КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Тема

«Методы снижения вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду»

Содержание

Введение

1. Мониторинг атмосферного воздуха в местах скопления автотранспорта

2. Совершенствование двигателя внутреннего сгорания

3. Повышение качества автомобильных бензинов

4. Нейтрализаторы

5. Дизельное топливо

6. Автомобили на газе

7. Водород - автомобильное топливо XXI в

8. Электромобиль

9. Альтернативные виды топлива

10. Организация автомобильного движения в городах с целью улучшения экологической обстановки

11. Гаражи для личных автомобилей

12. Борьба с обледенением дорог

13. Автоматизированные системы управления городским транспортом

Использованная литература

Введение

В последние десятилетия в связи с быстрым развитием автомобильного транспорта существенно обострились проблемы воздействия его на окружающую среду.

Автомобили сжигают огромное количество нефтепродуктов, нанося одновременно ощутимый вред окружающей среде, главным образом атмосфере. Поскольку основная масса автомобилей сконцентрирована в крупных городах, воздух этих городов не только обедняется кислородом, но и загрязняется вредными компонентами отработавших газов.

С каждым годом количество автотранспорта растет, а, следовательно, растет содержание в атмосферном воздухе вредных веществ. Постоянный рост количества автомобилей оказывает определенное отрицательное влияние на окружающую среду и здоровье человека.

Основными источниками загрязнения воздушного бассейна при эксплуатации автотранспорта являются двигатели внутреннего сгорания, которые выбрасывают в атмосферу отработавшие газы и топливные испарения. В отработавших газах обнаружено около 280 компонентов продуктов полного неполного сгорания нефтяных топлив, а также неорганические соединения тех или иных веществ присутствующих в топливе.

1. Мониторинг атмосферного воздуха в местах скопления автотранспорта

В 2000 г. руководство Москомприроды решило организовать мониторинг атмосферного воздуха в местах наибольшего скопления автотранспорта. Для этого в городе было создано 50 постов непрерывного контроля (10 стационарных и 40 мобильных). Все они оборудованы американской техникой. Приборы представляют собой небольшие ящики, которые были размещены на столбах на Таганской площади, Садовом кольце в районе Сухаревской площади, на проспекте Мира, в районе Рижского вокзала, а также установлены на автотранспорте. Анализ отобранных проб воздуха позволит разработать профилактические мероприятия.

В 2001 г. в некоторых районах Москвы появились автоматы, отслеживающие уровень загрязнения воздуха. Особое внимание уделяется району третьего транспортного кольца. Здесь работают автоматические анализаторы - специальные системы, определяющие уровень примесей в воздухе, и в первую очередь выхлопных газов.

В целях реализации статьи 15 Федерального закона «Об охране атмосферного воздуха» правительство РФ приняло распоряжение № 641-р от 7 мая 2001 г., в котором предусмотрено:

ь определить, что сертификаты, подтверждающие соответствие содержания вредных (загрязненных) веществ в выбросах технических, технологических установок, двигателей, транспортных и иных передвижных средств и установок техническим нормативам выбросов, а также сертификаты, подтверждающие соответствие топлива нормам и требованиям охраны атмосферного воздуха, выдаются в порядке, предусмотренном законодательством Российской Федерации о сертификации;

ь Госстандарту России по предоставлению МПР России, согласованному с заинтересованными федеральными органами исполнительной власти, вносить в номенклатуру продукции и услуг (работ), обязательная сертификация которых предусмотрена законодательными актами Российской Федерации, дополнения, устанавливающие требования по соответствию содержания вредных (загрязненных) веществ в выбросах технических, технологических установок, двигателей, транспортных или иных передвижных средств и установок техническим нормативам выбросов, а также требования по соответствию топлива нормам и требованиям охраны атмосферного воздуха.

2. Совершенствование двигателя внутреннего сгорания

В последние годы все крупные автомобильные компании мира заняты разработкой экологически безопасных автомобильных двигателей. Постоянно совершенствуя действующие моторы, они предпринимают шаги к созданию новых, с наиболее полным сгоранием топлива. Результаты этой работы налицо. Автомобили ведущих фирм Европы и США выбрасывают в атмосферу в 10-16 раз меньше вредных веществ, чем в 80-х гг. В значительной степени этому способствовали такие нововведения, как двигатели, работающие на переобедненных смесях, многоклапанные системы перераспределения, впрыск топлива вместо карбюраторного смесеобразования, электронное зажигание. При запуске холодного двигателя в современных карбюраторах используются автоматы пуска и прогрева. На режимах торможения двигателя применяют экономайзер принудительного холостого хода - клапан, отключающий подачу топлива.

Большое внимание уделяется подбору обедненных регулировок дозирующих систем карбюратора. На двигателях с впрыском топлива появились электронные системы корреляции состава горючей смеси в зависимости от температуры, климатических и других условий. Система термостатирования воздуха, поддерживающая его температуру на входе в двигатель, создает оптимальные условия для приготовления горючей смеси. Система зажигания с высокой энергией распада свечи повышает надежность воспламенения смеси, особенно на режимах холостого хода.

Для уменьшения выброса окислов азота используется рециркуляция - перепуск части отработанных газов из выпускного трубопровода во впускной. При этом понижается температура сгорания и газов образуется значительно меньше. Рециркуляция применяется не только на двигателях с искровым зажиганием, но и на дизелях. Перспективны в этом плане системы электронного регулирования, оптимизирующие работу двигателя во всех режимах. Кроме того, автомобильные заводы планомерно ужесточают технологические допуски и повышают точность изготовления приборов питания и зажигания, впускной и выпускной систем, деталей кривошипного механизма и газораспределения.

Автомобиль можно сделать экологически более чистым, применяя электронные системы управления, оптимизирующие работу двигателя, тормозов и других систем. В Германии поставлена задача сократить средний расход автомобильного топлива с 9 до 5 л на 100 км пробега.

В 2008 г. на Заволжском моторном заводе разработано новое семейство новых двигателей для легковых и малотоннажных грузовых машин. Базовый ЗМЗ-406.10 успешно прошел государственные приемочные испытания на автомобиле ГАЗ-3102 «Волга» и показал хороший результат по сравнению со своими предшественниками: на 100 км пробега он экономит 2 л бензина, а снижение токсичности выхлопов составляет по окиси углерода - 40%, а по углеводородам + окислам азота - 25%. Новые моторы имеют 4 клапана на цилиндр, микропроцессорную систему управления впрыском и зажиганием. Всемирно известные фирмы «Рикардо» (Великобритания) и АВЛ (Австрия) провели экспертизу двигателя и подтвердили соответствие его конструкции современным мировым стандартам. Завод выпускает 4- и 8-цилиндровые автомобильные моторы.

В ближайшие 5-10 лет рынок новых машин должны завоевать модели с двигателем прямого впрыска топлива, который обеспечивает расход топлива на уровне дизельных двигателей и скоростные характеристики спортивных машин на бензиновом ходу. Компания «Мицубиси моторс» выпускает машины с двигателями нового класса. Однорядный, 4-цилиндровый двигатель с рабочим объемом 1,8 л, не имеющий камеры предварительного смешения, отличается от аналогов с предкамерным впрыском вдвое большей степенью сжатия (20:1), способен работать при соотношении в смеси 40:1, более стабилен на малых оборотах. Благодаря этому на 25% повышается экономия топлива в городских условиях, на 8% снижается потребление топлива при движении со скоростью свыше 120 км/ч по сравнению с обычными бензиновыми двигателями и на 85% увеличивается мощность по сравнению с дизельными аналогами.

В 2007 г. состоялась презентация автомобиля «Мерседес-Бенц» особого малого класса, получившего индекс «А». В этом же году начался его промышленный выпуск. Потребителям предложены два новых бензиновых двигателя мощностью 60-75 кВт, а также два турбодизельных мотора - 44 и 66 кВт. Расход топлива составит от 4 до 7 л на 100 км пробега.

Одна из ярких новинок автомобильного салона 2007 г. во Франкфурте (Германия) - экспериментальная модель «А2-2» фирмы «Ауди». Этот полностью алюминиевый автомобиль с 3-цилиндро-вым двигателем может стать основой для создания суперэкономичной четырехместной машины (предварительно названной А-2») с рекордно низким потреблением бензина. Расход бензина для «А-2» составляет 3 л на 100 км пути, его максимальную экономию обеспечивает турбодизельный двигатель с прямым впрыском топлива.

В 2000 г. инженеры французской группы РSI, в которую входят «Пежо» и «Ситроен», сконструировали на базе серийного 2-литрового бензинового двигателя мотор НР1, который ил 20% экономичнее конвейерного аналога. Достигаются такие показатели благодаря устойчивой работе мотора на сверхбедной смеси (до 30:1), строгой дозировке ее компонентов (давление воздуха достигает 100 бар против традиционных 35 бар) и организации вихревого «антициклического» (по часовой стрелке) движения смеси в камере сгорания, обеспечивающей послойное ее сгорание. Главное достоинство двигателя - экологичность. Как видно из табл. 1, содержание в выхлопных газах наиболее минимально.

В мировом моторостроении доминируют поршневые двигатели внутреннего сгорания. Но ведутся достаточно активные поиски альтернативных решений. Одно из наиболее оригинальных - двигатель внешнего сгорания, или так называемый двигатель Стирлинга. Не вдаваясь в технические подробности, скажем, что работает такой мотор почти бесшумно и практически на любом топливе. Токсичность отработавших газов очень низкая, да и расход топлива примерно равен расходу дизеля с непосредственным впрыском. Однако для получения хотя бы средних значений удельной мощности требуются очень высокие рабочие температуры, и как следствие - дорогие жаропрочные материалы. Конструкция двигателей Стирлинга весьма замысловата, для них нужна сложная аппаратура управления. Все это делает такие моторы весьма дорогими как в производстве, так и в эксплуатации.

Таблица 1 Токсичность выхлопа НР1 при движении по смешанному циклу, г/кг

Российские ученые создали принципиально новую технологию работы автомобильного поршневого двигателя, не имеющего аналогов в мире. В основу разработки положено открытое группой ученых во главе с членом-корреспондентом РАН Ю. Васильевым и профессором Ю. Свиридовым явление так называемого С-процесса - молекулярного смесеобразовании со 100%-ным испарением бензина. В двигатель поступает сухая безвоздушная газовая смесь (бензогаз), которая сгорает полностью и быстро. Выхлоп такого двигателя экологически чист. В результате отпадает необходимость в дорогостоящих технологиях, связанных с нейтрализацией выхлопов. С-процесс с гомогенным горением может быть внедрен на серийных отечественных двигателях.

3. Повышение качества автомобильных бензинов

В настоящее время большое значение для улучшения экологической обстановки имеет запрещение в качестве автомобильного топлива этилированного бензина.

В большинстве северных стран континента он практически уже не используется. Кроме того, все новые автомобили оборудованы специальным катализатором и могут заправляться только неэтилированным топливом. Такие же катализаторы устанавливаются и на более старые транспортные средства.

Европейский Союз потребовал от всех стран ЕС к 2000 г. полностью прекратить использование свинца при производстве автомобильного горючего. В крайнем случае срок может быть продлен до 2002 г.

Прекращено производство этилированного бензина на нефтеперерабатывающем предприятии Москвы, расположенном в Капотне. Подобные меры приняты и на других предприятиях России.

В настоящее время производители автозаправочных средств разработали специальные добавки к бензину, не содержащие свинца, но не снижающие эффективность топлива. Так, российские ученые совместно с коллегами из нидерландской транснациональной компании Ай-Си-Ди создали фетерол - высокооктановую добавку к бензину, делающую его экологически почти безвредным, полностью соответствующим зарубежным и отечественным санитарным нормам. Производство такого бензина освоено на ряде российских заводов. Имеется реальная возможность изготавливать до 300 тыс. т фетерола ежегодно и производить на его основе 2-2,5 млн т экологически чистых бензинов.

АО «Омский каучук» наладило крупнейшее в России производство метилтретичнобутилового эфира (МТБЭ) - добавки к бензинам, улучшающей их качество и экологическую чистоту.

В качестве кислородсодержащих добавок можно использовать различные спирты, например МТБЭ, полученный из метилового спирта и изомера бутилена. В США 80% кислородсодержащих добавок приходится именно на МТБЭ, 20% - на этиловый спирт. Его применение снижает содержание в автомобильных выхлопах угарного газа на 10-20%, несгоревших углеводородов - на 5-10% и вредных летучих соединений - на 13-17%. Автолюбителей МТБЭ может привлечь прежде всего своим высоким октановым числом - 110 единиц.

В России МТБЭ производят в Нижнем Новгороде, городе Чайковском, а также и городе Тольятти, где выпускается смесь М'ГБЭ и бутилового спирта.

В 2006 г. начались поставки на автозаправочные станции новой марки бензина «Евросупер-95» с Новоуфимского нефтеперерабатывающего завода. От других марок бензина он отличается не только высоким октановым числом, но и предельно малым содержанием вредных сероводородных соединений. «Евросупер-95» вырабатывается по современным высоким технологиям без тетраэтилсвинца и других вредных для окружающей среды и человека добавок.

В научно-инженерном центре «Цеосит» Сибирского отделения РАН разработана установка для получения высокооктанового бензина из углеродного сырья различного происхождения. С помощью специального катализатора на этой установке осуществляется высокоэффективная технология получения чистых высокооктановых фракций без каких-либо добавок. Сырьем служат попутный газ и газовый конденсат, образующийся при добыче нефти, и другие углеводородные соединения.

Новые технологии открывают все новые возможности. Сооруженная на Западно-сибирском металлургическом комбинате экспериментальная установка превращения в высокооктановый бензин доменных и коксовых газов, десятилетиями выбрасываемых в атмосферу. Более того, оказалось возможным превращать в бензин компоненты газов, сжигаемых на ТЭЦ, на заводах синтетического каучука, не говоря уже о топливных газах нефтеперерабатывающих заводов.

В 2008 г. создано государственное предприятие «Московская служба технического контроля на транспорте», которое занимается проблемами снижения вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду. Предприятие занимается созданием системы технического контроля качества реализуемых моторных топлив, масел и присадок к ним, а также научно-методическим, информационным и инженерным обеспечением работы этой системы.

В 2008 г. Мосгордумой принят закон «О плате за выбросы загрязняющих веществ передвижными источниками на территории города Москвы», которым устанавливается порядок взимания этой платы. Он касается как организаций, торгующих моторным топливом в столице, так и граждан, приобретающих его.

Согласно закону, сумма материальной компенсации за причиненный городу и его жителям ущерб зависит от вида топлива. Сбор осуществляется в следующих размерах: АИ-98 - 1 коп., АИ-95 - 2 коп., АИ-92 - 3 коп., АИ-76 4 коп., за 1 л дизельного топлива - 5 коп. (в ценах на январь 2008 г.). Полученные средства направляются па проведение природоохранных мероприятий в столице.

В 2009 г. вступил в действие закон Москвы «Об ответственности за реализацию моторного топлива, не соответствующего экологическим требованиям». Целью закона является дальнейшее снижение вредного воздействия автотранспортных средств на окружающую природную среду и здоровье населения Москвы.

Согласно этому закону, реализация моторного топлива, не соответствующего экологическим требованиям, является нарушением условий лицензирования данного вида деятельности на территории Москвы.

Под реализацией моторного топлива, не соответствующего экологическим требованиям, понимается продажа организациями, получившими в установленном порядке право на осуществление деятельности (лицензию) продажи моторного топлива, не соответствующего по экологическим показателям требованиям, утвержденным в установленном порядке технических условий на виды моторного топлива государственных стандартов РФ.

За реализацию топлива, не соответствующего экологическим требованиям, на юридических лиц налагается в административном порядке штраф в размере пятикратной величины незаконного дохода, получаемого в результате реализации моторного топлива, не соответствующего экологическим требованиям, но не менее 50 минимальных размеров оплаты труда.

В случае совершения повторного в течение года (с момента наложения взыскания) правонарушения, орган, выдавший лицензию, вправе приостановить действие лицензии, дающей право на реализацию моторного топлива. В решении о приостановлении действия лицензии указывается срок, на который приостанавливается ее действие, и обстоятельства, от которых зависит возобновление действия лицензии. Решение о приостановлении лицензии может быть обжаловано в суде.

Государственный контроль за соблюдением экологических требований, предъявляемых к реализуемому моторному топливу, осуществляется органами Московской транспортной инспекции, Государственной инспекции Москомприроды, Управлением милиции по предупреждению экологических правонарушений ГУВД Москвы, Центром Госсанэпиднадзора по Москве, органами стандартизации, метрологии и сертификации в пределах их полномочий.

Средства, получаемые от штрафов, налагаемых за правонарушения, направляются в бюджет Москвы (50%) и на специальный счет внебюджетного экологического фонда (50%).В 2007 г. и России в общем производстве бензинов доля неэтилированных составляла 68,8%. По сравнению с 2006 г. прирост составил 13,7%. Полное вытеснение бензина со свинцом позволит решить многие социальные и экологические проблемы - появится возможность установить на автомобиле нейтрализаторы выхлопов, будут спасены гектары зеленых насаждений, снизится заболеваемость болезнями почек и дыхательных путей.

Большинство европейских государств и США в 2008 г. приняли Декларацию о постепенном прекращении добавления свинца в бензин для общего использования автомобильным транспортом в ближайшем будущем и не позднее 1 января 2005 г.

4. Нейтрализаторы

Устанавливаемые в выхлопных трактах автомобилей нейтрализаторы снизили суммарный выброс токсичных веществ автотранспортом, например в США с 76 млн т в 1980 г. до 55 млн т в 1985 г. Нейтрализаторами в этой стране оборудовано более 85% автомобилей.

В Швеции испытания 48 автомобилей разных моделей, оборудованных каталитическими фильтрами выхлопных газов, показали, что вредных веществ в выхлопах значительно меньше, чем даже предусмотрено стандартами: окиси углерода - на 34%, углеводородов - на 36%, окиси азота на 58%.

Испытания каталитических катализаторов, разработанных в нашей стране, показали, что они снижают уровень окиси углерода в отработанных газах на 80%, углеводородов - на 70%, окиси азота - на 50%. В целом токсичность выброса уменьшается в 10 раз. Процесс окисления, протекающий при прохождении отработанных газов через слои катализатора (например, керамические гранулы), практически беспламенный.

Лучшим катализатором оказалась платина, но этот дорогой и дефицитный материал не может применяться широко. Были предприняты поиски других, более дешевых и доступных катализаторов. Ученые пришли к выводу, что в известной степени платину могут заменить палладий, рутений, а также окись меди, окись хрома, окись никеля и двуокись марганца.

В нейтрализаторах российского производства используется окись алюминия. Как и в термореакторе, процесс окисления окиси углерода и углеводородов требует подачи дополнительного воздуха, а процесс восстановления окиси азота не требует подачи воздуха. Современные каталитические нейтрализаторы выполняются в виде двухкамерного реактора: в одной камере осуществляется окисление окиси углерода и углеводородов, а во второй восстановление окиси азота.

Нейтрализаторы этого типа применяются на автомобилях с бензиновыми и дизельными двигателями. Одна из трудностей состоит в том, что в отработанных газах дизелей содержится кислород (10% и более), в присутствии которого реакция восстановления окиси азота не происходит, а для окисления окиси углерода этого кислорода недостаточно. Поэтому обычные каталитические реакторы без дополнительных устройств обеспечивают у дизелей нейтрализацию несгоревших углеводородов и альдегидов, а окись углерода нейтрализуют лишь в небольшой доле.

По мере эксплуатации созданных приборов обнаружились и другие их недостатки. Так, при наличии бензинового двигателя с высокой степенью сжатия, работающего на этилированном бензине, поверхность катализатора быстро обволакивается свинцом. На катализаторе осаждаются сажа и сера, что существенно ослабляет его действие и практически выводит из строя после сравнительно небольшого пробега.

На Уральском электрохимическом комбинате ежегодно производится 2 млн каталитических блоков к автомобилям разных марок.

Выглядят они просто: зарубежный керамический или более прочный отечественный металлический сотовый блок, на который методом вдувания наносится тонкий каталитический слой из суспензии драгоценных металлов платиновой группы, заключается в контейнер и устанавливается в выхлопном тракте автомобиля. Горючие газы вступают в реакцию с химически активным веществом и очищают выхлопы от вредных продуктов на 97-99%, если двигатель оборудован системой впрыска топлива, и примерно на 60-70% - для обычных карбюраторных двигателей.

В России около 15,5 млн машин, находящихся в личном пользовании граждан, по большей части горожан. Какова перспектива оснащения индивидуального транспорта системами нейтрализации?

В течение трех последних лет в Москве на городском общественном транспорте было установлено 19 тыс. нейтрализаторов, снижающих уровень вредных выбросов на 20 тыс. т ежегодно. В 2003 г. с помощью этого приспособления предполагается сделать экологически чистыми 24 650 столичных автобусов.

В 2006 г. Мосгордума приняла закон «О применении на автотранспортных средствах нейтрализаторов отработавших газов и иных технических устройствах». Он предусматривает поэтапное оснащение нейтрализаторов на выхлопные трубы грузовиков, автобусов и легковых автомобилей в Москве, чьи двигатели внутреннего сгорания работают с превышением региональных норм выброса отработавших газов.На первом ламе законопроект предусматривает оборудование очистными устройствами наиболее экологически «грязных» машин - дизельных автобусов и грузовиков. На втором этапе - всего автотранспорта, принадлежащего юридическим лицам. А затем будут устанавливать нейтрализаторы и на частных автомашинах.

Законом предусматривается создание сети сертифицированных мастерских со специально подготовленными специалистами. Без них нейтрализаторы на машинах не появятся. Стоимость российского нейтрализатора составляет 1000 руб., а установка обойдется в 200 руб. Поощрять покупку транспортных средств, отвечающих экологическим нормам, городские власти могут за счет налоговой скидки при регистрации новой машины. Законом предусмотрены жесткие экологические нормы для въезжающих в Москву автолюбителей: если в выхлопах обнаружат превосходящие норму вредные вещества, то транспорт будут останавливать за пределами города. За соблюдением этого правила будут следить ГАИ, московская транспортная и экологическая инспекции.

В том же году принят второй закон, предусматривающий систему мер, обеспечивающих наличие на московских АЗС только неэтилированного топлива. Меры в основном носят административный характер - штрафы для юридических лиц до 100 минимальных заработных плат (МЗП), для руководителей АЗС - три МЗП. За повторное нарушение заправочные станции будут лишаться права торговли топливом, а за неоднократное игнорирование требований закона лицензия будет отбираться навсегда.

В 2008 г. южноафриканская фирма «Эдване индастриал рисерч» объявила об изобретении нового каталитического конвертера, который позволяет устранять до 95% вредных веществ из выхлопных газов автомобиля.

Если до сих пор подобные конвертеры изготовлялись с использованием платины, то инженеры фирмы предложили использовать марганец, что снизило стоимость изделия в 4 раза. Новый катализатор на марганцевой основе можно использовать со всеми видами дизельного топлива и бензина со свинцовыми добавками и без таковых.

Российские умельцы из военно-промышленного комплекса создали устройство, которое экономит 40% топлива и устраняет вредные выбросы. Это устройство (трансмиттер) представляет собой простой слой удивительного материала, технология которого тщательно просчитана и продумана. Слепое копирование ничего не дает. Эффект существенно усиливается, если материал охладить до определенной температуры. Причем ее надо строго выдерживать, для чего трансмиттер обложен миллиметровым слоем изолятора. На материал воздействуют электромагнитным полем. Трансмиттер начинает излучать слабые электромагнитные полны, которые улавливаются системой антенн, и энергия сбрасывается в атмосферу. Обработанное таким образом топливо сгорает полнее, что существенно уменьшает его расход и выбросы. Толщина данного устройства всего несколько сантиметров. Снаружи лишь два провода для электропитания. Потребляемая мощность как у обычной лампочки. По Москве уже бегают несколько стареньких «Жигулей» с нулевым выбросом угарного газа и расходом топлива 5 л на 100 км пробега.

5. Дизельное топливо

Немецкий инженер Рудольф Дизель (1858- 1913) удостоился, пожалуй, самой высокой чести, о которой может мечтать изобретатель - его имя навсегда стало неотделимо от сконструированного им теплового двигателя. В бензиновом двигателе рабочая (топливно-воздушная) смесь воспламеняется от постороннего источника (электрической искры), в дизельном - под действием температуры, повышающейся при сжатии смеси. Потребление топлива дизелем на 20-30% меньше.

В последнее время в мире наблюдается тенденция возврата к дизельным двигателям. У оборудованных ими автомобилей меньше токсичность отработанных газов (по сумме компонентов примерно втрое ниже, чем при бензиновых моторах). Но и дизельные двигатели экологически небезопасны: в процессе работы они выбрасывают твердые частицы - сажу, аэрозоли масла и несгоревшего топлива, продукты износа двигателя, сернистый ангидрид. Отработанные газы дизельного топлива содержат полициклические ароматические углеводороды, в том числе бенз(а)пирен. В них также присутствуют альдегиды, представленные формальдегидом и акролеином, являющиеся высокотоксичными соединениями.

Для очистки выхлопных газов на дизелях устанавливают не только окислительные нейтрализаторы, но и сажевые фильтры, системы рециркуляции. Сажевый фильтр представляет собой монолитный блок с большим числом заглушённых с одного конца параллельных каналов с пористыми стенками. Отработанные газы очищаются, проходя через пористые стенки из одного канала в другой. Фильтры делают из пенокерамики и пенометалла, поскольку поры этих материалов эффективно задерживают дизельную сажу.

С 1 января 2007 г. в Москве запрещено использовать на муниципальном транспорте дизельное топливо с содержанием серы более 0,05%. ГОСТ 17.02-02.01-84 «Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Дымность отработанных газов. Нормы и методы измерений» дает подробные рекомендации водителю, как определить содержание окиси углерода в выхлопе, как отрегулировать двигатель. Отечественные стандарты предусматривают дальнейшее поэтапное ужесточение норм выброса токсичных веществ.

В некоторых городах появились «Икарусы» с двумя вместительными баллонами на крыше. Они работают на особом виде горючего - смеси дизельного топлива и природного газа. Это экологически чистые автобусы, за ними не тянется привычный дымный шлейф. Отработанных газов у них в 4 раза меньше, и при этом вдвое снижен расход дизельного топлива, на 10-12% повышена мощность двигателя, время работы между ремонтами увеличено в 1,5 раза.

С 80-х гг. в Западной Европе для дизелей применяют так называемое «биодизельное топливо»: эфиры жирных кислот, рапсометиловый эфир, получаемые при переработке растительных масел и их отходов. Основными потребителями в странах ЕС пока остаются грузовики и междугородные автобусы: их проезд в большинстве стран - членов Евросоюза на обычном дизельном топливе запрещен, а экологические штрафы превышают разницу в сбыточной стоимости масло-эфиров, смешанных видов топлива, с одной стороны, и дизельного топлива - с другой.

Испытания 2005-2008 гг. показали, что наиболее экономически эффективным, невысоким по капиталоемкости и надежным в эксплуатации является рапсовометиловый эфир (РМЭ). Принцип здесь такой: перед получением РМЭ 1 т масла смешивают с 110 л метанола. Потом к смеси добавляют катализатор - гидроокись калия - для отделения глицерина и нагревают до 40-50°С. Процесс повторяется до максимальной чистоты эфиров. Из 1 т масла при производстве РМЭ выделяется до 100 кг глицерина.

С 2008 г. в России проводятся испытания сельхозтракторов на биодизе смеси рапсового масла с дизтопливом в пропорции 75:25.

6. Автомобили на газе

Перевод автомашин на газовое топливо позволит почти в 100 раз снизить выбросы в атмосферу канцерогенных веществ. Сократится и расход нефтепродуктов: каждая тысяча газобаллонных автомобилей сэкономит на грузовых перевозках 12 тыс. т, на таксомоторных - 6 тыс. т, на пассажирских автобусах - 30 тыс. т в год. Значительно сократятся затраты и на охрану окружающей среды и воздушного бассейна.

Наиболее реальной альтернативой бензину и дизельному топливу является сжиженный или сжатый газ. Запасы его в несколько раз превосходят запасы нефти, да и технология переработки проще, чем технология извлечения бензина из нефти. Кроме того, для перехода на газообразное топливо практически не требуется вносить конструктивные изменения в двигатели внутреннего сгорания. Что же касается выбросов вредных компонентов, то концентрации окислов углерода и азота в выхлопе мотора, работающего на газе, значительно ниже, чем в выхлопе бензинового мотора, даже снабженного самым современным трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором с замкнутым контуром. Наконец, газовое топливо практически не содержит соединений свинца и серы.

Газ великолепно смешивается с воздухом и равномерно распределяется по цилиндрам двигателя, что гарантирует его практически полное сгорание и высокую топливную экономичность.

Эти преимущества особенно ярко проявляются по мере понижения температуры окружающего воздуха.

Кроме того, газовое топливо продлевает жизнь автомобильного двигателя почти в 1,5 раза: если бензин смывает, разжижает и портит смазку со стенок цилиндров, то газ не нарушает масляную пленку между трущимися деталями, и они меньше изнашиваются.

Сейчас из 500 млн автомашин, эксплуатируемых в мире, 1,2 млн работают на природном газе - метане, лишенном серы, свинца и различных примесей. Очевидно, что их доля будет постоянно расти, так как низкая стоимость и экологическая чистота делают их все более популярными. Использование природного газа на автотранспорте при полной загрузке только действующей сети автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) позволило бы снизить вредные выбросы на 10%.

Широкое использование в России природного газа в качестве альтернативного моторного газа содействовало бы решению животрепещущих для нашей страны проблем экономики, энергетики и экологии. В 2006 г. Комитет по промышленности, транспорту и энергетике Государственной Думы РФ рассмотрел и одобрил законопроект «О государственной политике в области использования природного газа в качестве моторного топлива». В нынешних условиях этот закон - одна из наиболее действенных мер, направленных на улучшение экологической обстановки в стране, а также энергообеспечения.

В условиях свободного рынка цена газового моторного топлива составит около 50% стоимости эквивалентного ему по энергосодержанию бензина АИ-76. При переводе на сжиженный природный газ доля топлива в общих эксплуатационных затратах на автомобиль сокращается вдвое, быстро окупаются затраты на приобретение газобаллонного оборудования и его установку (в течение полугода окупаются затраты при переводе на газ грузовых автомобилей моделей ГАЗ и ЗИЛ, в течение года автобусов «Икарус-280» и в течение 14 месяцев - автомобилей «КамАЗ-5320»).

В России к 2009 г. в 135 городах построено около 300 АГНКС, позволяющих ежедневно заправлять природным газом около 120 тыс.автомобилей и автобусов. Реальная цена газа составляет веет 3 руб. 40 коп. за литр газа.

Основная проблема в смене топливной аппаратуры. Импортное оборудование для карбюраторных автомобилей стоит 200-300 долларов, для инжекторных - 460-570 долларов. Отечественное несколько дешевле: для «жигулей» - 3900 руб., «волг» - 4500 руб.

Усиленное развитие автотранспорта в городах приводит к тому, что небо затягивается смогом. В связи с этим администрации ряда областей вспомнили об идее использования в качестве автомобильного топлива природного сжатого газа. В 2009 г. переведено на природный газ пассажирское предприятие № 1 Твери. На следующем этапе предусмотрено сотрудничество с Межрегион газом, Лентрансгазом и Газэнергопромбанком. Планируется обустройство газовой инфраструктурой как внутриобластных, так и крупнейших магистралей. После перевода транспорта на газ должны выиграть и сельские производители - газ примерно в 2 раза дешевле бензина и дизельного топлива.

В 2008 г. Самарская губернская дума приняла 4-летнюю региональную программу «Газ в моторах». За это время новый вид топлива должен перейти в 65% единиц транспортных средств во всех городах и районах области. На это будет затрачено 108 млн руб. Оборудование поставят бюро ракетно-космической координации «Энергия» и оборонные предприятия Самары, а заправочные станции построит Самаратрансгаз. Ожидается, что общий экономический эффект от выполнения программы составит около 60 млн руб. в год.

В 2008 г. работники автотранспортного предприятия г. Касимова (Рязанская область) предложили перевести городской общественный транспорт на газ. Газпром в свою очередь обещает держать в течение 10 лет цены на газ в 2 раза ниже, чем на бензин. В Рязанской области предполагается создать специальный фонд, который позволит осуществить перевод транспорта во всем регионе на более дешевое и экологически более безопасное топливо.

В будущем планируется освободить от уплаты различных экологических сборов автовладельцев, чьи транспортные средства работают не на бензине, а на газе. Существенные выгоды для водителей, отказавшихся от привычного горючего, представлены в законе «Об использовании природного газа в качестве моторного топлива».

Автомобили, работающие на природном газе, не будут ставиться на учет как источники вредных воздействий на атмосферный воздух. Соответственно их владельцам не придется получать разрешение на выброс вредных веществ.

Кроме того, машинам, и которых вместо бензина используется газ, разрешат не проходить так называемую проверку на окись углерода.

Плюс к лому решено материально заинтересовать водителей в переводе своих авто на экологически чистое топливо. Согласно законопроекту, стоимость газа должна быть значительно ниже, чем стоимость топлива из нефтепродуктов.

Подобные привилегии предполагается предоставлять частникам и коммерческим структурам. Транспортные средства государственных предприятий решено принудительно переводить на газ, начиная со второго года после окончательного принятия закона.

Создание в Москве целой сети газозаправочных станций станет своеобразным стартом для полного перехода на этот более экологичный вид горючего. Даже частичная «газификация» автотранспорта снизит вредные выбросы в атмосферу почти в 6 раз. В связи с этим уже в 2003 г. в столице было переориентировано на газовое топливо 950 городских автобусов и 15 тыс. грузовиков. Личный автопарк владельцы перевести на газ смогут самостоятельно. Сейчас в Москве действует не менее 50 мастерских, специализирующихся на установке газобаллонного оборудования. К этому же сроку планируется решить проблему с заправкой «газифицированных» автомашин. В 2001 г. в столице работало менее десятка газонаполнительных станций.

Немало стран, где правительство и деловые круги осознали необходимость газификации транспорта. В США, Италии, Испании, Новой Зеландии, Венесуэле разработаны и осуществляются государственные программы перевода транспорта на газомоторное топливо. Работа эта многогранна. Она не имеет одноразового решения. Это растянутый на годы процесс. В США, например, в принятый федеральный закон поправки вносятся уже одиннадцать лет. Этим законом и законами штатов регулируются налоговые и кредитные льготы, дотации на приобретение оборудования для АГНКС и газобаллонного оборудования для автомобилей.

В 1998 г. из 12 тыс. автомобилей, составлявших городской автопарк Нью-Йорка, лишь около 450 использовали в качестве топлива природный газ. С 2000 г. нью-йоркское такси работают на природном газе. Цель объявленной программы - оздоровление экологической обстановки в переполненном автомобилями городе. В соответствии с ней предполагается учредить специальный фонд в размере 3,5 млн долларов, из которого водителям такси будет выдаваться по 5 тыс. долларов на переоборудование автомобиля для перехода на газ. Компания «Форд моторе» объявила, что будет продавать автомобили, работающие на газе и на бензине по однойцене. Но таксистам, приобретающим новые машины, использующие в качестве топлива газ, будет предоставляться скидка - 6 тыс. долларов.

В Италии работа по газификации автотранспорта ведется с 1930 г. В 2006 г. здесь принята государственная экологическая программа применения СП Г на автотранспорте. Стоимость 1 м³ газа составляет 44,8% стоимости 1 л бензина. Годовой налог на бензиновый двигатель - 27 долларов на 1 л. с. мощности; на двигатель, работающий с использованием жидкого нефтяного газа, - 14,3, сжатого природного газа - 10 долларов.

7. Водород - автомобильное топливо XXI в

Использование водорода в качестве основного вида топлива может коренным образом изменить всю будущую техническую цивилизацию. Важнейшая проблема современности - охрана окружающей среды от загрязнения - будет практически решена.

Характеристики водорода как моторного топлива уникальны: высокая теплота сгорания - 120 МГж/кг (у бензина почти в 3 раза ниже); хорошая воспламеняемость; безвредность отработанных газов; высокая скорость сгорания (в 4 раза выше, чем у смеси «бензин-воздух»).

В мире производится около 50 млн т водорода в год. В основном путем конверсии жидкого и газообразного топлива. Под конверсией понимают химическую реакцию углеводородов с водяным паром (паровая конверсия) либо с паром и кислородом (парокислородная конверсия), либо с кислородом (кислородная конверсия), в результате которых образуются водород и окиси углерода. Наибольшее распространение получила паровая каталитическая конверсия метана. Процесс протекает при умеренной температуре - 800-850°С.

В первой четверти XXI в. ученые прогнозируют рост производства и потребления водорода в несколько раз по сравнению с сегодняшним уровнем.

Разработан ряд перспективных методов получения водорода. Например, путем электролиза воды. По различным данным из воды ежегодно получают от 0,5 до 1,5 млн т водорода (1-3% общего количества). Пока получение электролизного водорода обходится более чем в 2 раза дороже, чем конверсионного, но при использовании промышленных электролизеров следующего поколения в будущем водород может сравняться со стоимостью с конверсионным, а затем стать дешевле.

Хорошо известны процессы получения водорода с помощью угля. Чаще таким путем вырабатывают не чистый водород, а его смесь с монооксидом углерода - синтез-газ и искусственные энергоносители. Совершенствование этих процессов должно принести к снижению затрат на получение водорода и синтез-газа и к их применению в районах крупных угольных месторождений.

Важным свойством водорода как энергоносителя является то, что в результате его сгорания образуется водяной пар - рабочее тело паротурбинных установок. Поэтому использование водорода в энергетике потребует усовершенствования современных энергопроизводящих систем, но не коренной их перестройки.

В каком виде можно применять водород? Газообразный, даже сильно сжатый водород невыгоден, так как для его хранения нужны баллоны большой емкости. Более реальный вариант - использование жидкого водорода. Правда, в этом случае необходима установка дорогостоящих криогенных баков со специальной термоизоляцией. Возможно хранение водорода в твердой фазе в составе металлогидридов, что безопаснее хранения бензина в цистернах. Связывать водород при определенных условиях могут интерметаллические соединения на основе редкоземельных металлов, титана, железа и ряда других металлов. В Институте металлургии РАН разработан интерметаллический сплав на основе никеля и редкоземельного металла - лантана. Благодаря своей структуре сплав обладает некоторыми свойствами неметаллов и может поглощать (сорбировать) и удерживать газы, а при нагревании до 150°С выделять их. При этом объем сорбируемого водорода в 500 тысяч раз превышает объем самого интерметалла.

Процесс накопления и обратного выделения зависит не только от емкости «поглотителя», но и от его конфигурации - чем больше поверхность, тем быстрее происходит сорбирование и, соответственно, обратное выделение водорода. Скорость можно регулировать, меняя температуру нагрева. Это позволяет осуществлять достаточно простое управление подачей горючего в двигатель. Кроме того, в процессе накопления и отдачи водорода сохраняется первоначальная эффективность при многократном повторении. Фактически интерметалл представляет собой компактный аккумулятор водорода, который может стать основой взрывобезопасного «топливного» бака.

В Институте водородной энергетики и плазменных технологий разработана принципиальная новая схема водородного автомобиля. Окисление происходит не в двигателе внутреннего сгорания, а в электрохимическом генераторе, где и вырабатывается электрическая энергия, вращающая основной вал двигателя. Трансформация энергии водорода в электроэнергию с помощью электрохимического генератора, основанная на полимерных мембранах, позволяет это делать при температуре кипения воды, что исключает синтез окислон-азота из воздуха, неизбежно возникающий при высоких температурах в других системах. В итоге на выхлопе - чистая вода.

Ученые разработали систему водородной безопасности - так называемые дожигатели, которые нейтрализуют водород при малейшей его утечке, сигнализируя водителю о неисправности.

Автомобильный концерн «Даймлер-Бенц» (Германия) и энергетическая компания «Бэллард пауэр системс» (Канада) договорились о слиянии операций по технологическому развитию, производству и маркетингу топливных элементов. Совместное предприятие «Ди-Ди-Бифьюэт сеппз эндтинэ», в котором «Даймлер-Бенц» контролирует 2/3 капитала, определенного в 450 млн долларов, ставит перед собой задачу стать первым в мире производителем топливных элементов для легковых автомобилей и автобусов.

Топливные элементы - это прорыв в технологии на пути к экологически чистому автомобильному двигателю. Основным горючим является водород - его пропускают через полимерные мембраны с катализаторами, которые вызывают химическую реакцию с кислородом воздуха: водород превращается в воду, а химическая энергия его сгорания - в электрическую. Еще одно достоинство двигателя на топливных элементах - высокий КПД. Для обычных двигателей, работающих на бензине и дизельном топливе, он составляет 25-45%, КПД же топливных элементов - 70% и выше.

До недавних пор топливные элементы конструировали только для специальных целей, например космических исследований. В настоящее время их начинают применять на стационарных и передвижных электростанциях, внедрять в качестве силовых установок на надводных судах и подводных лодках.

Топливные элементы - энергетический рынок будущего. По мнению экспертов, он способен конкурировать даже с природным газом.

В настоящее время к промышленному производству различных видов топливных элементов приступили такие крупнейшие фирмы, как «Мицубиси хэви индатриз», «Тойота», «Фудзи», «Саньо», «Тошиба», «Эленко Эйч-Би», «Энерджи партнере» (в альянсе с «Фордом»), «Эйч-Пауэр» (в сотрудничестве с «Дюпон»), «Интернэшнл фыоэп-селл», «БМВ», «Симменс» и «Линде».

В 2000 г. фирма «Опель» представила в Пекине автомобиль, работающий на водородных топливных элементах. Электродвигатель имеет мощность 75 л. с. и способен развивать скорость до 140 км/ч. Одной емкости водорода хватает на 400 км.

8. Электромобиль

Только с 60-х гг. (особенно после энергетического кризиса 1973 г.) возник интерес к их массовому использованию. Это было вызнано не только энергетическими, но и серьезными экологическими проблемами: электромобиль не загрязняет и не подогревает воздух, он не такой шумный.

С 2003 г. в Калифорнии (США) вступает в действие закон, предусматривающий обязательный выпуск национальными производителями не менее 2% автомобилей с «нулевым выхлопом», прежде всего - электромобилей,

В 2008 г. фирма «Дженерал моторс» построила самый дорогостоящий электромобиль. Его начинка - 44 никель-металлогидридные батареи, топливные ячейки и трехфазный электромотор мощностью 137 л. с, разгоняющий машину весом 1300 кг до 150 км/ч с общим пробегом 500 км от одной зарядки. Исходным топливом для электромобиля служит технический спирт - метанол. Смешиваясь с водой, спирт разлагается в испарителе на водород и двуокись углерода. Водород поступает в топливные ячейки и после ионизации вырабатывает электроэнергию, подпитывающую батареи. Данные ионы окисляются кислородом, содержащимся в воздухе, и превращаются в воду, которая используется на первой стадии цикла. Таким образом решается масса проблем, которые прежде делали автомобиль на электротяге столь непривлекательным: батареи не нужно заряжать от сети, а баки - заправлять взрывоопасным водородом. Правда, здесь есть одно «но». Аналогичные установки американцы используют в космосе. И цена их столь заоблачная, что о «гражданском» применении таких установок пока не может быть и речи.

В Швеции создан 15-тонный грузовик, который назвали машиной будущего. В его двигателе соединены электромотор и газовая турбина. Электромотор используется на улицах города, чтобы не загрязнять атмосферу, а турбина - на загородных шоссе. Двигатель достаточно мощный 170 л. с, что позволяет грузовику развивать скорость ПО км/ч. Газовая турбина работает на этаноле, вредность выхлопных газов при этом в 10 раз меньше, чем от машин с поршневым мотором. А в качестве горючего могут быть использованы также метанол, бензин, дизельное горючее, рапсовое масло и природный газ.

Словом, поиск идет повсюду. Страна, которая первой выйдет на мировой рынок с электромобилем, не уступающим автомобилю с бензиновым двигателем, окажется лидером в гонке за транспорт XXI в.

Опередив в очередной раз остальные страны, Япония вступает в эру электромобилей. В Осаке постоянно действует первая на планете сеть скоростных подстанций, которым необходимо всего лишь 30 мин, чтобы «заправить» экологически чистый автомобиль, обещающий уже в недалеком будущем составить серьезную конкуренцию привычным машинам с двигателем внутреннего сгорания. До сих пор на подзарядку батарей уходило не менее 10 ч, что было одним из главных сдерживающих факторов широкого распространения электромобилей в мире. Однако с вводом в Осаке первых семи скоростных «электрозаправок» машины смогут свободно курсировать по городу. Они могут вернуться назад до того момента, как у них иссякнет вся энергия. Учитывая также, что последние модели электромобилей способны развивать скорость до 140 км/ч, зона их применения еще более расширяется.

Японская компания «Тойота» может стать первым в мире массовым производителем легковых автомобилей с двойной или «гибридной» системой энергоснабжения. Новая машина оснащена традиционным бензиновым двигателем, а также источниками энергопитания - аккумуляторными батареями, электромотором и электрогенератором.

Технология двойного питания, позволяющая водителям свободно переходить с одной системы на другую, в той или иной форме разрабатывалась практически всеми крупными автомобильными компаниями с целью повышения экологической безопасности своей продукции. Однако реализация проектов в большинстве случаев откладывалась в связи с высокими производственными расходами, которые неизбежно приводят к подорожанию автомобилей для покупателей. Если «Тойоте» удастся преодолеть проблему и запустить в производство экологически безопасную модель, это станет серьезным поводом для беспокойства ее американских и европейских конкурентов.

Пока представители «Тойоты» не раскрывают данных о планируемом объеме производства и возможной рыночной цене машины. Однако известно, что «гибкие» модели будут незначительно дороже традиционных. Успех предприятия во многом зависит от расценок и объемов производства.

Новая модель «Тойоты» будет оснащена двигателем внутреннего сгорания объемом 1500 см³, обеспечивающим возможность развития высокой скорости на автомагистралях. В городе же водитель может переключиться на экологически безопасную систему питания. Конструкция машины предусматривает подзарядку аккумуляторных батарей от бензинового двигателя. Таким образом должна быть преодолена проблема длительных простоев, которые вынуждены совершать автомобили, работающие на электричестве. Новая система также значительно более экономична в отношении расхода бензина.

Более 4000 экологически чистых электромобилей ездит по дорогам Германии - это 0,01% от общей численности автопарка страны. Количество электромобилей в 2007 г. увеличилось на 2,5%. Они заняты в основном на доставке мелких партий товаров в небольшие магазины. В этой связи эксперты полагают, что в Германии нашлось бы применение как минимум для 10 млн электромобилей. При этом потребление электроэнергии возросло бы на 5%, что потребовало бы строительства новых электростанций.