Захаров Е.А., Шумский С.Н. Экологические проблемы автомобильного транспорта

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Волгоградский государственный технический университет

Захаров Е. А., Шумский С. Н.

Экологические проблемы

автомобильного транспорта

Учебное пособие

РПК «ПОЛИТЕХНИК»

Волгоград 2007

УДК 656.1

Рецензенты: ООО «ИПГ Волга Бас» зам. генерального директора

по инвестиционной политике, к. т. н. доцент Свитачев А. Ю.;

к. т. н. доцент Овчаров С. А.

Захаров, Е. А. Экологические проблемы автомобильного транспорта:

учеб. пособ. / Е. А. Захаров, С. Н. Шумский; ВолгГТУ. – Волгоград,

2007. – 107 с.

ISBN 5-8291-0387-7

Рассмотрены вопросы образования токсичных веществ при сжигании

топлив в автомобильных ДВС. Изложены методы анализа токсичности от-

работавших газов двигателей; описаны методы испытания автомобилей на

токсичность, приведены современные нормы токсичности. Отражены во-

просы, связанные со способами воздействия на рабочий процесс ДВС с це-

лью снижения их отрицательного воздействия на окружающую среду

. Из-

ложены сведения об альтернативных топливах для двигателей. Приведен

материал, касающийся шумового загрязнения от автомобильного транс-

порта и способов его уменьшения. Указаны основные направления рацио-

нальной организации дорожного движения в плане снижения загрязнения

атмосферного воздуха.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Экс-

плуатация транспортных средств», специальностям «Автомобили и авто-

мобильное

хозяйство», «Организация перевозок и управление на автомо-

бильном транспорте». Учебное пособие может быть полезно для техниче-

ских специалистов предприятий, эксплуатирующих автомобили.

Ил. 44. Табл. 20. Библиогр.: 10 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета.

ISBN 5-8291-0387-7

государственный

технический

университет, 2007

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………….............. 5

1. ОБРАЗОВАНИЕ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ В ОГ ДВС ..... 7

1.1. Краткие сведения об автомобильных топливах …………..... 7

1.2. Теоретически необходимое количество окислителя и

коэффициент избытка воздуха ………………………………

1.3. Эксплуатационные и конструктивные причины

образования токсичных компонентов ………………………

1.4. Физико-химические основы образования токсичных

компонентов ………………………………………………….

2. ТОКСИЧНОСТЬ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВС.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ НА

ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА И ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ….........

3. СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ

СРЕДЫ ОТ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА ………………

3.1. Совершенствование систем питания ………………………... 26

3.2 Форсирование зажигания ……………………………………... 34

3.3. Рециркуляция отработавших газов ………………………….. 39

3.4. Нейтрализация отработавших газов в выпускной

системе ДВС ……………………………………………………

3.5. Замкнутые системы вентиляции картера и

системы улавливания паров бензина ………………………..

3.5. Способы

снижения дымности дизельных ДВС …………….. 52

4. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВС………………………. 56

4.1. Спирты ………………………………………………………… 57

4.2. Углеводородные газы ………………………………………… 58

4.3. Водород ………………………………………………………... 62

4.4. Диметиловый эфир …………………………………………… 65

5. РАЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ДОРОЖНОГО

ДВИЖЕНИЯ …………………………………………………………..

6. НОРМИРОВАНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ

ГАЗОВ ДВС ………………………………………………………..

6.1. Контроль токсичности ОГ на режиме холостого хода …….. 71

6.2. Контроль токсичности ОГ на стенде с беговыми барабанами ... 77

6.3. Нормирование дымности ОГ дизелей в

эксплуатационных условиях ………………………………...

7. МЕТОДЫ И ПРИБОРА ДЛЯ ГАЗОВОГО АНАЛИЗА …………… 82

8. ШУМ ОТ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА И МЕТОДЫ

ЕГО СНИЖЕНИЯ …………………………………………………...

8.1. Характеристики шума ………………………………………... 91

8.2. Защита от шума

автомобилей ………………………………... 95

8.3. Нормирование шума автомобилей …………………………... 102

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………............ 106

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня невозможно представить человеческую цивилизацию без ав-

томобиля – он стал необходимым условием функционирования современ-

ного индустриального общества. Стремление человека к свободе передви-

жения, усложнение функций в производственной деятельности и сфере ус-

луг, сама жизнь в больших городах – все это обуславливает рост числа

легковых автомобилей и увеличение

объема грузовых перевозок. Уровень

автомобилизации уже давно стал одним из основных показателей эконо-

мического развития страны, качества жизни населения.

Однако, прогресс автомобильного транспорта чрезвычайно остро по-

ставил вопрос о систематическом и прогрессирующем загрязнении окру-

жающей среды.

В настоящее время автомобильный транспорт стал одним из основных

загрязнителей атмосферного воздуха. Так, в России на его долю приходит-

ся около 95% объема вредных выбросов от транспортного комплекса и

примерно 42% суммарных выбросов всех отраслей отечественной эконо-

мики (данные 2005 г.).

Автомобильный транспорт является также основным источником

акустического загрязнения окружающей среды. В

крупных городах уро-

вень шума достигает 70 и более дБА, что значительно превышает допусти-

мые санитарные нормы.

В России, в результате слабой организации работ по вторичной пере-

работке и утилизации отходов, обостряется проблема загрязнения окру-

жающей среды отходами, образующимися при эксплуатации автотранс-

порта, – изношенными шинами, отработанными маслами, ломом черных и

цветных

металлов, аккумуляторными батареями, пластмассами, электро-

литом. Эти материалы являются непосредственными источниками загряз-

нения гидросферы и литосферы, нарушают эстетику ландшафтов.

Строительство и эксплуатация автомобильных дорог, без которых не-

возможно функционирование автотранспорта, нарушают экологическое

равновесие в природе вследствие изменения существующего ландшафта,

усиления водной, ветровой эрозии.

Проблему загрязнения окружающей среды автотранспортом невозмож-

но отделить от проблемы рационального использования природных ресур-

сов, прежде всего энергетических (например, на нужды

автомобильного

транспорта тратится более 50% от общего количества добываемой нефти).

Высокие темпы автомобилизации России наряду с неразвитостью

улично-дорожной сети и объектов транспортной инфраструктуры, высокой

долей парка с большим сроком эксплуатации и низкими экологическими

показателями, отставанием развития общественного пассажирского транс-

порта, устаревшей системой управления и организации дорожным движе-

нием привели в последние

годы к резкому обострению указанных нега-

тивных факторов.

В современных условиях подготовку специалистов в области эксплуа-

тации автомобильного транспорта невозможно представить без изучения

вопросов, касающихся изменения экологической ситуации в результате его

развития, а также без получения практических навыков в решении задач

снижения отрицательного воздействия автомобильного транспорта на ок-

ружающую среду.

Авторами в учебном пособии сделана попытка систематизировать ма-

териал, относящийся к вышеназванным проблемам, и представить их в

форме, удобной для восприятия студентов.

1. ОБРАЗОВАНИЕ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ В ОГ ДВС

1.1. Краткие сведения об автомобильных топливах

В двигателях внутреннего сгорания применяются жидкие и газообраз-

ные топлива. Главным источником для получения жидких топлив является

нефть. В результате ее прямой перегонки и специальной вторичной пере-

работки получают бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо,

соляровое

масло, мазут и т.п. Газообразные топлива, применяемые на транспорте,

это, в основном, природный и нефтяной газы. Природный газ хранится на

борту автомобиля в сжатом состоянии, в баллонах под давлением до 20 МПа.

Нефтяной газ получают при переработке нефти. Он представляет собой

смесь пропана и бутана. Хранится на борту автомобиля в

баллонах в сжи-

женном состоянии.

Автомобильные топлива состоят в основном из смеси различных уг-

леводородных молекул, которые отличаются по форме, размером и струк-

туре (групповому составу). Групповой состав влияет на процессы испаре-

ния, воспламенения и горения топлива, а, следовательно, определяет его

вид и сорт. Например, чем более компактна молекула углеводорода,

тем

выше его детонационная стойкость, определяемая октановым числом. Ди-

зельное топливо, напротив, должно обладать низкой температурой само-

воспламенения, которая снижается с укрупнением молекулы. Поэтому в

качестве дизельного топлива используют более тяжелые фракции нефти.

Элементарный состав топлива – это массовое или объемное содержа-

ние в нем отдельных элементов (таблица 1.1).

Горючими элементами в составе

топлив являются: углерод, водород

и сера. Сера – крайне нежелательный компонент, содержание ее строго

нормируется. При ее сгорании образуется двуокись серы SO

, которая при

соединении с влагой приводит к образованию серной кислоты, разрушаю-

щей детали двигателя и, в первую очередь, выпускной системы.

Таблица 1.1

Осредненный элементарный состав автомобильных топлив, % по массе

Топливо Углерод Водород Кислород Азот Сера

Дизельное 86,5–87 12,6 0,4 0

≤ 0,5

Бензин 85 15 0 0

≤ 0,15

Природный газ 75 25 0

≤ 0,3

Нефтяной газ 82 18 0

≤ 0,5 ≤ 0,015

1.2. Теоретически необходимое количество окислителя и

коэффициент избытка воздуха

Наименьшее количество кислорода, которое требуется подвести извне

к топливу для полного его окисления, называется теоретически необходи-

мым количеством кислорода. В ДВС необходимый для горения кислород

содержится в воздухе, который вводят в цилиндр в процессе впуска. Учиты-

вая, что кислорода в воздухе

по массе содержится приблизительно 23%, и,

рассмотрев материальный баланс химических реакций горения, можно оп-

ределить теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг

топлива:

,,8

топливакг

воздухакг

OSHCm

теор

возд

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−++=

где C, H, S и O – процентное содержание по массе углерода, водоро-

да, серы и кислорода в топливе.

Например, для бензина

топливакг

воздухакг

теор

возд

9,14=

В автомобильных двигателях в зависимости от типа смесеобразова-

ния, режима работы и других факторов, количество подаваемого воздуха

может быть больше теоретического, равно ему или меньше. Отношение

действительного количества воздуха, поступившего в цилиндр двигателя, к

теоретически необходимому для сгорания содержащегося в нем топлива,

называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается через α:

теор

возд

действ

возд

При α > 1 смесь называется бедной (или обедненной). В этом случае

достигается химическая полнота сгорания, выделяется полная теплота, ко-

личество токсичных продуктов минимально. При α = 1 смесь называется

стехиометрической. При α < 1 смесь называется богатой (или обогащен-

ной).

В этом случае кислорода не хватает для полного окисления топлива,

выделяется не вся теплота, в

отработавших газах появляются продукты не-

полного сгорания – CO и C

В среднем, в зависимости от конструкции и режимов работы, в дви-

гателях с искровым зажиганием α лежит в пределах от 0,8 до 1,2, в дизелях

от 1,3 до 6.

1.3. Эксплуатационные и конструктивные причины

образования токсичных компонентов

При идеальном сгорании автомобильного топлива без примесей,

присадок и серы, происходили бы следующие реакции:

C + O

= CO

+ O

= 2H

Продукты сгорания в этом случае должны состоять из углекислого га-

за и паров воды. Однако в реальных условиях ОГ содержат дополнительно

следующие группы токсичных веществ:

1) продукты неполного сгорания – оксид углерода CO, несгоревшие

углеводороды C

, альдегиды, сажу.

2) продукты термических реакций между кислородом и азотом воз-

духа – оксиды азота NO

3) соединения неорганических веществ, присутствующих в топливе

(в основном, соединения свинца и серы). Соединения свинца появляются

в ОГ при использовании этилированного бензина. В России его примене-

ние запрещено с 1 июля 2003 г. Федеральным законом "О запрете произ-

водства и оборота этилированного автомобильного бензина в Российской

Федерации".

Образование этих веществ вызвано следующими причинами

1. На некоторых режимах работы автомобильных ДВС необходимо

подавать в цилиндры обогащенную топливовоздушную смесь (α < 1). Та-

кими режимами являются: холодный пуск и прогрев двигателя, разгон ав-

томобиля, режимы холостого хода и полной нагрузки. Например, на холо-

стом ходу обогащение смеси необходимо для компенсации недостатков

смесеобразования и обеспечения устойчивой работы двигателя в

условиях

повышенного значения коэффициента остаточных газов. На режимах пол-

ной нагрузки для получения максимальной мощности необходимо пода-

вать в цилиндры так называемую мощностную смесь α = 0,9…0,95.

2. Недостатки смесеобразования. В современных быстроходных дви-

гателях на процесс смесеобразования отводятся сотые доли секунды. За

это время трудно сформировать в цилиндре идеально гомогенную смесь,

.е. смесь, состоящую из паров топлива, равномерно перемешанных с воз-

духом. Как правило, к моменту подачи искры, часть топлива не успевает

испариться и остается в капельной форме. Внутри цилиндра могут сущест-

вовать зоны локального переобогащения и переобеднения смеси (неравно-

мерное распределения заряда). В многоцилиндровых двигателях сущест-

вуют межцилиндровые различия по

наполнению.

На режимах разгона установившийся процесс смесеобразования на-

рушается. Резкое открытие дроссельной заслонки приводит к возрастанию