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

Подождите немного. Документ загружается.

уменьшении подогрева впускного патрубка, применении систем впрыска

топлива.

В случае бензиновых двигателей для легковых автомобилей наиболее

часто применяется концепция двухтопливного двигателя, работающего как

на сжиженном нефтяном газе, так и на бензине. При этом газовую топлив-

ную аппаратуру можно установить на любой модели легковых автомоби-

лей отечественного и

иностранного производства с карбюратором или сис-

темой впрыска, если конструкция позволяет разместить в багажнике бал-

лон с СНГ. Газовую аппаратуру устанавливают также на малотоннажных

автомобилях типа «Газель», на грузовых автомобилях и автобусах с двига-

телем рабочим объемом не более 4,0 л.

Для сжатого газа применяют газобаллонные установки (баллоны, ар-

матура, редуктор, газопроводы

и др.), рассчитанные на работу при высо-

ком давлении – порядка 20 МПа. По мере расходования газа из баллона

непрерывно уменьшается и рабочее давление в нем.

Установка газовой системы питания, особенного СПГ, значительно

утяжеляет автомобиль и усложняет его конструкцию (таблица 4.3 ).

Таблица 4.3

Сравнительные характеристики систем хранения топлива

Параметр Бензин СПГ СНГ

Объем топлива, л 76 415

100

Масса топлива, кг 53 37 51

Масса топлива + масса топливного бака 68 500 85

Частично решить данную проблему для природного газа можно за

счет создания конструкций баллонов высокого давления, предназначенных

для работы с рабочими давлениями 30 МПа и более, а также развитием

криогенных систем бортового хранения природного газа (при сжижении

объем природного газа уменьшается примерно в 600 раз).

Основные трудности использования СНГ и СПГ в дизелях заключа-

ются в их более высокой температуре самовоспламенения.

По этой причине наибольшее распространение получил в настоящее

время газодизельный процесс, при котором на впуске в цилиндры подается

газовоздушная смесь, а в конце такта сжатия впрыскивается незначитель-

ное запальное количество дизельного

топлива. Использование дизельных

двигателей по газодизельному циклу дает снижение в несколько раз вы-

броса сажи и на 40…50% – альдегидов и полиароматических соединений.

К недостатком природного газа можно отнести малую активность при

горении. Причина этого связана с тем, что реакция окисления основного

компонента природного газа – метана – относится к числу слаборазветв-

ленных. Поэтому у

смеси природного газа с воздухом в двигателе растяну-

тый во времени процесс сгорания, что приводит к ухудшению эффектив-

ности работы двигателя и повышению выбросов C

. Особенно замет-

ным это становится по мере обеднения газовоздушной смеси.

4.3. Водород

Интерес к водороду как к топливу для ДВС обусловлен его высокими

энергетическими показателями, уникальными кинетическими характери-

стиками, отсутствием большинства вредных веществ в продуктах сгорания.

Водород по массовой энергоемкости превосходит традиционные угле-

водородные топлива примерно в 2,5…3; спирты в 5…6 раз

. Низшая тепло-

та сгорания молекулярного водорода составляет 120 МДж/кг.

Однако из-за низкой энергоплотности водород по объемной теплопро-

изводительности уступает большинству жидких и газообразных топлив.

Теплота сгорания 1 м

стехиометрической водородовоздушной смеси со-

ставляет 3,1 МДж, что меньше примерно на 15 и 10% по отношению соот-

ветственно к бензинам и спиртам.

С воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне

концентраций (от α = 0,2 до α = 10). В связи с этим мощность водородного

двигателя может изменяться качественным регулированием, при котором

его КПД на частичных нагрузках увеличивается на 25…50%.

Однако, если максимальное значение эффективного КПД двигателя

при работе на водороде выше, чем при

работе на бензине, то эффективная

мощность заметно падает. Последнее обусловлено очень низкой плотно-

стью водорода, что приводит к уменьшению наполнения двигателя топли-

вом. Например, при стехиометрическом составе смеси газообразный водо-

род, подаваемый вместе с воздухом, занимает почти 30% объема цилиндра,

тогда как распыленный и испаренный бензин – только 2…4%. В целом пе-

ревод на

водород вызывает снижение мощности двигателя в среднем на

20…25%.

Температура воспламенения водородных смесей выше, чем углеводо-

родных, однако благодаря более низким значениям энергии активации для

воспламенения водорода требуется меньшее количество энергии. Мини-

мальная энергия воспламенения водорода составляет 0,02 мДж против 0,28

мДж у бензина и 0,23 мДж у метана.

Водородовоздушные смеси характеризуются высокой скоростью

сго-

рания в двигателе (таблица 4.4), причем в стехиометрической области сго-

рание протекает практически при постоянном объеме.

Таблица 4.4

Двигатель

Частота вращения,

мин

-1

Степень сжатия

Скорость

распространения

пламени, м/с

Водородный 1500 12 48,3

Бензиновый 1500 12 16,45

Состав ОГ водородного двигателя существенно отличается от соста-

ва ОГ бензиновых и дизельных ДВС в основном за счет отсутствия угле-

рода в топливе. Практически единственными токсичными компонентами,

представленными в ОГ водородного ДВС, являются оксиды азота. Макси-

мальная величина эмиссии NO

вследствие более высоких температур сго-

рания водорода примерно вдвое выше, чем у бензинового двигателя. Од-

нако с обеднением смеси удельный выброс NO

водородного двигателя

быстро снижается и при α > 1,8 их эмиссия практически отсутствует.

Одним из серьезных вопросов в применении водорода в качестве мо-

торного топлива является его хранение на борту автотранспортного сред-

ства.

Приемлемые объемно-массовые показатели системы хранения водо-

рода на автомобиле в чистом виде обеспечиваются только при его сжиже-

нии,

т. е. в криогенных баллонах, или в металлогидридных аккумуляторах

(таблица 4.5).

Таблица 4.5

Сравнительные характеристики топливных систем

Показатель Бензин

Сжатый

водород

Сжиженный

водород

Водород в

составе

гидридов

Масса

топлива, кг

53,5 13,4 13,4 13,4

Объем

топлива, м

0,07 1,0 0,19 0,23

Масса

бака, кг

13,06 1361 181 45,4

Объем

бака, м

0,08 1,53 0,28 0,25

Общая масса

топливной

системы, кг

67 1374 195 227

Одной из проблем хранения водорода в жидком состоянии является

то, что в таком виде он находится в узком интервале температур: от точки

кипения 24 К до точки замерзания 17 К, когда он переходит в твердое со-

стояние. Если температура поднимается выше точки кипения, водород пе-

реходит из жидкого состояния в газообразное. Еще одной проблемой яв-

ляются потери на испарение. За каждые сутки выкипает 3…4 % жидкого

водорода.

К числу нерешенных проблем использования водорода как топлива

для ДВС относятся отсутствие относительно дешевых способов его по-

лучения.

Способы получения водорода, основывающиеся на процессе электро-

лиза воды, обладают большой энергоемкостью. Как правило, для этого

нужно затратить большее количество энергии, чем то, которое может быть

выделено при сжигании произведенного водорода.

На сегодняшний день самым дешевым способом производства водо-

рода является получение его путем конверсии природного газа. Но и в

этом

случае по количеству энергии, эквивалентного литру бензина, произ-

водство водорода обходится в 5…6 раз дороже.

4.4. Диметиловый эфир

В последнее время большой интерес стал вызывать диметиловый эфир

(ДМЭ) – CH

OCH

, получаемый из метанола или природного газа.

Благодаря своим физико-химическим характеристикам он может при-

меняться в дизельных ДВС с помощью штатной системы топливоподачи

без использования запальной дозы дизельного топлива (таблица 4.6).

По своей природе ДМЭ является простейшим эфиром. ДМЭ обладает

весьма высоким цетановым числом (ЦЧ = 55…60), превышающим анало-

гичный показатель для дизельного

топлива, и низкой температурой кипе-

ния. Благодаря этим свойствам ускоряются процессы смесеобразования и

сгорания, сокращается период задержки воспламенения и обеспечивается

хороший пуск дизельных двигателей при любых температурах окружаю-

щей среды.

Таблица 4.6

Свойства ДМЭ и дизельного топлива

Показатели ДМЭ

Дизельное

топливо

Низшая теплотворная

способность, МДж/кг

27,6 42,5

Плотность, г/мл 0,66 0,84

Температура самовос-

пламенения, °C

235 250

Температура кипения, °С -25 180...370

Теплота испарения,

кДж/кг

460 250

Содержание, % по массе:

- углерода

52,2 86,0

- водорода 13,0 14,0

- кислорода 34,8

Высокое содержание кислорода в ДМЭ обеспечивает практически

бездымное сгорание топлива. Основными компонентами выброса являют-

ся углекислый газ и вода. Содержание оксидов азота в ОГ не превышает

аналогичные показатели для дизельного топлива.

Модернизация серийных дизельных двигателей для работы на ДМЭ

сводится к повышению объемной подачи ДМЭ топливным насосом, по-

скольку у

ДМЭ более низкая теплота сгорания, а также герметизации тру-

бопроводов и замены топливных баков на баллоны, аналогичные баллонам

для сжиженного нефтяного газа.

Основным недостатком ДМЭ является малая кинематическая вязкость

(на порядок меньшая, чем у дизтоплива) и связанная с этим пониженная

смазывающая способность, в результате чего затрудняется герметизация

подвижных узлов уплотнения

топливной аппаратуры, а также повышается

склонность к задирам прецизионных трущихся пар. Для устранения этого

недостатка принимаются специальные меры, например, подвод к плун-

жерным парам масла под давлением с целью их уплотнения, а также под-

мешивание к ДМЭ специальных противозадирных присадок.

Рыночная стоимость ДМЭ на 4…5% выше стоимости дизельного топ-

лива. Однако, при условии развития крупнотоннажного производства

стоимость ДМЭ, по оценкам специалистов, может сравняться со стоимо-

стью сжиженного нефтяного газа.

РАЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ

Одним из важнейших факторов, влияющих на количество вредных

выбросов ДВС, является качество процесса сгорания. Эффективность про-

текания этого процесса определяется, во многом, режимом работы двига-

теля (нагрузкой, частотой вращения коленчатого вала, параметрами неус-

тановившихся режимов). При этом между режимом работы ДВС и режи-

мом движения автомобиля

существует однозначное соответствие.

Например, с ОГ карбюраторных ДВС в период замедления, т. е. в ре-

жиме принудительного холостого хода (ПХХ), выделяется большое коли-

чество несгоревших углеводородов. Максимальные концентрации СО на-

блюдаются при работе двигателя на холостом ходу и при полных нагруз-

ках. При разгоне автомобиля и при движении с установившейся скоростью

в ОГ характерны большие концентрации оксидов азота. Характеристики

режима работы ДВС и показатели токсичности при городской езде пред-

ставлены в таблице 5.1.

Видно, что наиболее неблагоприятными с позиций расхода топлива и

токсичности ОГ двигателя являются режимы разгона, замедления и холо-

стого хода.

Характер движения любого автотранспортного средства (АТС) зави-

сит от

множества факторов: интенсивности, состава и средней скорости

транспортного потока, качества дорожного покрытия, числа пересечений

транспортных и пешеходных потоков, количества перекрестков, а также

динамических качеств самого АТС и стиля управления им.

Таблица 5.1

Доля режимов, %

По выбросам

Режим работы

ДВС

По

времени

По

объему

ОГ

СО C

По

расходу

топлива

Холостой ход

Разгон

Установившийся

режим

Замедление

39,5

18,5

29,2

12,8

13-25

29-32

32-43

10-13

15-18

27-30

19-35

23-32

75-86

13-23

0-1,5

Организация дорожного движения на уже существующей улично-

дорожной сети даже без ее капитального переустройства позволяет значи-

тельно снизить расход топлива автомобилями и выбросы токсичных ве-

ществ с ОГ.

Так, с точки зрения снижения расхода топлива и токсичности ОГ ДВС

крайне желательно сократить число остановок транспортных средств. Это

может быть достигнуто

уменьшением числа действующих регулируемых

перекрестков и пешеходных переходов, внедрением прогрессивных мето-

дов управления работой светофорных объектов (например, введением на

отдельных участках дорог так называемой «зеленой волны»), перевода не-

которых из них в режим мигающего желтого сигнала в ночные часы, вы-

ходные и праздничные дни.

Наличие в транспортном потоке автомобилей с различными

эксплуа-

тационными свойствами приводит к росту неравномерности движения и,

как следствие, снижению топливной экономичности АТС. В этой связи

особую роль приобретает оптимизация состава транспортного потока, ко-

торая выполняется посредством дифференцирования полос движения для

легковых и грузовых автомобилей, выделения отдельных полос для мар-

шрутного пассажирского транспорта, специализации полос при подходе к

пересечению по дальнейшему направлению движения, а также запрещения

грузового движения в центральной части городов.

Положительное влияние на расход топлива и токсичность ОГ оказы-

вает воздействие на скоростной режим транспортного потока (при ограни-

чении скорости до 50 км/ч).

Сокращение расхода топлива в зоне перекрестка можно достичь за

счет оптимизации цикла регулирования. Оптимальная по расходу топлива

длительность цикла регулирования составляет 50÷60 с для потоков, со-

стоящих преимущественно из легковых автомобилей, и 90÷100 с для пото-

ков с преобладающим

движением грузовых АТС.

В зависимости от указанных мероприятий достигается следующее

среднее снижение расхода топлива автомобилем, %:

сокращение одного пересечения транспортных и пешеходных

потоков …………………………………………………………………

снижение уровня загрузки магистрали на 10 % при группо-

вом и колонном режимах движения ………………………………

оптимизация состава транспортного потока …………………

оптимизация скоростного режима ………………………………

оптимизация цикла регулирования …………………………………

К числу возможных причин отклонения режимов работы автомо-

бильного двигателя в реальной эксплуатации от оптимального следует

отнести несвоевременное переключение передач, излишнюю частоту вра-

щения коленчатого вала двигателя, движение АТС на неоптимальной пе-

редаче, необоснованное время работы автомобиля на холостом ходу и из-

лишнее число торможений. Эти причины характерны для малоопытного

водителя.

6. НОРМИРОВАНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

ДВС

Нормирование токсичности ОГ ДВС является главным стимулом к

созданию автомобилей с требуемыми экологическими характеристиками.

Впервые нормы на содержание вредных веществ в ОГ ДВС были вве-

дены в США. В 1959 г. в штате

Калифорния был принят закон, ограничи-

вающий содержание в отработавших газах оксида углерода и углеводоро-

дов, а с 1960 г. в этом же штате запрещена открытая вентиляция картера

двигателей. В 1968 г. в США был принят Федеральный стандарт, ограни-

чивающий выбросы токсичных веществ ДВС.

С 1970 г. Европейской экономической комиссией ООН (ЕЭК ООН)

рекомендованы

единые для Европы Правила оценки токсичности ОГ и

картерных газов (Правила № 15, № 49, № 83 и др., а также различные по-

правки и дополнения к ним).

В нашей стране нормирование началось в 1970 г. с принятием ГОСТ

16533-70 «Охрана природы. Атмосфера. Содержание окиси углерода в от-

работавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. Нормы

и ме-

тод определения».

В настоящее время существуют различные стандарты, разработанные

для США, Европы и Японии. Стандарты постоянно совершенствуются, а

нормы становятся все более жесткими.

Общие черты этих стандартов заключаются в том, что:

- экологические параметры автомобилей оцениваются в испытаниях по

ездовым циклам;