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

Подождите немного. Документ загружается.

т. е. частиц диаметром меньше 1 мкм. Эти частицы проникают в организм

человека вместе с воздухом и через кожу. Соединения свинца очень ядо-

виты и не выводятся из организма. Негативно воздействуют на централь-

ную нервную систему, вызывают нарушения в обмене веществ и крове-

творных процессах.

Содержащаяся в топливе

сера выбрасывается в атмосферу в форме

диоксида серы SO

. Это бесцветный газ с острым запахом. Раздражающе

действует на органы дыхания, при его контакте с влагой образуются ки-

слоты Н

и Н

Загрязнение воздуха приводит к замедлению роста, заболеванию и

гибели растений, снижению урожайности сельскохозяйственных культур

и уменьшению продуктивности животноводства. Например, очень чувст-

вительны к SO

хвойные и лиственные леса, так как диоксид серы накап-

ливается в листьях и хвое. При содержании SO

в воздухе 0,23…0,32 мг/м

происходит усыхание сосны за 2–3 года в результате нарушения фотосин-

теза и дыхания хвои. Аналогичные изменения у лиственных деревьев воз-

никают при концентрации SO

порядка 0,5…1,0 мг/м

В атмосфере диоксид серы и оксид азота, взаимодействуя с водяным

паром, образуют кислоты, которые выпадают на землю вместе с дождем

(«кислотный дождь») и наносят большой вред растениям и зданиям, уско-

ряя процессы коррозии металлов и разрушения строительных материалов.

Установлено, что в индустриальных городах сталь ржавеет в 20, а алюми-

ний разрушается

в 100 раз быстрее, чем в сельской местности. Основную

роль в образовании кислотных дождей играют выбросы промышленных

предприятий, так как они отводятся в атмосферу через высокие трубы.

Загрязнение атмосферы способствует разрушению ценнейших памят-

ников истории и культуры. Так, за последние 50 лет архитектурные па-

мятники в городах Европы «состарились» в большей степени,

чем за все

время до автомобильной эры.

Изменяются и климатические условия. Крупные города получают на

15…20% меньше солнечной радиации по сравнению с сельской местно-

стью. В городах обычно на 5…10% повышена облачность, количество ту-

манов зимой возрастает вдвое, осадков на 30%, ухудшается видимость, на

несколько градусов повышается температура в центре города.

Из-за загрязнения атмосферы происходит загрязнение

других элемен-

тов биосферы. Примером может служить загрязнение почвы свинцом и его

соединениями, содержащимися в ОГ. Накапливаясь в растениях, эти веще-

ства создают опасность для людей и животных. Использование раститель-

ной продукции (сено, фрукты, ягоды, грибы) придорожной зоны не реко-

мендуется.

Загрязнение воды происходит при растворении в ней отработавших

газов.

Особенно интенсивно этот процесс идет при низких температурах.

За последние 50 лет за счет переноса воздушными массами ОГ с суши в

северной части Мирового океана в 5…10 раз увеличилось содержание

свинца и резко возросла концентрация СО в верхнем стометровом слое

воды.

В верхних слоях атмосферы располагается смесь газов, состоящая на

60… 90% из водяного

пара. Эта смесь препятствует отводу теплоты с ин-

фракрасным излучением от поверхности нашей планеты, повышая ее тем-

пературу. В этом и заключается «парниковый» эффект, благодаря которо-

му создались благоприятные условия для возникновения и развития жизни

на Земле. Однако, в результате деятельности человека в стратосфере и

тропосфере стали накапливаться такие вещества как

углекислый газ (СО

метан (СН

), галогенизированные углеводороды, озон (О

), гемиоксид азо-

та (N

), фреоны. По мнению ряда ученых, именно они вызвали усиление

«парникового» эффекта и повышение за последние 100 лет средней темпе-

ратуры на планете примерно на 0,45 °С. При дальнейшем неконтролируе-

мом усилении «парникового» эффекта могут начаться необратимые изме-

нения климата, интенсивное таяние ледников, глобальная экологическая

катастрофа.

Из всех антропогенных «парниковых» газов главное значение для

усиления «парникового» эффекта имеет СО

, поэтому проблема уменьше-

ния его выбросов стоит весьма остро.

В настоящее время негативное воздействие автотранспортного сред-

ства на окружающую среду принято оценивать в процессе реализации все-

го его жизненного цикла, начиная от производства конструкционных ма-

териалов, из которых состоит объект автотранспорта, расходуемых экс-

плуатационных материалов и заканчивая его утилизацией. На

рис. 2.1 по-

казаны основные виды отрицательного воздействия автотранспортных

средств на окружающую среду в процессе полного жизненного цикла.

Для предупреждения загрязнения воздушного бассейна в России и

других странах в законодательном порядке установлены предельно допус-

тимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосфере.

ПДК – это концентрация химического соединения в атмосферном

воздухе, которая при ежедневном

воздействии в течение длительного вре-

мени на организм человека не вызывает патологических изменений или

заболеваний, а также не нарушает биологического оптимума человека.

Для каждого вещества, загрязняющего воздух, в России установлены

два норматива: разовая и среднесуточная ПДК (таблица 2.1). Разовая ПДК

устанавливается при кратковременном воздействии загрязнения (до 20

минут), а среднесуточная – при постоянном.

При одновременном присутствии в атмосфере нескольких веществ,

обладающих однонаправленным действием, их безразмерная суммарная

концентрация должна удовлетворять условию:

/ ПДК

+ С

/ ПДК

+…+С

/ ПДК

< 1,

где С

, С

,…, С

– фактические концентрации вредных веществ в воз-

духе, мг/м

;

ПДК

, ПДК

,…, ПДК

– соответствующие величины ПДК этих ве-

ществ, мг/м

Таблица 2.1

ПДК некоторых веществ в атмосферном воздухе

ПДК, мг/м

Вещества

разовая среднесуточная

Бензин

Бенз-а-пирен

СО

SО

Свинец

Сажа

Формальдегид

5,0

3,0

0,085

0,5

0,15

0,035

1,5

-6

1,0

0.085

0,15

0,0007

0,05

0,012

При одновременном присутствии в атмосфере нескольких веществ,

обладающих однонаправленным действием, их безразмерная суммарная

концентрация должна удовлетворять условию:

/ ПДК

+ С

/ ПДК

+…+С

/ ПДК

< 1,

где С

, С

,…, С

– фактические концентрации вредных веществ в воз-

духе, мг/м

;

ПДК

, ПДК

,…, ПДК

– соответствующие величины ПДК этих ве-

ществ, мг/м

3. СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ

СРЕДЫ ОТ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

Большое разнообразие вредных компонентов в отработавших газах

двигателей, различия в природе их образования, влияние на токсичность ОГ

большого числа факторов (конструктивных особенностей ДВС, его регули-

ровочных характеристик, технического состояния как самого двигателя, так

и автомобиля в целом, условий эксплуатации автомобиля и

т. п.) сильно ус-

ложняют задачи улучшения экологических характеристик автотранспорта.

Основными направлениями снижения отрицательного воздействия ав-

томобильного транспорта на окружающую среду являются:

1) совершенствование рабочего процесса ДВС (улучшение смесеобразова-

ния и сгорания топлива, рециркуляция ОГ и т. п.);

2) физико-химическая обработка ОГ (нейтрализация ОГ в выпускной сис-

теме, применение сажевых фильтров);

3) повышение качества традиционных топлив (

использование нетоксич-

ных антидетонационных присадок к бензину, применение антидымных

присадок для дизтоплива, уменьшение содержания серы в топливе);

4) использование для ДВС альтернативных топлив с лучшими экологиче-

скими характеристиками;

5) мероприятия по рациональной организации дорожного движения и ав-

томобильных перевозок (оптимизация загрузки улично-дорожной сети,

совершенствование маршрутной сети пассажирского транспорта, оп-

тимизация

пропуска транзитного транспорта, внедрение схем одно-

строннего движения и т. п.);

6) градостроительные мероприятия (строительство многоуровневых

транспортных развязок, подземных пешеходных переходов, рациональ-

ная застройка магистральных улиц и т. п.).

3.1. Совершенствование систем питания

Качество приготовления топливовоздушной смеси (ТВС) во многом

определяет процессы ее воспламенения и сгорания, поэтому работа систе-

мы

питания, ее тип существенно влияют на экологические и экономиче-

ские показатели автомобильных ДВС. В общем случае система питания

должна обеспечивать:

- оптимальный состав ТВС для каждого из режимов работы двигателя;

- равномерное распределение заряда внутри каждого из цилиндров и

по цилиндрам;

- максимальную гомогенность заряда (в ДВС с внешним смесеобра-

зованием);

- оптимальное расслоение ТВС (при реализации соответствующего

рабочего процесса);

- устойчивую работу двигателя на бедных смесях;

- качественное протекание неустановившихся режимов (прежде всего

разгонов);

- надежный пуск двигателя в разных температурных условиях.

Вплоть до последнего времени в

течение нескольких десятилетий в

ДВС с искровым зажиганием доминировала карбюраторная система пита-

ния. Карбюраторы постоянно совершенствовались, и, в общем случае, со-

временный карбюратор (обычно двухкамерный) включает в себя две глав-

ные дозирующие системы (первой и второй камер), систему холостого хо-

да первой камеры с переходной системой, переходную систему второй ка-

меры

, экономайзер мощностных режимов, эконостат, диафрагменный ус-

корительный насос, пусковое устройство, экономайзер принудительного

холостого хода.

Эти системы необходимы для выполнения перечисленных выше тре-

бований. Например, ускорительный насос обеспечивает динамику разгона

автомобиля, впрыскивая дополнительное топливо при повороте дроссель-

ной заслонки. Однако выброс токсичных компонентов при этом значи-

тельно усиливается. Экономайзер мощностных режимов

и эконостат

включаются в работу на режимах больших нагрузок, обогащая смесь до

значений α = 0,9…0,95, и тем самым, обеспечивая возможность получения

больших мощностей.

Экономайзер принудительного холостого хода (ЭПХХ) отключает

подачу топлива через систему холостого хода на принудительном холо-

стом ходу (во время торможения автомобиля двигателем, при движении

под уклон, при

переключении передач), резко снижая выбросы СО и C

и экономя топливо. На автомобилях ВАЗ наибольшее распространение по-

лучили ЭПХХ, в которых для отключения подачи топлива используется

электромагнитный клапан. Работает система следующим образом. На ре-

жиме ПХХ при частоте вращения коленчатого вала более 2100 мин

-1

и при

замкнутом на «массу» концевом выключателе карбюратора (педаль газа

отпущена) запорный электромагнитный клапан выключается, подача топ-

лива прерывается.

При снижении частоты вращения коленчатого вала на принудитель-

ном холостом ходу до 1900 мин

-1

блок управления включает клапан (хотя

концевой выключатель остается замкнутым на «массу»), начинается пода-

ча топлива через жиклер холостого хода, двигатель постепенно выходит на

режим холостого хода.

Карбюратор – довольно сложное механическое устройство, надеж-

ность его работы оставляет желать лучшего. Характерными неисправно-

стями являются негерметичность запорного клапана поплавковой камеры и

неправильно установленный

уровень топлива в ней, засорение жиклеров,

износ привода ускорительного насоса, негерметичность мембран и др.

Кроме того, реализация перспективных направлений в смесеобразовании

(например, расслоения заряда) с использованием карбюраторного питания

просто невозможно.

В 2000 году свыше 95% выпускаемых в мире автомобилей были ос-

нащены системой распределенного впрыска топлива (РВТ), т. е. этап при-

менения карбюраторов практически завершился. Центральный впрыск то-

плива (ЦВТ) также не выдержал конкуренции с РВТ, несмотря на более

низкую стоимость и простоту конструкции. В настоящее время ЦВТ ис-

пользуется, главным образом, на малоразмерных двигателях сельскохозяй-

ственного назначения и средств малой механизации.

Доминирующее применение РВТ на автотранспорте объясняется его

следующими преимуществами.

1. При использовании электромагнитных форсунок с управлением от

контроллера легко обеспечивается оптимальный состав смеси для ка-

ждого из режимов работы двигателя.

2. Повышенное давление, с которым топливо впрыскивается во впу-

скной коллектор, обеспечивает мелкость распыла и облегчает его по-

следующее испарение и гомогенизацию смеси.

3. Впрыск бензина

позволяет более равномерно распределить топливо

по цилиндрам. При использовании РВТ состав смеси в разных цилин-

драх может отличаться на 6…7%, а при питании от карбюратора – на

11…17%.

4. Отсутствие добавочного сопротивления потоку воздуха на впуске в

виде карбюратора и диффузора обеспечивает высокий коэффициент

наполнения цилиндров и повышает литровую мощность двигателя.

5. При

впрыске возможно использование большего перекрытия кла-

панов (когда открыты одновременно оба клапана) для лучшей продув-

ки камеры сгорания чистым воздухом, а не смесью.

6. Лучшая продувка и большая равномерность состава смеси по ци-

линдрам снижает температуру стенок цилиндра, днища поршня и

впускных клапанов, что в свою очередь позволяет снизить потребное

октановое

число топлива на 2÷3 единицы или увеличить степень

сжатия без опасности детонации. Кроме того, уменьшается образова-

ние оксидов азота при сгорании, и улучшаются условия смазки зер-

кала цилиндра.

В результате достигается повышение топливной экономичности и

снижение токсичности отработавших газов.

Системы РВТ на сегодняшний день имеют устоявшуюся структуру и

конструкцию отдельных компонентов.

На каждый цилиндр двигателя име-

ется отдельная форсунка, обычно с электромагнитным управлением. Фор-

сунки устанавливаются во впускном коллекторе вблизи впускных клапа-

нов. Впрыск топлива (обычно фазированный) осуществляется под избы-

точным давлением 0,2…0,6 МПа.

Управление форсунками ведется от электромагнитного блока – кон-

троллера, который управляет также системой зажигания и другими систе-

мами двигателя и автомобилем в целом. В последние годы развитие систе-

мы микропроцессорного управления идет по пути повышения надежности,

наращивания

числа функций, введение самодиагностики, элементов адап-

тации и т.п. В качестве примера на рис. 3.1 показана схема системы впры-

ска LH – Jettronic.

В последние годы ведущими автомобилестроительными фирмами на-

чато освоение промышленного производства принципиально новой систе-

мы смесеобразования – системы непосредственного впрыска топлива

(НВТ) в цилиндры двигателя.

Рис. 3.1. Схема системы впрыска топлива LH – Jettronic: 1 – топливный бак;

2 – топливный насос; 3 – топливный фильтр; 4 – контроллер; 5 – форсунка; 6 –

распределитель топлива; 7 – стабилизатор перепада давления топлива; 8 – впу-

скной коллектор; 9 – датчик положения дроссельной заслонки; 10 – измеритель

массового расхода воздуха; 11 – кислородный датчик; 12 – датчик температуры

охлаждающей жидкости; 13 – распределитель зажигания; 14 – регулятор частоты

вращения коленчатого вала на холостом ходу; 15 – аккумулятор; 16 – выключа-

тель зажигания.