Технические и эксплуатационные методы обеспечения экологической безопасности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Технические и эксплуатационные методы обеспечения экологической безопасности

Содержание:

1. Совершенствование двигателей внутреннего сгорания

2. Альтернативные двигатели АТС

3. Альтернативные виды топлив для автомобилей. Топливные присадки

4. Фильтры и катализаторы выхлопных газов

5. Устройства для локальной очистки воздуха над магистралями

1. Совершенствование двигателей внутреннего сгорания

Эксплуатационные мероприятия осуществляются в процессе эксплуатации транспортных средств и направлены на поддержание их состояния на уровне заданных экологических нормативов за счет технического контроля и высококачественного обслуживания.

Конструкторско-технические мероприятия позволяют внедрить современные инженерные, санитарно-технические и технологические средства защиты окружающей среды от вредных воздействий на предприятиях и объектах транспорта, технические новшества в конструкции подвижного состава.

Экологическая безопасность будет повышаться за счет улучшения экологических показателей транспортных средств, совершенствования технологических процессов и оборудования, применяемых в перевозочном процессе, при ремонте и техническом обслуживании.

Конструкторско-технические мероприятия, осуществляемые на подвижном составе, группируются по направлениям: повышение экономичности двигателей, снижение массы конструкции, уменьшение сопротивления движению, снижение токсичности отработавших газов, использование экологически более чистых видов топлива, применение электрической энергии. На стационарных источниках сокращение вредных выбросов достигается переходом к экологически безопасным ресурсосберегающим технологиям.

Повышение экономичности двигателей достигается совершенствованием их конструкции и позволяет сократить потребление топлива и соответственно снизить выбросы загрязняющих веществ. Одновременно обеспечивается сбережение топливно-энергетических ресурсов, что является еще одной важной экологической задачей.

Работы по совершенствованию конструкции интенсивно ведутся как для карбюраторных двигателей, так и для дизелей. К настоящему времени в этой области предложено много технических решений, и поиски продолжаются.

Улучшение рабочего процесса двигателя достигается применением различных устройств в карбюраторе. К таким устройствам относится ограничитель разрежения, действующий на режиме принудительного холостого хода, позволяющий снизить расход топлива и масла. Наибольшее применение получили экономайзеры принудительного холостого хода, снижающие расход топлива на 1,5-2% и содержание оксида углерода в отработавших газах в 2,1 раза за период замедления. Почти все современные карбюраторы оснащены электронным управлением смесеобразованием, что позволяет поддерживать оптимальный состав топливно-воздушной смеси на различных режимах работы двигателя, повышает топливную экономичность и уменьшает выброс загрязняющих веществ до 5%.

Несмотря на достигнутый высокий уровень технического совершенствования систем питания с карбюраторами они имеют ограниченный предел адаптации к различным режимам работы двигателя. В связи с этим широкое распространение получили системы питания с электронных впрыском топлива. Большинство зарубежных и новые отечественные двигатели оснащаются системой с микропроцессорным управлением впрыскиванием бензина и электронным зажиганием. Доля легковых, автомобилей, снабженных системами впрыска топлива, составляет в мире около 80%, а с учетом дизельных двигателей - 90%. Причинами такого распространения систем впрыска являются повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов. Применение электронных систем впрыска топлива с точным дозированием топлива по отдельным цилиндрам на всех режимах работы двигателя позволяет повысить мощность двигателя на 10-30% и снизить расход топлива на 20-30%.

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время исследовательские и практические работы по совершенствованию существующих двигателей проводятся по следующим основным направлениям: улучшение системы зажигания, изменение процессов подачи топлива в цилиндры двигателей, установка дополнительных приборов, уменьшающих содержание вредных компонентов в отработавших газах.

Система зажигания оказывает существенное влияние на процессы сгорания топлива. Известно, что система искрового зажигания рабочей смеси с помощью традиционного распределителя-прерывателя не всегда удовлетворяет современным требованиям, связанным с полнотой сгорания топлива. Этот прибор достаточно «капризен». В условиях эксплуатации он не всегда надежно осуществляет зажигание смеси, а это сопровождается повышением в выхлопе продуктов неполного сгорания: окиси углерода и несгоревшего топлива.

Существенное улучшение в этом отношении дает применение бесконтактного электронного зажигания, которое обеспечивает более мощный разряд на свечах зажигания и отличается большей стабильностью работы. В последнее время система электронного зажигания получает все большее распространение. На некоторых новейших моделях зарубежных автомобилей эта система дополняется микро-ЭВМ, которая автоматически изменяет момент опережения, зажигания смеси в зависимости от нагрузки на двигатель и скорости движения, оптимизирует расход топлива и состав отработавших газов.

Для улучшения процесса сгорания топлива в цилиндре широкое применение находит так называемое форкамерное, или факельное, зажигание. Сущность форкамерного зажигания состоит в том, что в малой форкамере богатая смесь поджигается как обычно электрической искрой, а образующийся при этом мощный факел пламени зажигает основную часть более бедной рабочей смеси в цилиндре, что сопровождается улучшением сгорания топлива. Такие двигатели позволяют уменьшить выброс всех токсичных компонентов, включая и окислы азота, и при этом экономить до 10% топлива. Названная система применяется, в частности, на двигателях новой модели автомобиля «Волга-3102».

Изменение процессов подачи топлива в цилиндры достигается рядом приемов. Первый из них -- это попытка установки на двигателе двух карбюраторов вместо одного. Выше отмечалось, что при работе двигателя на холостом ходу содержание в выхлопе ряда токсичных веществ увеличивается. Чтобы сократить количество этих веществ при работе двигателя на холостом режиме, нужно отрегулировать карбюратор на обедненную или бедную смесь (1 ч. бензина примерно на 20 ч. воздуха), но тогда двигатель не будет развивать необходимой мощности при работе с нагрузкой и не обеспечит надлежащей тяги и скорости. Выход из этого положения дает установка второго карбюратора, который регулируется на нормальную смесь (1 ч. топлива на 15 ч. воздуха) и питает двигатель на рабочих режимах.

Позднее были разработаны новые, более сложные конструкции карбюраторов, способных в одном блоке совмещать указанные функции и готовить необходимый состав рабочей смеси на любой режим работы двигателя.

Второй прием состоит в изменении клапанного механизма с целью более тонкого распыления и лучшего перемешивания смеси при поступлении ее в цилиндры. В ряде новых конструкций предусматривается регулирование высоты подъема впускных клапанов в зависимости от нагрузки, что улучшает процесс заполнения цилиндров смесью и сгорания ее.

Третий прием состоит в отказе от традиционного карбюратора и замене его приборами (форсунками) для непосредственного впрыска топлива во впускной трубопровод или в цилиндры. Эта система, впервые примененная в 1934 г.- на спортивных автомобилях, обеспечивает наилучшее распыление топлива и перемешивание его с воздухом, а также равномерное распределение смеси по отдельным цилиндрам. При этом способе не наблюдается оседания топлива в виде капель на стенках впускного трубопровода.

Система непосредственного впрыска особенно эффективна в сочетании с электронным управлением, которое автоматически дозирует топливо в зависимости от режима работы двигателя. Установлено не только снижение токсичности газов и экономия топлива, но и повышение мощности двигателей на 10--20%.

Некоторые устройства впрыска позволяют образовывать в зоне свечи обогащенную смесь (легко воспламеняемую от искры), а в остальной полости камеры сгорания -- бедную. Такое послойное смесеобразование обеспечивает надежную работу двигателя при результирующей обедненной смеси. Указанное послойное разделение заряда получают различными конструкционными решениями, но чаще всего это направленный впрыск топлива в камеру сгорания. Система широко применяется на новых автомобилях за рубежом.

Разрабатываются и другие приемы для снижения токсичности отработавших газов на существующих типах двигателей. Однако многие разработки не получили пока не только распространения, но и общего признания.

Отмечая положительные качества упомянутых выше конструкционных изменений, следует все же признать, что они не дают кардинального решения задачи. Кроме того, нужно иметь в виду, что подобные предложения можно осуществить на вновь выпускаемых автомобилях. Переделка же двигателей на действующих автомобилях практически не реальна. Поэтому важным направлением признается разработка различных типов нейтрализаторов токсичности отработавших газов, которые можно устанавливать не только на новых, но и на эксплуатируемых автомобилях с небольшими переделками.

Использование электроники для управления системами двигателей

Одно из условий экономного расходования топлива и минимального выброса веществ в окружающую среду двигателями различных типов и назначения - точное выдерживание во всех возможных режимах работы оптимальных параметров систем двигателя, определяющих его токсичность и экономичность. Для БД такими системами, в первую очередь, являются системы питания и зажигания. Поэтому первые электронные системы, применяемые в двигателях, использовали для управления составом смеси и углом опережения зажигания.

Управление составом смеси с помощью электронных систем более легко осуществить при системе впрыска бензина, которая по сравнению с карбюратором имеет ряд преимуществ: равномерное распределение смеси по цилиндрам двигателя, более точное дозирование топлива, возможность автоматизации процессов пуска и прогрева, отключение подачи топлива в режиме принудительного холостого хода двигателя, коррекции подачи топлива в зависимости от параметров окружающей среды [1, 138].

Эти преимущества дают возможность повысить энергетические показатели двигателя, улучшить его топливную экономичность и пусковые качества, снизить токсичность ОГ по некоторым веществам. Причинами, препятствующими поверхностному применению систем электронного впрыска, являются сложность конструкции, более высокая стоимость и в ряде случаев меньшая надежность в эксплуатации.

Особый интерес представляют системы питания с обратной связью, т. е. изменения состава смеси с учетом состава ОГ. Такие системы широко используют для поддержания состава смеси, близкого к стехиометрическому, что необходимо для последующей эффективной нейтрализации вредных веществ в ОГ, а также для поддержания состава смеси на пределе эффективного обеднения в двигателях, работающих на сильно обедненных смесях топливовоздушных смесей. Электронные системы с обратной связью широко используют и в карбюраторных двигателях в связи с основным преимуществом карбюраторных систем - их дешевизной по сравнению с системами впрыска.

Электронные системы зажигания на первом этапе применения в двигателях обеспечивали более мощную энергию разряда на свече зажигания, в последующем, их стали широко использовать для оптимальных значений угла опережения зажигания в зависимости от режима работы двигателя, изменения этого режима во времени, состава смеси и других параметров. В последнее время начинают получать распространение комплексные системы регулирования БД с использованием мини-эвм, которые управляют составом смеси, углом опережения зажигания, интенсивностью рециркуляции ОГ, показателями работы двигателя в режиме холостого хода, в зависимости от различных параметров, характеризующих работу и техническое состояние двигателя, состояние окружающей среды.

Наряду с обеспечением оптимальных параметров управления двигателями в ряде электронных систем предусмотрено диагностирование технического состояния основных систем двигателя и выдача сигналов отклонении параметров от нормы. Такие системы позволяют снизить количество выбросов и расхода топлива не только за счет обеспечения оптимальных параметров систем двигателя, но и из-за своевременного выявления и устранения неисправностей и отклонений регулировок от оптимальных.

Применение дизелей и жесткие нормы выбросов вредных веществ предопределили интенсивные работы по использованию электронных систем управления в этих двигателях. На первом этапе электронные системы применяли для более точного поддержания частоты вращения и обеспечения оптимальных углов опережения впрыскивания, особенно в стационарных дизелях или дизель-генераторных установках для прецизионного контроля частоты вращения и минимального отклонения от заданной величины при изменении нагрузки.

В настоящее время на транспортных дизелях электронные системы контролируют работу и обеспечивают управление большим количеством параметров с использованием микрокомпьютеров. Преимущества таких систем по сравнению с механическими следующие: получение скоростных характеристик дизеля любой формы, оптимальных для данных условий движения; снижение вредных выбросов и расхода топлива путем оптимизации угла опережения впрыскивания; отклонение части цилиндров в режиме холостого хода; обеспечение необходимого запаса цикловой подачи топлива при пуске. Часто такие системы наряду с управлением диагностируют техническое состояние основных систем дизеля.

2. Альтернативные двигатели АТС

Необходимость охраны среды обитания от загрязнения отработавшими газами автомобилей и требования топливной экономичности поставили перед конструкторами транспортных средств вопрос: насколько бензиновые (карбюраторные) двигатели перспективны для будущего автомобильного транспорта и какие двигатели могут прийти им на смену.

В качестве альтернативных карбюраторному стали предлагаться дизели, роторный двигатель, газовая турбина, паровая поршневая машина, паровая турбина, двигатель «внешнего» сгорания (Стирлинга), инерционный двигатель и некоторые другие.

Дизельный двигатель. Считается, что в борьбе за уменьшение загрязнения воздушного бассейна дизельные двигатели могут сыграть существенную роль. Относясь к классу двигателей внутреннего сгорания, дизель отличается от карбюраторного двигателя: имеет более высокие степени сжатия, которые обеспечивают самовоспламенение топлива, ввиду этого отпадает надобность в системах электрического зажигания; вместо карбюратора используются топливные форсунки, осуществляющие под большим давлением впрыск топлива в цилиндры.

В табл. 15 приводится сравнение токсичности отработавших газов у карбюраторных двигателей и дизельных.

Как видно из табл. 1, дизельный двигатель выделяет значительно меньше окиси углерода и углеводородов. В его отработавших газах содержится даже меньше окислов азота, если по этому компоненту его сравнивать с бензиновыми двигателями с особо высокой степенью сжатия. Однако крупными недостатками дизелей являются дымность, неприятный запах и более высокий уровень шума. Тем не менее, более высокая тепловая экономичность дизелей (эксплуатационный к.п.д. 30--35% вместо 20--25% у карбюраторных двигателей), способность работать на более дешевом (дизельном) топливе, возможность получения относительно больших мощностей предопределили дизелю доминирующее положение в мировом грузовом автомобильном парке и парке автобусов. К этому следует добавить, что ряд автомобильных фирм уже в течение многих лет выпускает и легковые автомобили с дизельными двигателями, причем выпуск таких автомобилей возрастает.

В нашей стране осуществляется дизелизация грузового и автобусного парков и разрабатываются меры по использованию дизелей на легковых автомобилях. Ведутся серьезные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по дальнейшему совершенствованию дизелей: повышению топливной экономичности, удельной мощности, надежности и долговечности, а также снижению металлоемкости, токсичности отработавших газов. Одна из важных мер, позволяющих достичь поставленных целей,-- применение так называемого турбонаддува, т. е. постановка на дизель специального турбокомпрессора для нагнетания в цилиндры большего количества воздуха. На лучших образцах получен к. п. д., равный 45%.

Повышению экологических показателей дизелей способствует применение турбонаддува и рециркуляции отработавших газов.

Турбонаддув обеспечивается сжатием воздуха перед поступлением его в цилиндры дизеля. В результате происходит хорошее наполнение цилиндров. Мощность двигателя повышается, а топливная экономичность возрастает на 4-6%. Турбонаддув применяют на грузовых автомобилях семейств КамАЗ и МАЗ, а также на карбюраторных автомобилях.

Рециркуляция представляет собой перепуск части отработавших I газов во впускной трубопровод двигателя. Ее целесообразно использовать в допустимых пределах при работе двигателя на малых и средних нагрузках. Применение 10% рециркуляции позволяет снизить содержание оксидов азота в отработавших газах примерно на 30-40% и улучшить процесс смесеобразования без существенного изменения расхода I топлива, хотя дымность несколько возрастает.

Оснащение дизелей современными электронными системами управления в сочетании с турбонаддувом, рециркуляцией и высокоэффективной фильтрацией отработавших газов позволяет удовлетворять требования норм токсичности на уровнях Евро I и Евро III. Так, установка на автопоезд МАЗ-АТ98 двигателя MAN с микропроцессорной системой оптимального управления подачей топлива или дизеля Detroit Gummins с электронным впрыском обеспечивает выполнение жестких требований в первом случае - Евро-II, а во втором - Евро-III (табл. 2).

Роторный двигатель. Это -- бензиновый двигатель, имеющий принципиально иную конструкцию основного силового агрегата. У роторного двигателя нет цилиндров и шатунно-кривошипной группы. Вместо поршней с их возвратно-поступательными движениями он имеет вращающийся ротор, который передает крутящий момент через зубчатую передачу. В роторном двигателе нет клапанов, а лишь впускное и выпускное отверстия.

Не разбирая подробно конструкционные и технико-экономические характеристики этого двигателя (меньшая масса, компактность, высокооборотность, большая удельная мощность на единицу массы, простота производства, отсутствие вибраций, способность работать на топливе с низким октановым числом и др.), отметим, что он дает несколько менее токсичный выхлоп в результате меньшего содержания окислов азота. В силу конструкционных особенностей и компактности роторный двигатель облегчает установку дополнительных приборов для очистки отработавших газов и улучшает протекание реакций в них ввиду более высокой температуру отработавших газов (несмотря на более низкую температуру сгорания).

Давно запатентованный немецким механиком Ванкелем роторный двигатель в течение многих лет дорабатывался в ФРГ, где небольшое их производство было начато лишь в 1964 г. Японские промышленники, приобретшие лицензию на двигатель Ванкеля, затратили много времени на его доводку и лишь к середине 60-х годов создали работоспособную конструкцию. В 1967 г. фирма «Тойо Когио» начала серийный выпуск автомобилей «Мацуда» с роторным двигателем и к 1980 г. выпустила миллион таких автомобилей, часть которых была продана за границей.

С 1970 г. автомобили с роторными двигателями начали выпускаться фирмой «Ситроен» во Франции. Концерн «Дженерал моторе», перекупивший лицензию у Японии, также проводил работы над усовершенствованием двигателя Ванкеля и намечал с 1974 г. расширить выпуск автомобилей с роторным двигателем. Однако позднее этот концерн отказался от продолжения работ над указанным двигателем.

В связи с энергетическим кризисом производство автомобилей с роторными двигателями не получило большого развития, за исключением упомянутой выше фирмы в Японии, которая вложила в исследования и организацию производства этих двигателей большие капиталы и которая продолжает их выпуск, совершенствуя одновременно конструкцию.

Главная причина лежит в меньшей экономичности роторного двигателя по сравнению с традиционным поршневым. Кроме этого, до конца не удалось преодолеть существенные конструкционные трудности с обеспечением необходимой плотности между корпусом (блоком) двигателя и ротором по мере износа их в процессе эксплуатации. В силу названных причин новые автомобили с роторными двигателями почти перестали появляться на выставках (салонах) автомобилей. Тем не менее ряд зарубежных фирм продолжают работы над этим двигателем.

У нас в стране также проводятся исследования и разработка роторных двигателей. В течение ряда лет ведутся работы на Волжском автомобильном заводе, где совместно с Автомобильным и моторным институтом (НАМИ) разработаны и изготовлены экспериментальные образцы роторного двигателя, предназначенного для установки на автомобили ВАЗ «Жигули».

Газотурбинный двигатель. В течение последних 25--30 лет проводятся исследования и экспериментальное конструирование газотурбинных двигателей для автомобилей. Газовые турбины, как известно, широко применяются на воздушном транспорте. Они имеют малую массу, рекордную удельную мощность, компактность, малое число подвижных частей, плавность работы и другие качества.

Попытки применить газотурбинный двигатель на автомобиле предприняты давно. Еще в 1959 г. в СССР был создан экспериментальный автобус, оборудованный газотурбинным двигателем. Во время его испытаний были обнаружены существенные недостатки, среди которых важное место занимала низкая топливная экономичность двигателя, а также трудности приспособления его к условиям работы транспортного средства (малая приемистость, невозможность динамического торможения).

Из зарубежных стран интерес к этому двигателю проявили США, Великобритания, Швеция. К настоящему моменту в мире построены сотни газотурбинных экспериментальных автомобилей.- Многие конструкторы считают газовую турбину более перспективной для тяжелых грузовых автомобилей и автобусов, хотя имеются прецеденты создания и легковых автомобилей. Так, еще на выставке 1969 г. в Чикаго фирма «Шевроле» показывала легковой автомобиль «Астра-Ш» с газотурбинным двигателем мощностью 230 кВт при массе турбины 70 кг.

В СССР в 1970 г. был изготовлен карьерный самосвал грузоподъемностью 120 т с газовой турбиной мощностью 880 кВт. Позднее на новой модели грузового автомобиляМАЗ-6422 проходил испытания новый отечественный газотурбинный двигатель мощностью 260 кВт. 70-х годах компания «Вильяме» (США) разработала газовую турбину для массового легкового автомобиля мощностью 60 кВт. В качестве достоинств этого двигателя называли отсутствие вибрации, малошумность, возможность работы без системы водяного охлаждения и достаточно чистые отработавшие газы. Тогда же были опубликованы прогнозы, согласно которым в США в 1980 г. намечалось выпускать 50 тыс. автомобилей с газотурбинными двигателями. Однако прогнозы эти не оправдались. Основная причина заключается в меньшей экономичности созданных газовых турбин против карбюраторного двигателя, особенно дизеля.

Недостаточный к.п.д. газотурбины связан с относительно невысокой температурой рабочего процесса.

Повышение этой температуры требует применения дорогих жаропрочных металлов и сложных конструкций турбинных лопаток. В этом смысле большой интерес представляют сообщения печати об испытании в Швеции экспериментального автомобиля с газовой турбиной, в конструкции которой использована жаропрочная керамика. Пока же газотурбинный двигатель остается сложным по конструкции и дорогим.

Что касается отработавших газов, то результаты большинства испытаний говорят о существенно меньшей их токсичности в части окиси углерода и углеводородов. Об удельном весе окислов азота приводятся противоречивые данные: по одним сведениям окислов азота у газовых турбин меньше, чем у дизелей и карбюраторных двигателей, по другим -- больше. Дальнейшие эксперименты позволят устранить это противоречие.

Таким образом, пока недостаточно оснований считать газовую турбину серьезной альтернативой традиционным автомобильным поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Паровой двигатель. Требование сохранить в чистоте воздушный бассейн заставило некоторых конструкторов снова вернуться к почти забытой идее создания парового автомобиля. Во Франции и в ряде других, стран они появились более 100 лет назад. Тихоходные, но работоспособные паровые «омнибусы» в Париже совершали рейсы еще в 1873 г. Тогда же были созданы и легковые автомобили с паровыми двигателями. Один экземпляр такого автомобиля на четыре места, построенного французской фирмой «Жардне-Серполле», можно видеть сейчас в национальном музее в Праге. Паровая машина, размещенная под полом автомобиля, позволяла ему развивать скорость 65 км/ч. Паровые автомобили продолжали выпускаться и работать много лет спустя и после создания двигателя внутреннего сгорания и были окончательно сняты с производства в начале 30-х годов (в Великобритании).

В США, Японии, Австралии и ряде европейских стран сделаны попытки создать образцы современных паровых автомобилей разных категорий. Так, в США еще в 1968 г. были построены две модели легковых автомобилей. Конструкция их включает водотрубный парогенератор, двигатель -- паровую машину высокого давления, вспомогательную машину низкого давления (для приведения в действие водяного насоса и вентилятора радиатора).

Двигатель внешнего сгорания (двигатель Стирлинга)

Современный двигатель внешнего сгорания представляет собой герметически закрытый цилиндр, заполненный над поршнем сжатым гелием или водородом. При сгорании топлива газ через стенку цилиндра нагревается и опускает поршень. Отработавший газ направляется в камеру охлаждения, а поршень возвращается в исходное положение. После этого порция холодного газа поступает в камеру расширения (над поршнем) для нагрева и рабочего хода.

Помимо высокого к. п. д., равного 35--40% и более, двигатель внешнего сгорания может работать на любом топливе и дает минимальное загрязнение воздуха окисью углерода и углеводородами, поскольку горелка работает в стабильном режиме с оптимальным соотношением топлива и воздуха. Он практически бесшумен.

Полагают, что при использовании тепла, например, расплавленного лития, такой двигатель может вообще обходиться без сжигания топлива, что важно и реально при работе в черте города. Фирма «Филипс» разработала аккумуляторы тепла энергоемкостью до 23 кВт-ч.

К настоящему моменту построено достаточно много опытных образцов двигателя Стирлинга мощностью от 7 до 265 кВт, предназначенных для автомобилей, автобусов, судов и в качестве стационарных. Испытания таких двигателей ведутся в США, ФРГ, Швеции, Нидерландах и других странах.

К трудным и еще не полностью решенным проблемам относятся: сложность конструкции и необходимость обеспечения в течение срока эксплуатации двигателя полной герметичности для сохранения рабочего тела (гелия или водорода). Отмечается также высокая стоимость двигателя Стирлинга. Поэтому двигатель Стирлинга пока не может конкурировать с двигателями внутреннего сгорания.

Инерционный двигатель (маховик) -- самый древний двигатель, так как гончарный круг, которому более 5 тыс. лет, по существу является маховиком. Идея использования кинетической энергии маховика для движения не нова. Более 100 лет назад русский инженер В.И. Шуберский исследовал возможности маховика как транспортного двигателя. Однако реализацию эта идея получила в середине XX в. В этот период в Швейцарии было выпущено 17 городских «жиробусов», которые эксплуатировались в течение 16 лет в Швейцарии.

Основу двигателя на этих машинах представлял маховик массой 1,5 т (10% от массы автобуса), который перед началом движения в течение 25 мин раскручивался электродвигателем до 3000 об/мин и «запасал» 9 кВт- ч энергии. После раскручивания обратимый электродвигатель, соединенный с маховиком, работал уже как динамомашина, питая тяговые двигатели жиробуса, который мог развивать скорость до 50 км/ч и проходить путь до следующей подзарядки (раскручивания) до 5 км. Фактически скорость жиробуса составляла 20--25 км/ч. На пути 2,5 км он расходовал 60% запаса энергии и требовал подзарядки. Поэтому зарядные устройства были размещены через 1,0--1,2 км, что соответствовало и требованиям размещения остановок для пассажиров.

Большим преимуществом маховика является его экологическая чистота, имея в виду отсутствие токсичных отходов и практическую бесшумность, а также высокий к. п. д. Но самым главным недостатком следует признать его малую энергоемкость, а следовательно, незначительный пробег между подзарядками. Тем не менее, исследования и эксперименты с этим типом двигателя продолжаются. В США, например, спроектирован супермаховик массой 100 кг, который, по расчетам авторов, при 30 000 об/мин может обеспечить пробег легковому автомобилю 160 км. Хотя реализация такого проекта принципиально возможна, предстоит решить немало сложных научно-технических задач и определить экономическую целесообразность его применения в массовом производстве.

Оригинальный легковой автомобиль разработан и выпущен в конце 70-х годов в США. Автомобиль шестиместный с экономичным двигателем мощностью 44 кВт. В багажнике смонтирован тяжелый стальной маховик диаметром 950 мм и массой 231 кг. Вращаясь на магнитных подшипниках в вакууме, маховик при 15 000 об/мин развивает мощность 100 кВт. Через электрогенератор эта мощность передается тяговому электродвигателю, а затем на ведущие передние колеса. Начальная раскрутка маховика производится от внешней электросети. Данный автомобиль может работать как: обыкновенный на двигателе внутреннего сгорания при остановленном маховике; электромобиль от маховика, обеспечивающего запас хода в 36 км при скорости 48 км/ч; машина от двигателя внутреннего сгорания и маховика одновременно.

В границах населенных пунктов водитель может выключать двигатель и использовать только энергию маховика, а за их пределами -- экономичный двигатель внутреннего сгорания, резко повышая мощность силовой установки за счет подключения энергии маховика при кратковременной необходимости ускорить разгон или поднять скорость движения на крутом подъеме, при обгоне и в других ситуациях (до 151 км/ч). Нетрудно понять, что такой сложный автомобиль дорог как в устройстве, так и в эксплуатации.

Одним из альтернативных видов АТС являются электротяговые. Проводятся даже разработки большого электробуса. В перспективе предусматривается работа по снижению массы силового агрегата и прежде всего за счет использования криогенных емкостей для жидкого водорода. Повышение в будущем удельной мощности генератора позволит отказаться от вспомогательного аккумулятора, который сегодня необходим для повышения динамики электромобиля.

Несмотря на отмеченные выше недостатки, топливные элементы обладают исключительными качествами: автономностью и высоким к. п. д. Поэтому работа над их совершенствованием продолжается во многих развитых странах. Ряд исследователей ожидают, что переход от свинцовых аккумуляторов к топливным элементам позволит в будущем снизить эксплуатационные расходы на 50%.

Серьезной альтернативой автомобилю и автобусу в городских условиях в дополнение к трамваю и метро могут стать транспортные средства на магнитной подвеске. Научные и проектные разработки в этой области развернуты во многих развитых странах, но в наибольшей степени они продвинуты в ФРГ и Японии.

В ФРГ построена модель вагона на магнитной подвеске с линейным электродвигателем и испытана на экспериментальном кольце протяженностью 1 км, где она развивала скорость 150-220 км/ч. Созданы и другие образцы моделей и полномасштабных вагонов, а также проект поезда на 300 пассажиров для движения со скоростью 400 км/ч. В 1982 г. вблизи Эмсланда было начато сооружение участка длиной 31,5 км и создан двухсекционный вагон на 196 мест для движения со скоростью 400 км/ч.

В Японии на протяжении ряда последних лет была проведена большая исследовательская и экспериментальная работа по созданию аналогичных транспортных средств. В 1978 г. полномасштабная модель вагона с линейным двигателем на отрезке протяженностью 3,1 км развила скорость 261 км/ч, в следующем году-- 364 км/ч, а в 1980 г.-- 517 км/ч. В г. Иокогама такая дорога уже построена. Сооружается пригородная линия от Токио до нового аэропорта Нарита со временем доставки пассажиров 15 мин, а также магистральная Токио -- Осака.

3. Альтернативные виды топлив для автомобилей. Топливные присадки

Одним из важнейших направлений борьбы за сохранение чистоты воздушного бассейна следует признать поиск более «чистого» топлива для транспортных двигателей. В этом отношении наряду с кардинальными предложениями делаются попытки создать присадки и примеси к обычному топливу, которые могли бы снизить токсичность отработавших газов автомобилей.

Прежде всего, напомним, что большинство сортов применяемого ныне бензина содержит в качестве антидетонационной присадки тетраэтилсвинец (0,41--0,82 г/л). Бензин с такой присадкой называют этилированным. Необходимость применения этилированных топлив диктуется прежде всего экономическими условиями. Их использование позволяет поднять степень сжатия рабочей смеси в цилиндрах и тем самым повысить топливную экономичность двигателей, т. е. при прочих равных условиях сократить потребление топлива. Но это обстоятельство в определенном смысле отвечает и экологическим требованиям, поскольку сокращение расходе топлива сопровождается и сокращением выбросов других токсических веществ. Однако в присадке содержится соединение свинца, которое в больших концентрациях вредно.

Дефицит жидкого топлива нефтяного происхождения, а также достаточно большое количество вредных веществ в ОГ при его использовании способствуют поиску альтернативных видов топлива. С учетом специфики автомобильного транспорта сформулированы пять основных условий перспективности новых видов топлива: наличие достаточных энерго-сырьевых ресурсов, возможность массового производства, технологическая и энергетическая совместимость с транспортными силовыми установками, приемлемые токсические и экологические показатели процесса энергоиспользования, безопасность и безвредность эксплуатации. Таким образом, перспективным автомобильным топливом может быть тот химический источник энергии, который позволяет решить в какой-то степени энерго-экологическую проблему.

По мнению специалистов, в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют углеводородные газы естественного происхождения и синтетические топлива-спирты. В ряде работ в качестве перспективных видов топлива названы водород и такие азотсодержащие соединения, как аммиак и гидразин. Так как эти виды источников энергии в качестве топлива для автомобилей возможно найдут применение в более далекой перспективе, о них дана краткая информация и более подробно рассмотрены вышеназванные альтернативные топлива.

Спирты

Метанол, этанол - еще один вид альтернативного топлива для ДВС, причем к идее использования спиртов в качестве моторного топлива обращались неоднократно на всем протяжении развития ДВС. По данным, приведенным в 1902 г. на Интернациональном конкурсе в Париже демонстрировали более 70 двигателей, работающих на спиртах и их смесях. В 1905-1907 гг. Геологический комитет США провел более 2000 опытов по оценке экономичности работы поршневых двигателей на спиртах. Этот же вопрос подробно изучался и русскими учеными, которые в 1910 г. указывали на перспективность спиртовых топлив в связи с неизбежным истощением нефтяных ресурсов.

Недостаток метанола - низкая энергоемкость. Поэтому при применении метанола вместо бензина для сохранения дальности пробега по топливу бак для метанола должен быть в 2 раза больше. Запуск двигателя на чистом метаноле, особенно зимой, затруднен. По некоторым данным, метанол усиливает коррозию всех видов металла, особенно в присутствии воды. В настоящий момент стоимость метанола выше стоимости бензина. И тем не менее у нас и во многих зарубежных странах, особенно не обладающих собственными ресурсами нефти, развернуты научно-экспериментальные и практические работы по изысканию экономичного производства и использования метанола на автомобильном транспорте.

Важное качество метанола состоит в том, что в отработавших газах в 2--3 раза меньше токсичных компонентов, чем при использовании бензина. Однако отмеченные выше недостатки и малые ресурсы метанола практически не позволяют использовать его сегодня как самостоятельное топливо. Поэтому его применяют в качестве добавки к бензину. В экспериментах использовались смеси с содержанием метанола от 5 до 30%. При этом концентрация окиси углерода в отработавших газах снижается на 14--72%. Смесь метанол-бензин несколько снижает мощностные характеристики двигателей. Но следует иметь в виду, что добавка метанола, например, в количестве 15% повышает октановое число смеси с 88 до 95,8. При соответствующей переделке двигателя с целью повышения на нем степени сжатия можно получить даже экономию на расходе топлива.

В качестве недостатков смеси как топлива отмечают склонность ее к расслоению, в особенности при попадании в смесь воды и при понижении температуры. Метанол ядовит.

Производство метанола в настоящее время невелико. Но имеются предположения, что в ближайшей перспективе производство его увеличится с 1--2% по отношению к выпуску бензина до 15%. Особенно большие надежды на метанол возлагаются в странах, имеющих большие ресурсы растительной биомассы. Так, в Бразилии уже теперь все автомобили работают на смесях с содержанием метанола в количестве 2--10%. Существуют предположения, что удельный вес метанола в автомобильном топливе Бразилии будет непрерывно возрастать и уже в ближайшее время в этой стране достигнет в среднем 20%, а к 2000 г. автомобильное топливо на 75% будет состоять из метанола. Совершенствование технологии и массовость производства должны существенно снизить стоимость метанола, и ожидают, что он станет дешевле бензина

Наряду с метанолом и водно-метанольными смесями перспективно использование в двигателях бензометанольных смесей. Оптимальной является 10-15%-я добавка метанола к бензину, когда снижение эксплуатационных показателей из-за высокой теплоты испарения и коррозионной агрессивности метанола незначительно. В то же время следует отметить низкую стабильность таких смесей, особенно при попадании воды, когда происходит ее расслоение. В качестве стабилизирующих присадок в этом случае используют спирты с большим молекулярным весом и разветвленной структурой.

Фирма "Arco" (США) выпускает бензометанольное топливо марки ESA (85% метанола и 15% бензина), которое охотно используют вместо бензина жители Калифорнии. Стабилизирующая добавка - метил-3-бутиловый эфир. Как показывает практика, новое топливо снижает процентное содержание несгораемых углеводородов в ОГ на 28%, количество испаряющегося топлива 36; содержание NOx в ОГ - 26, СО - на 25%.

Испытания НАМИ бензометанольной смеси (79% бензина, 14% метанола и 7% изобутанола) показали уменьшение выбросов NOx и CmHn при практически неизменных выбросах СО [1].

Таким образом, перспектива использования метанола в качестве альтернативного топлива в чистом виде или добавками к бензину неоспорима. Стоимость метанола оценивается по-разному: по одним оценкам он дешевле бензина, по другим - на 8 - 70% дороже, что, по-видимому, связано с технологией производства и перевозками. В 1992 г. во всем мире было получено 22864 тыс. т метанола (в 1989 г. - 21 млн т), в том числе: США - 4752 тыс. т, Канада - 2055, Южной и Центральной Америке - 1610, Африке, Среднем и Ближнем Востоке -3261 тыс. т. В Японии в 1989 г. произведено 1665 тыс. т метанола (в 1984 г. - 1357 тыс. т). В то же время Япония ежегодно ввозит 1645 тыс. т метанола. Основными поставщиками метанола в Японию являются Канада, Южная Африка, Новая Зеландия, Малайзия. По данным [143, 144], в настоящее время в Японии эксплуатируются мусоросборники с метанольным двигателем, запас хода которых при разовой заправке (емкость бака для горючего 180 л) - 500 км; в Бразилии 4 млн автомобилей различного назначения работают на метаноле.

По мнению специалистов, остаются, однако, нерешенными следующие технические проблемы:

1) система подачи метанола в камеры сгорания;

2) надежность и долговечность каталитических конверторов для метанола;

3) возможность применения в ДД;

4) возможность дальнейшего снижения вредных примесей в ОГ.

Что касается этанола, получаемого в основном из растительного сырья, то он, будучи аналогом метанола и, имея соответствующие характеристики (октановое число 106 ед., низшая теплота сгорания - 25 МДж/кг), может быть использован для питания двигателей с искровым зажиганием в чистом виде и в смеси с бензином. При использовании в чистом виде особенности работы, экономические и экологические показатели работы двигателей близки к таковым при использовании метанола. Использование смеси этанола и бензина (10 - 20% этанола) для двигателей с искровым зажиганием показало уменьшение выбросов СО на 26,5%, CmHn на 4,5 и NOx на 5,7%. Немногочисленные исследования токсичности дизелей при использовании этанола показывают, что по сумме вредных выбросов токсичность ОГ такая же, как и дизельного топлива.

Аммиак в обычных условиях представляет собой токсичный газ с резким запахом. Однако при его сгорании образуется только один токсичный компонент -- окислы азота, причем в значительно меньших количествах, чем при сгорании других видов углеводородного топлива. Это объясняется существенно более низкой температурой рабочего процесса.

Сырьевые ресурсы для производства аммиака велики, а стоимость его невысока. Но для работы на этом топливе двигатели должны быть изменены в связи с необходимостью повышения степени сжатия, усиления системы зажигания и подогрева рабочей смеси во впускном коллекторе. Для активизации процесса в некоторых опытах применялся впрыск запального топлива, факел которого ускоряет поджигание основной аммиачной смеси и ее горение. К недостаткам аммиака следует отнести то, что он как щелочь агрессивен в отношении меди, бронзы и некоторых других металлов, сплавов и материалов, попадая в атмосферу, он сам является загрязнителем воздуха.

Водород с точки зрения сохранения окружающей среды представляет идеальное топливо. Сгорая в чистом кислороде, он превращается в воду. Если его получать из воды путем электролиза, то процесс замыкается: вода -- водород -- вода. Ресурсы этого топлива колоссальны и постоянно

Пока еще не найдено надежного и экономичного пути использования водорода, но, несмотря на большие сложности и трудности, разработкой этой проблемы заняты значительные научно-инженерные силы во всем мире

Биотопливо. Наиболее популярным заменителем бензина ныне служит биоэтанол, который получают сбраживанием кукурузы, сахарного тростника, пшеницы и др. Стоимость биоэтанола в зависимости от сырья составляет от 160 $/м³ до 800-900 $/м³ [1]. Добавки этанола в бензин (до 20%) улучшают его качество. Автомобиль может работать на любых смесях бензина и спирта, и даже на чистом спирте. Мнение об экологической чистоте спирта опровергается некоторыми исследованиями, показавшими, что в продуктах сгорания спирта больше альдегидов, оказывающих вредное воздействие на организм человека, чем при сгорании бензина. Так что заметного улучшения чистоты воздуха при переходе на спирт ожидать не приходится.

Биодизель можно получить путем этерификации метиловым спиртом из любого растительного масла. Биодизель можно заливать в обычные ДВС в чистом виде или смешивать с минеральным дизельным топливом. Биодизель обладает рядом преимуществ, среди которых повышение цетанового числа и уменьшение токсичности выхлопа. Учитывая преимущества этого топлива, многие страны стали наращивать его производство. Западная Европа планирует к 2010 г произвести 8,3 млн. т. биодизеля [2]. Одна из самых перспективных культур для производства биодизеля - рапс. Для выращивания рапса требуются огромные площади пахотных земель. Таким образом, возникает конфликт «топливо или продукты питания» [3]. Следует помнить и о производстве и обслуживании огромного парка машин, обеспечивающих выращивание, сбор и переработку растительной массы, и о топливе, которое сжигают эти машины.

Наряду с технологиями получения биотоплива из растительной массы начинают развиваться и технологии переработки лигноцеллюлозных отходов. Их превращают пиролизом в жидкое органическое топливо - бионефть. Завод компании «Dynamotive Energy Systems» (Канада) может перерабатывать в сутки 200т сырья, в качестве которого могут служить кукурузные отходы, древесина, солома и т.п. Из тонны биомассы получают 580…800кг бионефти [2].

Биогаз - это биометан или биоводород, который получают из бытовых и промышленных органических отходов, навоза и т.п. методами ферментации. В ЕС планируется к 2010 г произвести из биогаза 15 млн. т. нефтяного эквивалентного топлива. В Швеции на биогазе ездят почти 800 автобусов и первый в мире поезд [2]. Недостаток биогаза в том, что получается не чистый метан, а его смесь с СО₂ - балластом, избавиться от которого сложно.

двигатель топливо выхлопной экологичность

4. Фильтры и катализаторы выхлопных газов

Методы обезвреживания отработавших газов начали разрабатывать в СССР и за рубежом еще в 30-х годах, но практическое применение нейтрализаторы получили лишь 30 лет спустя.

Нейтрализатор -- это небольшой прибор, предназначенный для снижения токсичности отработавших газов путем дожигания продуктов неполного сгорания (СО, СН, С) и разложения окислов азота на составные элементы -- азот и кислород.

Первоначально полагали, что такие приборы будут просты в изготовлении, эксплуатации и дешевы. В Калифорнии (США) в 1959 г. был принят штатный закон, устанавливающий сроки оборудования всех действующих автомобилей этими приборами. Подобные предложения позднее были разработаны и в ряде других штатов США, а также в некоторых странах Европы. Однако реализация этих предложений оказалась не простой и существенно повысила стоимость автомобилей и расходы по эксплуатации.

Различают два типа нейтрализаторов: термические и каталитические

В термореакторе (рис. 5), устанавливаемом за выпускным трубопроводом, осуществляется процесс пламенного дожигания окиси углерода СО и превращения ее в углекислый газ СОг, а также сжигание несгоревших в цилиндре углеводородов и альдегидов. Для интенсификации процесса дожигания в камеру термореактора подается дополнительный воздух. Реакция окисления проходит при температуре 500-- 600°С и снижает наличие углеводородов примерно в 2 раза, а окиси углерода -- в 2--3 раза.

На новых автомобилях термореакторы стали делать встроенными в выпускную систему двигателя с соответствующими изменениями в этой части конструкции двигателя.

Каталитические нейтрализаторы, помимо окисления СО и СН, могут осуществлять еще и разложение окислов азота NО.

В Советском Союзе в основном разрабатывается семейство каталитических нейтрализаторов. В Центральной научно-исследовательской лаборатории токсичности двигателей (ЦНИИЛТД) Министерства тракторного и сельскохозяйственного машиностроения СССР -- одном из ведущих исследовательских учреждений страны в этой области спроектированы и испытаны нейтрализаторы марок Н-13 для автомобилей «Волга», ГАЗ-24 и Н-32 для автобусов ЛИАЗ-677. Расширенные испытания, проведенные на базе одного из московских таксопарков, показали, что разработанная система снижает уровень СО в отработавших газах на 80%, СН -- на 70%, а N0 -- на 50%. В целом токсичность выхлопа уменьшается в 10 раз. Сконструированы подобные системы для грузовых автомобилей ЗИЛ и ГАЗ, а также для автопогрузчиков. Нейтрализаторы, разработанные в ЦНИИЛТД, позволяют достичь уровня токсичности отработавших газов, удовлетворяющего самым строгим требованиям. Процесс окисления СО и СН по существу беспламенный и протекает при прохождении отработавших газов через слой носителя (например, керамических гранул) катализатора.

Лучшим катализатором оказалась платина, но этот дорогой и дефицитный материал не может широко применяться. Предприняты поиски других, более дешевых и доступных катализаторов. Исследования показали, что в известной степени платину могут заменить палладий, радий, рутений, а также окись меди, окись хрома, окись никеля, двуокись марганца и др.

В нейтрализаторах советского производства используется окись алюминия.

Как и в термореакторе, процесс окисления СО и СН требует подачи дополнительного воздуха, а процесс восстановления окиси азота N0* не требует подачи воздуха. Современные каталитические нейтрализаторы выполняются в виде двухкамерного реактора (рис. 6). В одной из них осуществляется окисление СО и СН, а во второй -- восстановление NОх)

Эти нейтрализаторы применяются на автомобилях с бензиновыми и дизельными двигателями. Одна из трудностей состоит в том, что в отработавших газах дизелей содержится 10% и более кислорода, в присутствии которого реакция восстановления окиси азота не происходит, а для окисления СО этого кислорода недостаточно. Поэтому обычные каталитические реакторы без дополнительных устройств обеспечивают у дизелей нейтрализацию несгоревших углеводородов и альдегидов, а также небольшую долю окиси углерода.

По мере эксплуатации созданных приборов обнаружились и другие неблагоприятные факторы. Так, при наличии бензинового двигателя с высокой степенью сжатия и поэтому работающего на этилированном бензине, поверхность катализатора быстро обволакивается свинцом. У дизелей на катализаторе осаждается сажа и сера, что существенно ослабляет действие катализатора и после определенного пробега он практически выходит из строя. Эффективность действия каталитического нейтрализатора существенно зависит от температуры в реакторе. Низкотемпературные реакторы работают при 100--300°С, а высокотемпературные -- при 300--600°С и более. На первых моделях из-за высокой температуры корпус реактора достаточно быстро прогорал и требовал замены. Позднее этот дефект был устранен, для чего потребовалось усложнение и удорожание реактора.

Работы по созданию новых типов и конструкций нейтрализаторов продолжают во многих странах, но требования надежности и долговечности привели пока лишь к усложнению подобных приборов.