Основные направления повышения экологической безопасности автомобилей

Поэтому большинство ученых и практиков предпринимают меры по снижению токсичности отработавших газов двигателя. И прежде всего  — уменьшению количества содержащихся в них моно- и диоксидов углерода, а также оксидов азота и  несгоревших углеводородов.

2. Основные направления  повышения экологической безопасности  автомобилей.

 

Транспорт - важное условие  функционирования общественного производства и жизни людей. Пассажиропотоки  в городах растут быстрее, чем  население городов. Большую долю всего объема транспортных перевозок  выполняет промышленный транспорт, в составе которого 30-35% перевозок  совершают железные дороги, около 60 % автомобили, а остающиеся 5-10% - трубопроводы, транспортеры, речной и морской флот.

Автомобиль в настоящее  время стал, чуть ли не основным средством  транспорта для подавляющего большинства  человечества. Но он же, к сожалению, и главный глобальный загрязнитель окружающей среды.

Специальные правительственные  органы многих промышленно развитых стран проводят всестороннее изучение экологических и других проблем и формулирует систему норм, ограничений, требований и стимулов к производителям и потребителям продукции. Это делается с целью минимизации негативного воздействия на природу.

Поэтому большинство ученых и практиков предпринимают меры по снижению токсичности отработавших газов двигателя. И прежде всего  — уменьшению количества содержащихся в них моно- и диоксидов углерода, а также оксидов азота и  несгоревших углеводородов.

Проблема эта, безусловно, весьма сложная, трудоемкая и дорогостоящая. Уже хотя бы потому, что, во-первых, современные  ДВС, как показывает анализ, довольно близки к "потолку" их совершенствования; 
во-вторых, бурный рост автомобильного парка будет продолжаться, следовательно, речь должна идти не о единицах процентов снижения вредных выбросов отдельно взятым автомобилем, а о разах.

Тем не менее, специалисты, занимающиеся данной проблемой, не считают ее неразрешимой. Более того, они предлагают как  минимум четыре направления работ, которые позволят сделать автомобильную  энергетику экологически чистой.

2.1 Совершенствование ДВС.

С момента изобретения  более ста лет назад двигателя  внутреннего сгорания (ДВС) предпринимались  многочисленные попытки повышения  его экономичности и экологичности. У ДВС, есть ряд преимуществ перед другими типами силовых установок. К настоящему времени это, прежде всего, топливная экономичность и возможность удовлетворения международным требованиям по экологии. Отлаженность технологии выпуска ДВС обеспечила их низкую удельную стоимость (затраты/кВт энергии). Совершенствование рабочего процесса привело к высокой объемной (массовой) энергоемкости (кВт/кг, кВт/м3). Изыскания многих поколений ученых и инженеров открыли, что у данной конструкции есть неиспользованные резервы для дальнейшего развития и совершенствования конструкции. Например, существенный рост к.п.д. бензиновых двигателей и улучшение экономичности было достигнуто благодаря переходу на впрыск топлива во впускной трубопровод или непосредственно в цилиндр; использованию наддува.

Так разрабатываются методы повышения к.п.д. существующих ДВС путем создания конструкции регулирования степени сжатия и рабочего объема.

 

 

Теоретические и экспериментальные  исследования показывают, что путем  оптимизации степени сжатия и  рабочего объема ДВС может быть улучшена эксплуатационная топливная экономичность  и обеспечено снижение выброса парниковых газов (СО2) в условиях городского движения от 20 до 40 %.

Для двигателя внутреннего  сгорания, чтобы получать необходимую  механическую энергию для движения автомобиля, необходимо иметь высокое  давление в цилиндрах. Естественно, чем выше температура сгорания топлива, тем выше давление. Но окиси азота  образуются тем охотней, чем выше температура и больше кислорода (то есть воздуха) поступает в камеру сгорания. С точки зрения экологии в ДВС ситуация тупиковая. Много  топлива и мало воздуха - низкая мощность, низкая экономичность и много  СО. Мало топлива и много воздуха - много окиси азота. Успешный до недавней поры компромисс достигался электронным регулированием соотношения топливо-воздух и применением, так называемого трехходового каталитического нейтрализатора. Тем не менее, уже разработаны камеры сгорания, способные сжигать сверхбедные топливовоздушные смеси. ДВС, имеющие такие камеры, на всех режимах работают практически при идеальных соотношениях топлива и воздуха, следовательно, содержат минимальное количество вредных веществ в отработавших газах. Кроме того, все больше появляется систем, обеспечивающих автоматическое управление подачей топлива в камеру сгорания и его воспламенением, что тоже благоприятно сказывается на экологической чистоте ДВС.

 В частности, технические  данные ДВС могут быть улучшены  путем совершенствования электронного  управления системами двигателей. Так, в последние годы появились  в серийном производстве системы  с управляемыми фазами газораспределения,  и многие фирмы выпускают двигатели  с достаточно эффективными механизмами  их регулирования (Honda, Toyota, BMW и др.).

 

Наибольшими функциональными  возможностями воздействия на показатели двигателей обладает система с электромагнитным приводом клапанов и электронным  управлением, а также, переходу на четырехклапанное газораспределение.

Так же предпринимались многочисленные попытки повышения экономичности  ДВС с использованием процесса парообразования  из воды.

Особенно активно двигатели  с впрыском воды применялись всеми  воюющими сторонами во время Второй Мировой войны, когда цены на нефть были чрезвычайно высокими. Но затем, такие двигатели вышли из употребления по причине своей технологической сложности и ненадёжности, тем более, об экологии тогда никто ещё серьёзно не заботился. Любой двигатель внутреннего сгорания не просто впустую выбрасывает большую часть получаемой им тепловой энергии (70 - 80 %), но, более того, он даже разрушается, если потеряет возможность, через систему охлаждения, отдавать воде своё тепло. Получающая это тепло вода, превращаясь во время кипения или испарения в пар, при обычном атмосферном давлении увеличивается в своём объёме в 1700 раз. Давление образовавшегося пара может помочь рабочему газу приводить в движение поршни или турбины тепловых двигателей и тем давать существенное приращение мощности, максимального крутящего момента и коэффициента полезного действия (КПД) этих моторов. Существует три основных варианта использования впрыска воды на ДВС:

1. От контакта воды  с горячими выхлопными газами  происходит процесс парообразования,  после чего пар вращает небольшую  турбину, которая помогает основному  двигателю. О разработке подобной  силовой установки для своих  автомобилей в ноябре 2005 заявила  компания BMW.

 

 

2. На многих спортивных  автомобилях, использующих турбонаддув, вода распыляется в сжатом компрессором воздухе для охлаждения этого воздуха, вместе с которым она затем попадает в цилиндры, где и становится паром.  Здесь нужно заметить, что любой газ (это относится и к воздуху и к пару) при понижении своей температуры на один градус, при атмосферном давлении, уменьшается примерно на 1/270 своего объёма и, наоборот, при сжатии, особенно резком, температура газа возрастает. В этом легко убедиться, накачивая камеру колеса велосипеда ручным насосом, который при этом заметно нагревается. Чтобы в цилиндры двигателя с меньшими затратами энергии поместилось больше сжатого воздуха, этот воздух охлаждается распылением в нём (не подогретой) воды, которая имеет очень высокую теплоёмкость. Это распыление осуществляется либо до прохождения сжатого воздуха через интеркулер (дополнительный охлаждающий радиатор), либо после него, но, в любом случае, даже мельчайшие нагревающиеся капельки воды должны превращаться в пар только внутри цилиндра, иначе польза от этого пара становится ничтожной. Более того, нарушение стехиометрического (оптимального) соотношения количества топлива и воздуха, включающего в себя водяные пары, может привести к остановке двигателя.

3. Специально подогретая  вода впрыскивается (распыляется)  непосредственно в цилиндры инжекторного двигателя. От контакта с горящим топливом, раскалённым поршнем и цилиндром, вода вскипает, и расширяющийся пар помогает рабочим газам приводить поршни в движение. Здесь впрыск воды фактически заменяет собой турбонаддув. В этом случае уже не будет нарушаться стехиометрическое соотношение количества топлива и чрезвычайно сжатого компрессором воздуха, чьё очень высокое давление затрудняет процесс искрообразования. Расширяющийся в цилиндре пар для экологии значительно безопаснее, чем сжатый воздух, содержащий в себе до 80% азота, из которого, при высокой температуре (и давлении) образуются губительные для природы его химические соединения с избыточным кислородом. Кроме того, лишний кислород в сильно сжатом воздухе приводит к нежелательному обгоранию цилиндров, поршней, поршневых колец, клапанов и окислению электрических контактов свечей. Некоторые автомобилисты уверяют, что даже после многих лет эксплуатации ДВС с впрыском воды, внутренности его цилиндров выглядят как новые. Более эффективное непосредственное охлаждение (и смазывание) водой раскалённых и интенсивно трущихся поверхностей цилиндра продлевает жизнь всего мотора. Помимо прибавки мощности и экономии топлива на 15 – 20 %, существенно улучшается и охлаждение мотора, так как здесь цилиндры охлаждаются водой не столько снаружи, сколько изнутри. К сожалению, по причине очень сложной настройки, недостаточной её надёжности и сравнительной дороговизны, моторы с впрыском (инъекцией) воды распространение получили только в авиации, автоспорте и любительских авто- самоделках (в последнем случае не всегда оправдывают себя). Но достижения современной науки и техники, особенно электроники, позволяют надеяться на большую эффективность моторов с впрыском воды. Именно электроника должна регулировать точное дозирование инжектируемой в цилиндры воды, и её предварительный подогрев от внешних стенок цилиндра (в водяной рубашке) и от выхлопного патрубка с глушителем, каталитическим нейтрализатором и сажевым фильтром, чтобы в момент впрыска температура воды максимально приближалась к своей точке кипения, которая в сжатой газовой среде неизбежно повышается.

Предварительный подогрев воды необходим для улучшения процесса парообразования, - чем больше воды вскипит в цилиндрах работающих ДВС, тем больше экономится топлива  и сохранится природа на нашей  планете. При избыточном нагреве  цилиндра микропроцессор может увеличить  подачу в него воды, при этом, снизить  подачу топлива ровно настолько, чтобы от этой замены при существующей нагрузке ощутимо не изменилась скорость вращения маховика двигателя, установленная водителем на данный момент. В идеале (при хорошей регулировке), мотору с впрыском воды уже не нужен громоздкий радиатор, ухудшающий аэродинамическое сопротивление быстро движущегося автомобиля, а также вентилятор, дополнительно обдувающий двигатель снаружи. В этом случае водяной насос, помимо своей надёжности должен, независимо от режима работы ДВС, быстро и точно изменять свою производительность и давление подаваемой им воды.

Ввиду прогрессирующего роста  цен на нефть и неизбежного  глобального энергетического и  экологического кризиса, есть смысл  чаще возвращаться к самым различным  способам экономии топлива, пусть несколько  подзабытым, но, с привлечением современных  технологий, открывающих многообещающие перспективы.

2.2 Применение альтернативных топлив.

Перспективы альтернативного (не нефтяного) топлива таковы, что  к 2020 году, согласно резолюции ООН, нацелившей страны Европы на переход автомобилей на альтернативные виды моторного топлива, ожидается увеличение «альтернативщиков» до 23% всего автопарка, из них 10% (порядка 23,5 млн. единиц) – на природном газе. Так что, судя по всему, Европу ожидают топливные перемены, над подготовкой к которым уже сегодня активно работают автомобильные разработчики. Но, как говорится, зачастую новое – это хорошо забытое старое. То, что сегодня кажется достаточно экзотичным и пока малоиспользуемым, как это ни покажется странным, таковым не считалось еще на заре автомобилестроения. Так, Генри Форд в свое время высказывал идею, что этанол станет горючим будущего, предлагая покупателям Ford T с двигателем, работающим на этаноле, бензине или их смеси. Сам же этанол производился из бобов сои, кукурузы или конопли. Рудольф Дизель, создав в 1890г. дизельный мотор, работающий на арахисовом масле, успешно реализовал идею биодизеля.

 

 

Биотопливо - использование биотоплива, например этанола (этилового спирта) или дизельного топлива (биодизеля), полученного из специально выращенных растений, обычно рассматривают как важный шаг к сокращению выбросов углекислого газа (СО₂) в атмосферу. Конечно, при сжигании биотоплива углекислый газ попадает в атмосферу совершенно так же, как и при сжигании ископаемого топлива (нефти, угля, газа). Разница в том, что образование растительной массы, из которой было получено биотопливо, шло за счет фотосинтеза, то есть процесса, связанного с потреблением СО₂. Соответственно, использование биотоплива рассматривается как «углерод-нейтральная технология»: сначала атмосферный углерод (в виде СО₂) связывается растениями, а потом выделяется при сжигании веществ, полученных из этих растений. Однако стремительно расширяющееся производство биотоплива во многих местах (прежде всего в тропиках) ведет к уничтожению природных экосистем и утере биологического разнообразия.

Двигатели, работающие на биотопливе, используют энергию солнечного света, запасенную растениями. Энергия ископаемого топлива — это на самом деле тоже когда-то давно (десятки и сотни миллионов лет тому назад) связанная энергия солнечного света, а выделяющийся при сжигании ископаемого топлива углекислый газ когда-то был изъят из атмосферы (и вод океана) растениями и цианобактериями. Казалось бы, биотопливо ничем не отличается от обычного ископаемого топлива. Но разница есть, и определяется она временной задержкой, лагом между связыванием СО₂ в ходе фотосинтеза и выделением его в процессе сжигания углеродосодержащих веществ. Если этот лаг очень большой (как в случае использования горючих ископаемых), то состав атмосферы мог за это время существенно измениться. Кроме того, если связывание углекислого газа происходило в течение очень длительного времени, то высвобождение происходит очень быстро. В случае же использования биотоплива временной лаг совсем небольшой: месяцы, годы, для древесных растений — десятилетия.

 

При всех плюсах использования  биотоплива быстрое увеличение его производства чревато серьезными опасностями для сохранения дикой природы, особенно в тропиках. Не заслуживает одобрения принятая во многих странах, и прежде всего в США, практика использования кукурузы как сырья для получения этанола. Культивирование кукурузы само по себе требует большого количества воды, удобрений и пестицидов. В результате, если учесть все затраты на выращивание кукурузы и производства из нее этанола (они ведь тоже связаны с потреблением энергии, со сжиганием топлива), то окажется, что в сумме количество СО₂, выделяющегося при изготовлении и использования такого биотоплива, почти такое же, как при использовании традиционного ископаемого топлива! Для этанола из кукурузы коэффициент, оценивающий выделение парниковых газов на определенный энергетический выход равен 81–85 кг СО₂/МДж. Для сравнения, соответствующий показатель для бензина (из ископаемого топлива) составляет – 94 кг СО₂/МДж, а для обычного дизельного топлива — 83 кг СО₂/МДж. При использовании сахарного тростника результат уже существенно лучше — 4–12 кг СО₂/МДж.

Но, настоящий положительный  скачок наблюдается при переходе к использованию многолетних трав, например одного из видов дикого проса — так называемого проса прутьевидного, обычного растения высокотравных прерий Северной Америки. Благодаря тому, что значительная часть связанного углерода запасается многолетними травами в их подземных органах, а также накапливается в органическом веществе почвы, территории, занятые этими высокими (порой выше человеческого роста) травами, функционируют как места связывания («стока») атмосферного СО₂. Показатель эмиссии парниковых газов при получении биотоплива из проса характеризуется отрицательной величиной: