня медицинского обслуживания в стране. Так, в США при госпитализации лиц с респираторным заболеванием учитываются следующие показатели:

- средняя продолжительность госпитализации - 10-13 дней;

- средняя стоимость пребывания - 26898 долларов;

- «потерянная» ежедневная заработная плата - 125 долларов.

Каждый случай заболевания дыхательных путей у детей обходится в 326 долларов, день ограниченной деятельности - 58 долларов, каждый случай обращения за неотложной помощью - 258 долларов.

Как правило, стоимость человеческой жизни тем выше, чем выше прожиточный уровень и степень экономического развития государства.

Для реализации социально-экономических программ на территории Республики Казахстан, в том числе для определения ущерба, наносимого здоровью населения неблагоприятной экологической обстановкой, можно прибегнуть к следующим методологическим подходам.

В нашей стране в эпоху экономических реформ утверждается (или точнее публикуется) время от времени сумма прожиточного минимума или потребительская корзина с набором продуктов питания и социальных услуг. Не будем в данном случае брать региональный уровень, любому здравомыслящему человеку даже не специалисту в области экономики, совершенно понятно, что уровень жизни в столице резко отличается от уровня жизни на периферии.

Если остановиться на среднеказахстанских показателях, то в последнем квартале 2002 года средний прожиточный минимум составлял немногим более 3 тыс.тенге.

Далее обратимся к демографической ситуации в Казахстане. Не станем заниматься дискриминацией людей по половому признаку и возьмем среднюю продолжительность жизни 65 лет, стоимость жизни (Стж ) будет равна:

Стж = 3000,0 * 12 * 65 = 2,34 млн.тенге.

От этой цифры и будем отталкиваться при следующих эколого-экономических расчетах в ходе определения ущерба, наносимого здоровью граждан Республики Казахстан, при расчете возможных государственных и частных субсидий за неблагоприятное качество окружающей среды, за загрязнение атмосферного воздуха, почв и водных ресурсов.

Поскольку потеря здоровья граждан состоит в среднем на 20% вследствие качества окружающей среды и несоблюдения мер экологической безопасности можно предложить следующий методологический подход по выплате эколого-социальных дотаций гражданам в случае потери трудоспособности или получения инвалидности по экологическим причинам в особо загрязненных городах и регионах Казахстана.

Срок выплаты дотаций (Срв) будет составлять в среднем 20% от среднеказахстанской продолжительности жизни:

Срв = 0,2 * 65 = 13 лет

Сумма дотаций (Сд) определяется от общеказахстанской стоимости жизни:

Сд = 2,34 * 0,2 = 0,468 млн.тенге = 468 тыс.тенге

Поскольку протяженность выплаты эколого-социальных дотаций составляет 13 лет, то ежегодные выплаты конкретному гражданину (Ежв) будут равны:

Ежв = 468 / 13 = 36 тыс. тенге

Подобная выплата может производиться государственными или частными (акционерными) предприятиями-природопользователями, по вине которых произошло катастрофическое нарушение экологической безопасности, что повлекло нанесение невосполнимого ущерба здоровью людей и потерю ими полной или частичной трудоспособности.

Думается, что конкретные деньги на подобные цели получить с природопользователей весьма непросто, но во что выливается произодственно-технологическая деятельность для жизни граждан, знать все же необходимо.

Изложенные выше методологические подходы по оценке стоимости жизни в Республике Казахстан и выделение экологической составляющей в виде 20% от стоимости жизни могут быть реализованы в стране в виде специального закона либо поправок к действующим закона.