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

Подождите немного. Документ загружается.

3.5. Замкнутые системы вентиляции картера и

системы улавливания паров бензина

Отработавшие газы ДВС являются не единственным источником

эмиссии несгоревших углеводородов. Около 35% C

попадает в атмо-

сферу с картерными газами и при испарении топлива из карбюратора и то-

пливного бака.

Самым распространенным способом предотвращения попадания в ат-

мосферу C

с картерными газами является использование замкнутой

системы вентиляции картера (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Схема системы замкнутой вентиляции картера и улавливания

паров бензина: 1 – картер; 2 – маслоотделитель; 3 – трубки системы

вентиляции картера; 4 – карбюратор; 5 – воздушный фильтр; 6 – адсорбер;

7 – клапан паров топлива; 8 – топливный бак

Картерные газы очищаются в маслоотделителе от капелек масла и по-

ступает в воздушный фильтр, а затем в карбюратор и сгорают в цилиндрах

двигателя. При этом выборе C

уменьшается на 10…50%, но приблизи-

тельно в два раза увеличивается содержание бенз-а-пирена в ОГ. Это объ-

ясняется тем, что во впускную систему вместе с картерными газами попа-

дают пары масла, которые затем сгорают в ДВС.

Для уменьшения испарения топлива автомобили оборудуются систе-

мой улавливания паров бензина (СУПБ). На рис. 3.16 приведена схема

СУПБ, которая работает следующим образом. При неработающем ДВС в

случае достижения определенного давления паров в топливном баке, они

через трехпозиционный клапан поступают в адсорбер, представляющий

собой емкость с активированным углем. В

адсорбере пары топлива накап-

ливаются. При работающем ДВС через адсорбер просасывается воздух,

который уносит накопившиеся пары топлива во впускную систему двига-

теля, при этом магистраль, связывающая топливный бак и адсорбер, пере-

крыта.

У автомобиля, оборудованного СУПБ, количество C

, попадающих

в атмосферу при испарении топлива, уменьшается в 5 раз.

3.5. Способы снижения дымности дизельных ДВС

На образование сажи в дизельных ДВС оказывает значительное влия-

ние максимальное давление впрыска топлива. С его ростом повышается

интенсивность распыливания топлива и дисперсность топливных капель,

что приводит к ускорению процесса смесеобразования и, как следствие, к

более полному сгоранию.

В настоящее время применение высоких (до 150 МПа) и сверхвысо-

ких (150…250 МПа) давлений впрыскивания требует использования ак-

кумуляторных систем топливоподачи. Эти системы включают следую-

щие основные элементы: топливный насос высокого давления (ТНВД),

топливный аккумулятор высокого давления, комплект электрогидравли-

ческих форсунок с быстродействующими электромагнитными клапанами

(рис. 3.18).

ТНВ

ФОРСУНКИ

БЛОК

УПРАВЛЕНИЯ

АТЧИКИ

АККУМУЛЯТОР ВЫСОКОГО

АВЛЕНИЯ

Рис. 3.18. Принципиальная схема аккумуляторной системы топливоподачи.

Управление топливной системой производится блоком управления

(микроконтроллером) по сигналам от датчиков положения коленчатого и

распределительного валов, датчика давления в аккумуляторе, датчика по-

ложения педали акселератора, датчика температуры охлаждающей жид-

кости и др. с использованием программируемых матриц характеристик.

Топливо, готовое для впрыска, находится под высоким давлением в

аккумуляторе, независимо от частоты

вращения ДВС. Оптимальный в пла-

не токсичности ОГ и топливной экономичности угол опережения впрыска

топлива определяется фазой управляющего электрического импульса, а

величина цикловой подачи – его длительностью и величиной давления то-

плива в аккумуляторе.

Дизельные ДВС с предкамерным смесеобразованием (предкамерные

и вихрекамерные ДВС) характеризуются образованием обогащенной топ-

ливовоздушной смеси в предкамере

и наличием продолженного сгорания

в основной камере при высокой степени турбулизации (рис. 3.19). По-

следнее способствует резкому уменьшению выброса продуктов неполно-

го сгорания.

Рис. 3.19. Схема вихрекамерного дизельного ДВС

Помимо этого, из-за недостатка окислителя в предкамере образуется

мало оксидов азота. Уменьшение температуры горения в основной камере

сгорания, несмотря на увеличение концентрации кислорода в продуктах

сгорания, не позволяет образоваться значительному количеству NO

Примененение тангенциальных и винтовых впускных каналов позво-

ляет организовать необходимый характер движения воздушного заряда,

способствующий улучшению процесса смесеобразования и сгорания и, как

следствие, снижению выброса сажи.

Эффективным средством уменьшения дымности ОГ дизельных ДВС

являются антидымные присадки к топливу (в количестве 0,01…0,025% по

массе). Они представляют собой металлоорганические химические соеди-

нения (например,

на бариевой основе), которые увеличивают скорость го-

рения частиц сажи непосредственно в цилиндре ДВС.

Для снижения дымности дизельных ДВС в последнее время все чаще

используют сажевые фильтры. Уменьшение концентрации сажи в ОГ

достигается посредством ее сбора на фильтрующем элементе.

Известны два основных типа фильтров: с навивкой и монолитные. В

фильтре с навивкой фильтрующим элементом является керамическая нить,

накрученная в несколько слоев на перфорированные стальные трубки, в

монолитном – пористая керамика (кордиерит, сапфирин, корунд, периклаз)

(рис. 3.20).

Рис. 3.20. Монолитный сажевый фильтр

Значительная проблема сажевых фильтров – ухудшение функцио-

нальных свойств и увеличение сопротивление в выпускной системе в тече-

ние относительно небольшого времени работы (10…12 часов). По этой

причине сажевые фильтры должны периодически подвергаться регенера-

ции. Она осуществляется посредством выжигания сажевых частиц вслед-

ствие повышения температуры фильтра (например, за счет электроподог-

рева или пропускания

через него горючих газов от автономной горелки).

Момент начала регенерации определяется автоматически с помощью

электронного блока управления по величине противодавления в выпуск-

ной системе.

T4. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВС

В настоящее время практическим единственным источником удовле-

творения потребности ДВС в моторном топливе является нефть. На по-

требности автомобильного транспорта тратится более 50% от общего ко-

личества ее добычи.

Начало XXI века характеризуется как окончание эры дешевой нефти.

Так, в 2006 г. стоимость барреля нефти

составляла более 60 долларов

США. В ближайшие несколько лет прогнозируется ее рост до 100 долла-

ров. Более того, по оценкам специалистов, к 2010 г. добыча нефти начнет

быстро сокращаться, что вступит в противоречие с постоянно растущим

спросом на нее.

Учитывая эти тенденции,

а также ужесточение экологических требо-

ваний к отработавшим газам ДВС

, необходимо активно решать вопросы

перевода автомобильного транспорта на альтернативные виды топлива.

Новое топливо для автомобильных ДВС должно удовлетворять мно-

гим требованиям: иметь необходимые сырьевые ресурсы, низкую стои-

мость, не ухудшать работу двигателя, как можно меньше выбрасывать

вредных веществ, по возможности сочетаться со сложившейся системой

снабжения топливом и т. д.

Альтернативные

топлива можно классифицировать на однокомпо-

нентные топлива и топливные смеси. В первом случае топливо представ-

ляет собой компонентное целое с определенными физико-химическими и

эксплуатационными свойствами; во втором – композиции, включающие

традиционное топливо с добавкой одного или нескольких компонентов,

улучшающих его энергоэкологические показатели.

К числу однокомпонентных топлив можно отнести: синтетические то-

плива

(спирты, водород, диметиловый эфир), получаемые современными

методами на базе различных компонентов горючих ископаемых; углеводо-

родные газы (прежде всего природный и нефтяной).

Из топливных смесей для двигателей интерес представляют: смеси

топлив с синтетическими спиртами; водотопливные смеси в виде эмуль-

сий различного типа.

4.1. Спирты

Среди многочисленных спиртов наибольший интерес в качестве топ-

лива для

ДВС представляют метанол CH

OH и этанол C

OH. Они могут

использоваться как в чистом виде, так и в составе многокомпонентных

смесей с бензинами.

Для производства этанола используется растительное сахаросодер-

жащее сырье (сахарный тростник, пшеница, кукуруза и т. п.). Метанол по-

лучают из углеводородного сырья: природного газа, коксового газа, неф-

ти, мазута, угля, сланцев, древесины.

Важнейшие свойства спиртов приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Сравнение свойств бензина и спиртов

Показатель Метанол Этанол Бензин

Температура самовоспламенения, °С 464 423 530

Низшая теплота сгорания, МДж/кг 19,73 24,98 43,9

Теплота испарения, кДж/кг 1100 900 300

5,5 3,3 0,59

Концентрационные пределы воспламене-

ния с воздухом, % по объему:

- нижний

- верхний

37,0 19,0 6,0

Важной особенностью спиртов является их высокая антидетона-

ционная стойкость. Так, октановое число метанола по исследовательскому

методу оценивается в 104…115 единиц, для этанола – около 106 единиц.

Спирты характеризуются более высокой активностью при горении по

сравнению с бензином, поэтому их сгорание в ДВС протекает устойчивее,

а предел воспламенения смещен в область бедных смесей. Например, при

использовании метанола пропуски зажигания отмечаются при α = 1,5…1,6,

в то время как при работе на бензине они соответствуют α = 1,2…1,3.

Благодаря

присутствию в молекуле метанола и этанола кислорода,

обеспечивается высокая полнота сгорания топлива, что благоприятно ска-

зывается на уменьшении выбросов СО и C

Высокое значение теплоты испарения спиртов и, как следствие, ох-

лаждение заряда на впуске способствует снижению выбросов NO

Основными проблемами эксплуатации спиртовых топлив является их

коррозионная активность и ядовитость. Метанол и этанол активно реаги-

рует со свинцом, магнием, алюминием, сталью и сплавами на их основе.

Длительный контакт с метанолом вызывает набухание и разрушение

ряда эластомеров, применяемых в качестве прокладочных материалов.

Спирты гигроскопичны, т. е. обладают способностью поглощать воду,

что

приводит к снижению их теплотворной способности и трудностям с

запуском двигателя в холодное время года.

Применение спиртов в ДВС также осложнено их токсикологическими

свойствами. В особой степени это касается метанола, который является

нервно-сосудистым ядом, обладающим способностью накапливаться в ор-

ганизме. Отравления наступают в основном в результате приема внутрь,

хотя

возможны случаи ингаляционных отравлений и при длительном дей-

ствии метанола на большую поверхность кожного покрова.

4.2. Углеводородные газы

Перспективность использования углеводородных газов – сжатого

природного газа (СПГ) и сжиженного нефтяного газа (СНГ) – в качестве

альтернативного моторного топлива для ДВС уже стала очевидной для

большинства стран мира. Связано это, прежде всего, с их низкой стоимо-

стью, развитой добычей и доступностью во многих регионах мира.

Принимая во внимание, что Россия обладает огромными запасами

природного газа (примерно 1/3 всех мировых запасов), освоение его в ка-

честве моторного топлива для автотранспортных средств имеет для нашей

страны стратегическое значение.

Углеводородные газы как моторное топливо обладают рядом важных

преимуществ перед бензином и дизельным топливом.

Основные свойства СПГ и СНГ в сравнении с другими видами топли-

вами представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Основные свойства топлив

Показатели СПГ СНГ Бензин

Дизельное

топливо

Октановое число (по

моторному методу)

110 95…105 72…84 –

Границы воспламеняемо-

сти по α

0,6…1,9 0,4…1,7 0,3…1,4 –

Теплота сгорания

стехиометрической

смеси,

МДж/нм

3,4 3,56 3,74 3,75

Коэффициент диффузии в

воздухе, см

/ с

0,19 0,1 0,06 0,048

Минимальная энергия за-

жигания, мДж

0,29 0,26 0,24…0,27 –

Углеводородные газы обладают высокой детонационной стойкостью.

Это обеспечивает возможность использования высоких степеней сжатия в

ДВС с искровым зажиганием, что благоприятно сказывается на топливной

экономичности двигателя.

Газ лучше бензина смешивается с воздухом, поэтому в процессе сме-

сеобразования готовится более гомогенная топливовоздушная смесь, кото-

рая более полно сгорает в двигателе. Последнему обстоятельству также

способствуют более широкие пределы воспламенения углеводородных га-

зов.

При использовании газа в качестве топлива для автомобильных двига-

телей исключается возможность попадания жидкой фазы в цилиндры ДВС,

вследствие чего снижается смывание масляной пленки со стенок цилиндра

и замедляется изнашивание

цилиндропоршневой группы. Срок службы

моторного масла увеличивается в 1,5…2 раза, а расход его в эксплуатации

уменьшается на 15…20%

При правильной регулировке и нормальном оптимальном режиме ра-

боты системы подачи газового топлива применение газа заметно снижает

суммарную токсичность отработавших газов. Так, более чем в три раза

уменьшается количество СО, более чем в 1,5 раза сокращается

содержание

(при работе на СНГ), выбросы оксидов азота NO

снижаются более

чем в 1,2 раза. Дымность дизельного ДВС при работе на газовом топливе в

три раза ниже, чем при работе на дизельном топливе.

При использовании углеводородных газов существенно снижаются

удельные затраты на топливо. При применении СПГ и СНГ они меньше

соответственно на 45…55% и 35…42%.

Особенностью автомобилей, использующих углеводородные газы,

является наличие

газобаллонной установки, которая представляет собой

комплект газового, бензинового или дизельного оборудования.

Перевод автомобилей на газовое топливо требует некоторых конст-

руктивных изменений, в противном случае мощность ДВС может снизить-

ся на 6…18 %, а расход топлива увеличится на 10…11 %, что связано с

меньшей теплотой сгорания газов.

Современные мероприятия по переводу бензинового ДВС на газовое

топливо

заключаются в увеличении степени сжатия на 1,5…2 единицы,