Автомобильный транспорт как источник загрязнения окружающей среды. Причины образования токсичных компонентов в отработанных газах ДВС

В последние годы в связи с ростом плотности движения автомобилей в городах резко увеличилось загрязнение атмосферы продуктами сгорания двигателей. Выпускные газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) состоят в основном из безвредных продуктов сгорания топлива – углекислого газа и паров воды. Однако в относительно небольшом количестве в них содержатся вещества, обладающие токсическим и канцерогенным действием. Это окись углерода, углеводороды различного химического состава, окислы азота, образующиеся в основном при высоких температуре и давлении.

При горении углеводородного топлива происходит образование токсичных веществ, связанное с условиями горения, составом и состоянием смеси. В двигателях с принудительным воспламенением концентрация окиси углерода достигает больших значений из-за недостатка кислорода для полного окисления топлива при их работе на богатой топливом смеси.

При движении автомобилей в городе и на дорогах с переменным уклоном и часто меняющимися скоростями с включенной передачей и открытой дроссельной заслонкой двигателям приходится около 1/3 путевого времени работать в режиме принудительного холостого хода. На принудительном холостом ходу двигатель не отдает а, напротив, поглощает энергию, накопленную автомобилем. При этом нерационально расходуется топливо, усиленное всасывание которого приводит к наибольшему выбросу токсичных газов СО и СН в атмосферу.

Автомобильные выхлопные газы - смесь примерно 200 веществ. В них содержатся углеводороды-не сгоревшие или не полностью сгоревшие компоненты топлива, доля которых резко возрастает, если двигатель работает на малых оборотах или в момент увеличения скорости на старте, т.е. во время заторов и у красного сигнала светофора. Именно в этот момент, когда нажимают на акселератор, выделяется больше всего несгоревших частиц: примерно в 10 раз больше, чем при работе двигателя в нормальном режиме. К несгоревшим газам относят и обычную окись углерода, образующуюся в том или ином количестве повсюду, где что-то сжигают. В выхлопных газах двигателя, работающего на нормальном бензине и при нормальном режиме, содержится в среднем 2,7% оксида углерода. При снижении скорости эта доля увеличивается до 3,9%, а на малом ходу-до 6,9%.

Основными эксплуатационными факторами, влияющими на уровень вредных выбросов двигателей, являются факторы, характеризующие состояние деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Повышенный износ деталей ЦПГ и отклонения от их правильной геометрической формы являются причиной увеличения концентрации токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ) и картерных газах (КГ).

Базовой деталью ЦПГ, от которой зависит работоспособность и экологичность двигателя, является цилиндр, т. к. герметичность камеры сгорания зависит от уплотняющей способности кольца в сопряжении с цилиндром. От технического состояния цилиндров и поршневых колец главным образом зависит интенсивность роста зазоров между кольцами и канавками поршней. Таким образом, контроль и регулировка зазора между кольцом и цилиндром в процессе эксплуатации являются существенным резервом снижения количества вредных примесей в ОГ и КГ посредством улучшения условий сгорания топлива и снижения количества масла, оставшегося в надпоршневом пространстве.

Токсичными выбросами ДВС являются отработавшие и картерные газы. С ними поступает в атмосферу около 40% токсичных примесей от общего выброса. Содержание углеводородов в отработавших газах зависит от технического состояния и регулировок двигателя и на холостом ходу колеблется от 100 до 5000% и более. При общем небольшом количестве картерных газов равном 2-10% отработавших газов в общем загрязнении атмосферы, доля картерных газов составляет около 10% у мало изношенных двигателей и вырастает до 40% при эксплуатации двигателя с изношенной цилиндропоршневой группой, т.к. концентрация углеводородов в картерных газах в 15-10 раз выше, чем в отработавших двигателя. Количество КГ, а так же их химический состав зависят от состояния деталей ЦПГ, осуществляющих уплотнение камеры сгорания. От величины зазоров между трущимися деталями ЦПГ зависит проникновение газов из цилиндра в картер и обратно. При этом увеличивается доля углеводородов с канцерогенными свойствами из-за повышенного угара масла и увеличенного расхода картерных газов через замкнутую систему вентиляции картера.

К достижению предельного износа двигателя выбросы увеличиваются в среднем на 50%. На примере ускоренных испытаний, проведенных в НАМИ, установлено что износ двигателя увеличивает выбросы ОГ углеводородов в 10 раз. Основная масса двигателей с повышенной дымностью ОГ приходится на двигатели, прошедшие капитальный ремонт.

Степень разуплотнения камеры сгорания зависит от износа деталей ЦПГ, отклонения их макрогеометри от правильной геометрической формы. При увеличении неплотностей камеры сгорания происходит возрастание СО и СН и снижение СО2 в результате ухудшения условий сгорания топлива. Кроме снижения качества организации рабочего процесса, зазоры между кольцом и цилиндром, а также зазоры между кольцом и канавкой поршня приводят к увеличению количества масла, попавшего в надпоршневое пространство, к увеличению отклонения от заданной динамики тепловыделения в процессе сгорания, а, следовательно, - к увеличению общей массы токсических выбросов. Масло составляет 30-40% твёрдых частиц ОГ.

Базовой деталью ЦПГ является цилиндр, от которого зависит экономическая и экологическая целесообразность эксплуатации двигателя. Износ гильз цилиндров имеет выраженную форму овала, большая ось которого расположена в плоскости качания шатуна. Причиной образования овальности цилиндров главным образом является увеличенная нагрузка поршней на гильзы именно в плоскости качания шатунов. На овальность цилиндров влияет также несовершенство технологии сборки блока цилиндров. Изменение макрогеометрии цилиндров (овальности и конусности) после сборки двигателя также приводит к ухудшению прилегания поршневых колец к зеркалу цилиндра. Известно, что при установке гильз в блоки различных марок ДВС, овальность в цилиндрах увеличивается в 2-3 раза.

Очень важно отметить, что характер искажения макрогеометрии гильз цилиндров после сборки и в процессе эксплуатации одинаков для большинства конструкций блоков цилиндров с “мокрыми гильзами”. Большая ось овала цилиндра, образующегося при сборке, в зоне остановки верхнего компрессионного кольца в верхней мёртвой точке поршня имеет такую же направленность, как и большая ось овала, образующегося при эксплуатации. Такой характер деформации цилиндров объясняется большей деформацией блока в местах между расточками под гильзы.

Снижение овальности цилиндров способствует снижению интенсивности износа колец и канавок поршней, что в целом способствует улучшению работы поршневых колец и улучшению уплотнения камеры сгорания. Известно, что замена маслосъёмных колец после выработки предельного ресурса в некоторой степени восстанавливает средний уровень токсичности двигателя. Бесспорно, если при замене колец произвести регулировку овальности цилиндров до уровня предельной величины на изготовление новых гильз, то эффект будет намного значительнее.

Разработка новых способов смешения и растворения и математического описания воздействия соответствующих присадок и добавок в нефтяном топливе позволит значительно сократить время на разработку новых составов альтернативных топлив и предсказания их физико-химических свойств, что позволит довести рабочий процесс двигателя при использовании новых альтернативных топлив.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что развитие перехода на новые виды топлива будет проходить три основных этапа. На первом этапе будет использоваться стандартное нефтяное топливо, спирты, добавки водорода и водородсодержащих топлив, газовое топливо и различные их сочетания, что позволит решить проблему частичной экономии нефтяного топлива. Второй этап будет базироваться на производстве синтетических топлив, подобных нефтяным, производимых из угля, горючих сланцев и т.д. На этом этапе решатся проблемы долгосрочного снабжения существующего парка двигателей новыми видами топлива. На заключительном, третьем этапе будет характерен переход к новым видам энергоносителей и энергосиловых установок (работа двигателей на водороде, использование атомной энергии).

Перевод ДВС на водород и водородсодержащее топливо представляет собой сложный социально-экономический процесс, для осуществления которого потребуется крупная перестройка ряда отраслей промышленности, поэтому на первом этапе наиболее приемлемым вариантом является работа дизелей с добавками водородсодержащих топлив. Крайне ограниченные сведения в литературе об особенностях горения углеводородного топлива с добавками водорода и аммиака в дизелях не позволяют однозначно ответить на вопрос о влиянии водородсодержащих топлив на показатели рабочего процесса дизеля.

Также крайне слабо исследован вопрос о применении в дизелях синтетического жидкого топлива (СЖТ), вырабатываемого из угля. Различные литературные данные не позволяют дать однозначную оценку влияния СЖТ на рабочий процесс, в связи с тем, что его физико-химические свойства очень сильно зависят от исходного сырья и технологии переработки.

Наиболее вероятным источником моторного топлива могут служить спирты, однако следует учесть их крайне плохие моторные свойства в случае использования их в дизелях. Применяемые способы использования спиртовых топлив требуют дополнительного усложнения конструкции (установка карбюраторов, свечей зажигания или второй топливной системы), либо удорожания топлива (использование добавок, повышающих цетановое число). Наиболее оптимальным в этой ситуации может служить способ использования растворов этанола или метанола с дизельным топливом в дизелях.

Исследование влияния различных типов альтернативных топлив проводилось для нескольких типов быстроходных дизелей с различными способами смесеобразования, поэтому было необходимо получить как можно более полную информацию о протекании процессов топливоподачи, сгорания, сажеобразования, токсичности и т.д. Поэтому была разработана и внедрена автоматизированная система регистрации и обработки информации на базе ПК. Для этого комплекса был разработан пакет прикладных программ, включающий программу сбора информации с различных датчиков во время испытаний, программы обработки полученных данных по анализу индикаторной диаграммы, результатов оптического индицирования, топливоподачи и обсчета параметров режима.

Для одновременной подачи цикловой порции дизельного топлива и газа в цилиндр автором разработана специальная двухтопливная форсунка, которая дополнялась отдельной магистралью, состоящей из штуцера подвода газа и каналов в корпусе форсунки и распылителя. В канале корпуса форсунки выполнен обратный клапан, прижимаемый к седлу пружиной. В канал распылителя запрессована цилиндрическая вставка с винтовой нарезкой на поверхности, которая образует смесительно-аккумулирующую камеру, соединяющуюся с подъигольной полостью распылителя форсунки.

На базе разработанной форсунки была изготовлена топливная система дизеля, позволяющая подавать различные виды газообразных добавок к топливу.

Наиболее эффективно проводить рассмотрение особенностей рабочего процесса при использовании альтернативных топлив, обладая информацией о пространственном распределении полей концентрации сажи и температуры. На сегодняшний день существует в основном двухмерное представление температурно-концентрационной неоднородности в цилиндре дизеля. В результате была поставлена задача экспериментального исследования пространственного распределения полей температуры и концентраций сажи. В работе использовалось оригинальное экспериментальное оборудование для определения массовой концентрации сажи, основанное на оптическом индицировании цилиндров, и программно реализованные методики определения температурных полей.

Расчетные исследования растворимости газа (водорода, аммиака и др.) основывались на следующих предположениях: во-первых -процесс растворения идет в смесительно-аккумулирующей камере и распылителе форсунки; во-вторых - растворение протекает в соответствии с моделью обновления поверхности, т.е. поверхность контакта топлива с газом обновляется с частотой, равной частоте колебания давления топлива в нагнетательном трубопроводе высокого давления.

Одним из путей преодоления трудностей приготовления смесей дизельного топлива с альтернативными является применение третьего компонента - совместного растворителя дизельного топлива и спирта. Совместный растворитель должен иметь свойства дизельного топлива и спирта, т.е. его молекула должна иметь как полярные свойства, так и алифатическую составляющую для образования связей с углеводородами.

Попытки использования водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания известны достаточно давно. Так, например, в двадцатые годы исследовали вариант использования водорода как добавки к основному топливу для двигателей внутреннего сгорания дирижаблей, что давало возможность увеличить дальность их полета.

Использование водорода в качестве топлива для ДВС представляет собой комплексную проблему, которая включает обширный круг вопросов:

Возможность перевода на водород современных двигателей;

Изучение рабочего процесса двигателей при работе на водороде;

Определение оптимальных способов регулирования рабочего процесса обеспечивающих минимальную токсичность и максимальную топливную экономичность;

Разработку системы топливоподачи обеспечивающую организацию эффективного рабочего процесса в цилиндрах ДВС;

Разработку эффективных способов хранения водорода на борту транспорта;

Обеспечение экологической эффективности применения водорода для ДВС;

Обеспечение возможности заправки и аккумулирования водорода для двигателей.

Решение этих вопросов имеет вариантный уровень, однако, общее состояние исследований по этой проблеме можно рассматривать, как реальную базу для практического применения водорода. Подтверждением этому являются практические испытания, исследования вариантных двигателей работающих на водороде. Так, например, фирма "Mazda" делает ставку на водородный роторно-поршневой двигатель.

Исследования в этой области отличаются широким спектром вариантов использования водорода для двигателей внешнего и внутреннего смесеобразования, при использовании водорода в качестве присадки, частично замещая топливо водородом, и работе двигателя только на водороде.

Обширный перечень исследований определяет необходимость их систематизации и критического анализа. Использование водорода известно в двигателях, работающих на традиционных топливах нефтяного происхождения, а также в сочетании с альтернативными топливами. Так, например, со спиртами (этиловый, метиловый) или с природным газом. Возможно использование водорода в сочетании с синтетическими топливами, мазутами и другими топливами.

Исследования этой области известны как для бензиновых двигателей, так и для дизелей, а также для других типов двигателей. Некоторые авторы работ этой тематики считают, что водород является неизбежностью и необходимо лучше подготовиться к встрече с этой неизбежностью.

Отличительной особенностью водорода является его высокие энергетические показатели, уникальные кинетические характеристики, экологическая чистота и практически неограниченная сырьевая база. По массовой энергоемкости водород превосходит традиционные углеводородные топлива в 2,5-3 раза, спирты - в 5-6 раз, аммиак - в 7 раз.

Качественное влияние на рабочий процесс ДВС водорода определяется, прежде всего, его свойствами. Он обладает более высокой диффузионной способностью, большей скоростью сгорания, широкими пределами воспламенения. Энергия воспламенения водорода на порядок меньше, чем у углеводородных топлив. Реальный рабочий цикл определяет более высокую степень совершенства рабочего процесса ДВС, лучшие показатели экономичности и токсичности.

Чтобы приспособить существующие конструкции поршневых ДВС, бензиновых и дизелей к работе на водороде, как основном топливе, необходимы определенные изменения, в первую очередь - конструкции топливоподающей системы. Известно, что применение внешнего смесеобразования приводит к уменьшению наполнения двигателя свежим окислителем, а значит и снижению мощности до 40%, из-за низкой плотности и высокой летучести водорода. При использовании внутреннего смесеобразования картина меняется, энергоемкость заряда водородного дизеля может возрастать до 12%, или может быть обеспечена на уровне, соответствующем работе дизеля на традиционном углеводородном дизельном топливе. Особенности организации рабочего процесса водородного двигателя определяются свойствами водородно-воздушной смеси, а именно: пределами воспламенения, температурой и энергией воспламенения, скоростью распространения фронта пламени, расстоянием гашения пламени.

Практически во всех известных исследованиях рабочего процесса водородного двигателя отмечается трудноконтролируемое воспламенение водородно-воздушной смеси. Воздействие на преждевременное воспламенение путем подачи воды во впускной трубопровод или путем впрыска «холодного» водорода исследованы и дают положительные результаты.

Остаточные газы и горячие точки камеры сгорания интенсифицируют преждевременное воспламенение водородно-воздушной смеси. Это обстоятельство требует дополнительных мероприятий по предупреждению неконтролируемого воспламенения. В то же время, низкая энергия воспламенения в широких пределах коэффициента избытка воздуха позволяет использовать существующие системы зажигания при переводе двигателей на водород.

Самовоспламенение водородно-воздушной смеси в цилиндре двигателя при степени сжатия, соответствующей дизелям, не происходит. Для самовоспламенения этой смеси необходимо обеспечить температуру конца сжатия не менее 1023К. Возможно, воспламенение воздушной смеси от запальной порции углеводородного топлива, за счет увеличения температуры конца сжатия применением наддува или подогревом на впуске воздушного заряда.

Водород в качестве топлива для дизелей характеризуется большой скоростью распространения фронта пламени. Эта скорость может превышать 200 м/с и вызывать возникновение волны давления, перемещающейся в камере сгорания со скоростью свыше 600 м/с. Высокая скорость сгорания водородно-воздушных смесей, с одной стороны, должна оказывать положительное влияние на повышение эффективности рабочего процесса, с другой стороны, этим предопределяются высокие значения максимального давления и температуры цикла, более высокая жесткость рабочего процесса водородного двигателя. Повышение максимального давления цикла влечет снижение моторесурса двигателя, а повышение максимальной температуры приводит к интенсивному образованию окислов азота. Возможно снижение максимального давления за счет дефорсирования двигателя или сжигания водорода по мере его подачи в цилиндр на такте рабочего хода. Снижение эмисси окислов азота до незначительного уровня возможно путем обеднения рабочей смеси или путем использования воды, подаваемой во впускной трубопровод. Так, при а>1,8 эмиссия окислов азота практически отсутствует. При подаче воды по массе в 8 раз больше, чем водорода, эмиссия окислов азота снижается в 8… 10 раз.

CNG разрешено непосредственно в городских кварталах жилой и общественной застройки. Более того, во многих странах разрешена заправка транспортных средств природным газом в подземных гаражах. 1.6. Производство газового оборудования для автомобилей. В наши дни славу лучшего в мире производителя газовой автоаппаратуры перехватила Италия. И сейчас на мировом рынке наибольшим спросом пользуется...

Модель, получившая обозначение «H2R», развивает скорость свыше 300 км/ч. Перспективным представляется новое направление в двигателестроении на водородном топливе, основанное на применении двигателя Стирлинга. Этот двигатель до конца XX в. широко не применялся на автотранспорте из-за более сложной по сравнению с двигателем внутреннего сгорания конструкции, большей материалоемкости и стоимости. ...

Определяющее влияние транспорта на состояние окружающей среды требует особого внимания к при­менению новых экологически чистых видов топлива. К ним относится, прежде все­го, сжиженный или сжатый газ.

В мировой практике в качестве моторного топлива наиболее широко используется сжатый природный газ, содержащий не менее 85 % метана.

В меньшей степени распространено применение по­путного нефтяного газа; представляющего собой смесь, в основном - пропана и бутана. Эта смесь может нахо­диться в жидком состоянии при обычных температу­рах под давлением до 1,6 МПа. Для замещения 1 л бензина требуется 1,3 л сжиженного нефтяного газа, а экономическая эффективность его по эквивалентным затратам на топливо в 1,7 раз ниже, чем у сжатого газа. Следует отметить, что природный газ, в отличие от не­фтяного газа, не токсичен.

Анализ показывает, что применение газа сокращает выбросы: окислов углерода - в 3-4 раза; окислов азо­та - в 1,5-2 раза; углеводородов (не считая метана) - в 3-5 раз; частиц сажи и двуокиси серы (дымность) дизельных двигателей - в 4-6 раз.

При работе на природном газе с коэффициентом из­бытка воздуха а=1,1 выбросы ПАУ, образующихся в двигателе при сгорании топлива и смазочного масла (включая бенз(а)пирен), составляют 10 % от выбросов при работе на бензине. Двигатели, работающие на природном газе, уже сейчас удовлетворяют всем современ­ным нормам по содержанию газообразных и твердых составляющих в выхлопных газах.

	Токсичные компоненты выхлопных газов
Вид топлива		(без метана)			Бензапирен
Бензин (двигатели с нейтрализат.)
Дизтопливо
Газ+дизтопливо
Пропан-бутан
природ, сжатый

Особо следует остановиться на выбросах углеводоро­дов, которые претерпевают в атмосфере фотохимичес­кое окисление под действием ультрафиолетового облу­чения (ускоряющееся в присутствии NO x). Продукты этих окислительных реакций образуют так называемый смог. В бензиновых двигателях основное количество уг­леводородных выбросов приходится на этан и этилен, а в газовых - на метан. Это связано с тем, что эта часть выбросов бензиновых двигателей образуется в резуль­тате крекинга паров бензина в несгорающей части сме­си при высоких температурах, а в газовых двигателях несгорающий метан никаким преобразованиям не под­вергается.

Легче всего под воздействием ультрафиолетового облучения окисляются непредельные углеводороды, такие, как этилен. Предельные углеводороды, вклю­чая метан, более стабильны, т.к. требуют для фотохимической реакции более жесткого (коротковолнового) излучения. В спектре солнечного излучения составля­ющая, инициирующая окисление метана, имеет столь малую интенсивность по сравнению с инициаторами окисления других углеводородов, что практически окис­ление метана не происходит. Поэтому в ограничитель­ных стандартах автомобильных выбросов ряда стран углеводороды учитывают без метана, хотя пересчет ве­дется на метан.

Таким образом, несмотря на то, что сумма углево­дородов в выхлопных газах двигателей, использую­щих газомоторное топливо, оказывается такой же, как и у бензиновых двигателей, а в газодизеле часто и выше, эффект загрязнения воздушного бассейна этими ком­понентами при газовом топливе в несколько раз мень­ше, чем при жидком.

Важно также иметь в виду, что при применении газового топ­лива увеличивается моторесуры двигателя - в 1,4- 1,8 раза; срок службы свечей зажигания - в 4 раза и моторного масла - в 1,5-1,8 раза; межремонтный пробег - в 1,5-2 раза. При этом снижаются уровень шума на 3-8 дБ и время заправки. Все это обеспечива­ет быструю окупаемость затрат на перевод транспорта на газомоторное топливо.

Внимание специалистов привлекают вопросы безо­пасности использования газомоторного топлива. В це­лом взрывоопасная смесь газовых топлив с воздухом образуется при концентрациях, в 1,9-4,5 раза. Однако определенную опасность представляют утеч­ки газа через неплотность соединений. В этом отноше­нии наиболее опасен сжиженный нефтяной газ, т.к. плотность его паров больше, чем воздуха, а для сжато­го - меньше (соответственно, 3:1,5:0,5). Следователь­но, утечки сжатого газа после выхода из неплотностей поднимаются вверх и улетучиваются, а сжиженного - образуют местные скопления и, подобно жидким неф­тепродуктам, «разливаются», что при возгорании уве­личивает очаг пожара.

Кроме сжиженного или сжатого газа многие специ­алисты предрекают большое будущее жидкому водоро­ду, как практически идеальному, с экологической точ­ки зрения, моторному топливу. Еще несколько десяти­летий назад применение жидкого водорода в качестве горючего казалось достаточно отдаленным. К тому же трагическая гибель в канун второй мировой войны на­полненного водородом дирижабля «ГинденбурТ» настоль­ко подмочила общественную репутацию «топлива бу­дущего», что надолго вычеркнуло его из каких-либо серьезных проектов.

Быстрое развитие космической техники вновь зас­тавило обратиться к водороду, на этот раз уже жидко­му, как почти идеальному горючему для исследования и освоения мирового пространства. Тем не менее, по-прежнему не исчезли сложные инженерные проблемы, связанные как со свойствами самого водо­рода, так и его производством. Как горючее для транс­порта водород удобнее и безопаснее применять в жид­ком виде, где в пересчете на один килограмм он пре­восходит по калорийности керосин в 8,7 раза и жидкий метан в 1,7 раза. В то же время плотность жидкого водорода меньше, чем у керосина почти на порядок, что требует значительно больших баков. К тому же во­дород должен храниться при атмосферном давлении при очень низкой температуре - 253 градуса Цельсия. От­сюда необходимость соответствующей теплоизоляции баков, что также тянет за собой дополнительный вес и объем. Высокая температура горения водорода приво­дит к образованию значительного количества экологи­чески вредных окислов азота, если окислителем является воздух. И, наконец, пресловутая проблема безо­пасности. Она по-прежнему остается серьезной, хотя и считается теперь значительно преувеличенной. Отдельно следует сказать о производстве водорода. Почти един­ственным сырьем для получения водорода служат на сегодня те же горючие ископаемые: нефть, газ и уголь. Поэтому истинный перелом в мировой топливной базе на основе водорода может быть достигнут лишь путем принципиального изменения способа его производства, когда исходным сырьем станет вода, а первичным ис­точником энергии - Солнце или сила падающей воды. Водород принципиально превосходит все ископаемые виды горючего, включая и природный газ, в своей об­ратимости, то есть практической неисчерпаемости. В отличие от горючих, добываемых из-под земли, кото­рые после сгорания теряются безвозвратно, водород добывается из воды и сгорает опять в воду. Разумеется, чтобы получить водород из воды, нужно затратить энер­гию, причем значительно большую, чем можно исполь­зовать затем при его сгорании. Но это не имеет суще­ственного значения, если так называемые первичные источники энергии будут в свою очередь неисчерпае­мыми и экологически чистыми.

Разрабатывается и второй проект, где в качестве источника первичной энергии используется Солнце. Подсчитано, что на широтах ± 30-40 градусов наше светило греет примерно в 2-3 раза сильнее, чем в бо­лее северных широтах. Это объясняется не только бо­лее высоким положением Солнца на небе, но и несколько меньшей толщиной атмосферы в тропических регио­нах Земли. Однако почти вся эта энергия быстро рассе­ивается и пропадает. Получение с помощью ее жидкого водорода - наиболее естественный способ аккумуляции солнечной энергии с последующей доставкой ее в север­ные районы планеты. И не случайно научно-исследова­тельский центр, организованный в Штутгарте, имеет характерное название «Солнечный водород - источ­ник энергии будущего». Установки, аккумулирующие солнечный свет, предполагается, согласно указанному проекту, разместить в Сахаре. Сконцентрированное та­ким образом небесное тепло будет использовано для привода паротурбин, вырабатывающих электроэнергию. Дальнейшие звенья схемы те же, что и в канадском варианте, с той лишь разницей, что жидкий водород доставляется в Европу через Средиземное море. Прин­ципиальное сходство обоих проектов, как видим, в том, что они экологически чисты на всех стадиях, включая даже перевозку сжиженного газа по воде, поскольку танкеры работают опять-таки на водородном топливе. Уже сейчас такие всемирно известные немецкие фир­мы, как «Линде» и «Мессергрисхейм», расположенные в районе Мюнхена, производят все необходимое обору­дование для получения, сжижения и транспортировки жидкого водорода, за исключением разве что криоген­ных насосов. Громадный опыт по использованию жид­кого водорода в ракетно-космической технике накоп­лен фирмой «МББ», расположенной в Мюнхене и при­нимающей участие практически во всех престижных программах Западной Европы по освоению космоса. Научно-исследовательское оборудование фирмы в об­ласти криогеники используется также на американс­ких космических челноках. Широко известная немец­кая авиакомпания «Дейче Эрбас» разрабатывает пер­вый в мире аэробус, летающий на жидком водороде. Помимо экологических соображений применение жид­кого водорода в обычной и сверхзвуковой авиации пред­почтительно и по другим причинам. Так, примерно на 30 % при прочих равных условиях снижается взлет­ный вес самолета. Это позволяет, в свою очередь, со­кратить разбег и сделать взлетную кривую более кру­той. В результате снижается шум - этот бич современ­ных аэропортов, расположенных зачастую в густо­населенных районах. Не исключена также возможность снижения лобового сопротивления самолета путем силь­ного охлаждения его носовых частей, встречающих поток воздуха.

Все изложенное выше позволяет сделать вывод, что переход на водородное топливо, в первую очередь в авиа­ции, а затем и в наземном транспорте станет реальнос­тью уже в первые годы нового века. К этому времени будут преодолены технические проблемы, окончатель­но ликвидировано недоверие к водороду как чересчур опасному виду горючего и создана необходимая инфра­структура.

Многие годы исследователи бьются над поиском альтернативы бензину как основному типа топлива для автотранспорта. Экологические и ресурсные причины нет смысла перечислять - о токсичности выхлопных газов не говорит только ленивый. Решение проблемы ученые находят в самых, порой, необычных видах топлива. Recycle выбрал наиболее интересные идеи, бросающие вызов топливной гегемонии бензина.

Биодизель на растительных маслах

Биодизель - разновидность биотоплива на основе растительных масел, которая применяется как в чистом виде, так и в качестве различных смесей с дизельным топливом. Идея применения растительного масла в качестве топлива принадлежит еще Рудольфу Дизелю, который в 1895 году создал первый дизельный двигатель для работы на растительном масле.

Как правило, для получения биодизеля используют рапсовое, подсолнечное и соевое масла. Разумеется, сами по себе растительные масла в качестве топлива в бензобак не заливаются. В растительном масле содержатся жиры — эфиры жирных кислот с глицерином. В процессе получения «биосоляры» эфиры глицерина разрушают и заменяют глицерин (он выделяется как побочный продукт) на более простые спирты — метанол и, реже, этанол. Это и становится компонентом биодизеля.

Во многих европейских странах, а также в США, Японии и Бразилии, биодизель уже стал неплохой альтернативой обычному бензину. Так, в Германии рапсовый метиловый эфир продается уже более чем на 800 заправочных станциях. В июле 2010 года в странах Евросоюза работали 245 заводов по производству биодизеля суммарной мощностью 22 млн тонн. Аналитики компании Oil World прогнозируют, что к 2020 г. доля биодизеля в структуре потребляемого моторного топлива в Бразилии, Европе, Китае и Индии составит 20%.

Биодизель — экологичное топливо для транспорта: в сравнении с обычным дизельным топливом он почти не содержит серы и при этом подвергается практически полному биологическому распаду. В почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99% биодизеля — это минимизирует степень загрязнения рек и озёр.

Сжатый воздух

Модели пневмоавтомобилей — машин, ездящих на сжатом воздухе — выпущены уже несколькими компаниями. Инженеры Peugeot в свое время произвели фурор в автомобильной индустрии, заявив о создании гибрида, у которого в помощь к двигателю внутреннего сгорания добавляется энергия сжатого воздуха. Французские инженеры рассчитывали, что такая разработка поможет малолитражкам сократить расход топлива до 3 л на 100 км. Специалисты Peugeot утверждают, что в городе пневмогибрид может до 80% времени передвигаться на сжатом воздухе, не создав ни миллиграмма вредных выбросов.

Принцип работы «воздухомобиля» довольно прост: в движение машину приводит не сгорающая в цилиндрах мотора бензиновая смесь, а мощный поток воздуха из баллона (давление в баллоне — около 300 атмосфер). Пневматический мотор конвертирует энергию сжатого воздуха во вращение полуосей.

К сожалению, машины целиком на сжатом воздухе или air-гибриды создаются, в основном, мизерными партиями — для работы в специфических условиях и на ограниченном пространстве (например, на производственных площадках, требующих максимального уровня пожарной безопасности). Хотя существуют некоторые модели и для «стандартных» покупателей.

Экологически чистый микрогрузовичок Gator от компании Engineair - первый в Австралии автомобиль на сжатом воздухе, поступивший в реальную коммерческую эксплуатацию. Его уже можно видеть на улицах Мельбурна. Грузоподъёмность - 500 кг, объём баллонов с воздухом - 105 литров. Пробег грузовичка на одной заправке - 16 км.

Продукты жизнедеятельности

До чего дошел прогресс — некоторым автомобилям для работы двигателя нужен не бензин, а попадающие в канализацию отходы жизнедеятельности человека. Такое чудо автопрома создали в Великобритании. На улицы Бристоля выкатили автомобиль, который использует в качестве топлива метан, выделенный из человеческих экскрементов. Прототипической моделью стал Volkswagen Beetle, а производитель машины VW Bio-Bug на инновационном топливе - компания GENeco. Установленный на кабриолете «Фольксваген» перерабатывающий фекалии двигатель позволил проехать 15 тысяч километров.

Изобретение GENeco поспешили назвать прорывом во внедрении энергосберегающих технологий и экологически чистого топлива. Обывателю идея кажется сюрреалистической, поэтому стоит разъяснить: в автомобиль загружается, конечно, уже переработанное топливо — в виде готового к использованию метана, полученного заблаговременно из отходов жизнедеятельности.

При этом двигатель VW Bio-Bug использует два вида топлива одновременно: машина стартует от бензина, но, как только двигатель прогревается, а автомобиль набирает определенную скорость, включается подача переработанного на заводах GENeco человеческого желудочного газа. Потребители могут даже не заметить разницы. Впрочем, остается главная маркетинговая проблема — человеческое негативное восприятие того сырья, из которого получают биогаз.

Солнечные батареи

Производство автомобилей, питающихся солнечной энергией — пожалуй, самое развитое направление автопрома, ориентированного на использование эко-топлива. Машины на солнечных батареях создаются по всему миру и в самых разных вариациях. Еще в 1982 году изобретатель Ханс Толструп на солнцемобиле «Quiet Achiever» («Тихий рекордсмен») пересёк Австралию с запада на восток (правда, со скоростью всего лишь 20 км в час).

В сентябре 2014 года автомобилю Stella на удалось проехать маршрут от Лос-Анджелеса до Сан-Франциско, а это 560 км. Солнцемобиль, разработанный группой из голландского Университета Эйндховена, оснащён панелями, собирающими солнечную энергию, и 60-килограммовым блоком батарей ёмкостью шесть киловатт-часов. Stella имеет среднюю скорость 70 км в час. При отсутствии солнечного света запаса батарей хватает на 600 км. В октябре 2014 года студенты из Эйндховена на своей чудо-машине приняли участие в World Solar Challenge — 3000-километровой ралли по Австралии для машин на солнечных батареях.

Самым скоростным электрокаром на солнечных батареях на данный момент является Sunswift, созданный командой студентов из австралийского Университета Нового Южного Уэльса. На испытаниях в августе 2014 года этот солнцемобиль на одном заряде аккумулятора преодолел 500 километров с потрясающей для такого транспорта средней скоростью 100 км в час.

Биодизель на кулинарных отходах

В 2011 году Министерство сельского хозяйства США вместе с Национальной лабораторией возобновляемых видов энергии проводило исследование альтернативных типов топлива. Одним из удивительных результатов стал вывод о перспективности использования биодизельного топлива на основе сырья животного происхождения. Биодизель из остатков жиров — технология еще не слишком развитая, но уже используемая в азиатских странах.

Каждый год в Японии после приготовления национального блюда, тэмпура, остается приблизительно 400 тысяч тонн использованного кулинарного жира. Раньше он перерабатывался в корм для животных, удобрения и мыло, однако в начале 1990-х годов экономные японцы нашли ему еще одно применение, наладив на его основе производство растительного дизельного топлива.

По сравнению с бензином такой нестандартный вид автозаправки выделяет в атмосферу меньшее количество окиси серы — главной причины кислотных дождей — и на две трети сокращает количество других ядовитых выбросов выхлопных газов. Чтобы сделать новое топливо более популярным, его производители придумали любопытную схему. Каждому, кто пришлет на завод по выработке РДТ десять партий пластмассовых бутылок с использованным кулинарном жиром, выделяется 3,3 квадратных метра леса в одной из японских префектур.

До России технология в таком объеме еще не дошла, а зря: ежегодное количество отходов российской пищевой промышленности составляет 14 млн тонн, что по своему энергетическому потенциалу эквивалентно 7 млн тонн нефти. В России пущенные на биодизель отходы закрыли бы потребность транспорта на 10 процентов.

Жидкий водород

Жидкий водород уже давно считается одним из главных видов топлива, способных бросить вызов бензину и дизелю. Транспортные средства на водородном топливе не являются редкостью, но в силу многих факторов так и не завоевали широкую популярность. Хотя в последнее время благодаря новой волне озабоченности «зелеными» технологиями идея водородного двигателя приобрела новых сторонников.

Сразу несколько крупных производителей сейчас имеют в своем модельном ряду машины с водородным двигателем. Один из самых известных примеров - BMW Hydrogen 7, автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, который может работать и на бензине, и на жидком водороде. BMW Hydrogen 7 имеет бензиновый бак на 74 литра и резервуар для хранения 8 кг жидкого водорода.

Таким образом, автомобиль может использовать оба вида топлива во время одной поездки: переключение с одного типа горючего на другое происходит автоматически, при этом предпочтение отдается водороду. Таким же типом двигателя оснащен, например, гибридный водородно-бензиновый автомобиль Aston Martin Rapide S. В нем двигатель может работать на обоих видах топлива, а переключение между ними осуществляет интеллектуальная система оптимизации расхода и выбросов вредных веществ в атмосферу.

Водородное топливо собираются осваивать и другие авто-гиганты - Mazda, Nissan и Toyota. Считается, что жидкий водород экологически безопасен, так как при горении в среде чистого кислорода не выделяет никаких загрязняющих веществ.

Зеленые водоросли

Водорослевое топливо — экзотичный способ получения энергии для автомобиля. Рассматривать водоросли в качестве биотоплива стали, прежде всего, в США и Японии.

Япония не обладает большим запасом плодородных земель для выращивания рапса или сорго (которые используются в других странах для получения биотоплива из растительных масел). Зато Страна Восходящего Солнца добывает огромное количество зеленых водорослей. Раньше их употребляли в пищу, а сейчас на их основе стали делать заправку для современных автомобилей. Не так давно в японском городе Фудзисава на улицах появился пассажирский автобус DeuSEL от компании Isuzu, который передвигается на топливе, часть которого получена на основе водорослей. Одним из главных элементов стала эвглена зеленая.

Сейчас «водорослевые» добавки составляют всего несколько процентов от общей массы топлива в транспортных баках, но в будущем азиатская компания-производитель обещает разработать двигатель, который позволит использовать биосоставляющую на все 100 процентов.

В США тоже плотно занялись вопросом биотоплива на базе водорослей. Сеть заправок Propel в Северной Калифорнии начала продажи биодизеля Soladiesel всем желающим. Топливо получают из водорослей путем их сбраживания и последующего выделения углеводородов. Изобретатели биотоплива обещают двадцатипроцентное уменьшение выбросов углекислоты и заметное снижение токсичности по другим показателям.

О влиянии, оказываемом на воздушный бассейн при сжигании различных видов топлив, можно судить по объемам выбросов вредных веществ за 1 час работы электростанции с установленной мощностью 1млн кВт (табл. 2.2.).

Россия располагает уникальными запасами органического топлива, но стратегия его использования пока мало учитывает природоохранные аспекты. Стоимость топлива не связана с потребительской эффективностью и, как правило, определяется затратами на добычу и транспортировку, не отражая экологических качеств топлива.

Большинство энергетических углей и мазутов имеют невысокое качество. Практически все жидкое топливо - это мазут с высоким содержанием серы. Твердое топливо разнообразно по составу. На Европейской территории страны преобладают высокосернистые угли Подмосковного и Печерского месторождений; в Сибири и на Дальнем Востоке - высоковлажные и низкосернистые бурые угли Канско-Ачинского бассейна и каменный уголь Кузнецкого.

Таблица 2.2. Характерные выбросы ТЭС

		Уголь G =22,5 A=23,0 S=1,7	Мазут G=38,8 A=0,07 S=2,0	Природный газ G=33,5
	Расход топлива при максимальной нагрузке, т/ч (м/ч)
	Зола из топок т/ч
	Зола из бункеров электрофильтров, т/ч
	Зола из недожог топлива, выбрасываемые в атмосферу, т/ч
	Диоксид серы, т/ч
	Оксиды азота в пересчете на NО2, т/ч
	Бенз(а)пирен.10 кг/ч
	Соединения ванадия, в пересчете на V2O5, кг/ч

G - теплота сгорания топлива, МДж/кг; A - зольность; S - содержание серы, %.

Некоторые характеристики наиболее распространенных энергетических топлив приведены в табл. 2.3. На многие ТЭС поступает уголь с более высокой зольностью и более низкой теплотой сгорания, чем предусмотрено нормативными данными, приведенными в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Характеристика наиболее распространенных топлив.

		Теплота сгорания МДж/кг			Удельные выбросы, г/(кВт ч)
				Золы % г/(кВт ч)	Оксиды серы	Оксиды азота
	Бурый подмосковный
	Каменный кузнецкий
	Бурый канско-ачинский
	Каменный донецкий (Украина)
	Каменный экибастузский (Казахстан)

Еще статьи по теме

Оценка экологического риска деятельности нефтебаз и автозаправочных станций
Задачей курсовой работы является приобретение навыков по оценке экологического риска и расчету ущерба окружающей природной среде при авариях на нефтебазах и автозаправочных станциях. Авария - опасное техногенное происшествие, создающее н...

Очистка вентиляционных газов от паров ацетона методом абсорбции
Научно-технический прогресс и связанные с ним грандиозные масштабы производственной деятельности человека привели к большим позитивным преобразованиям в мире. Вместе с тем резко ухудшилось состояние окружающей среды. Загрязнение атмосферы, ...

Принципиально новым направлением в части снижения воздействия транспорта на окружающую среду является переход на экологически чистые виды топлива. В настоящее время существует несколько распространенных видов альтернативного, экологически более чистого топлива - сжиженный нефтяной газ, природный газ, биодизельное топливо, водород и др.

Применение сжиженного нефтяного газа требует не кардинального изменения конструкции автомобиля, а только его приспособления к установке газового оборудования, оставляя возможность использования как бензина, так и газа в качестве топлива. Сжиженный нефтяной газ - это экологически более безопасный вид топлива. При его использовании количество основных вредных веществ в выбросах снижается в 2 и более раза, износ основных деталей цилиндро- поршневой группы уменьшается в 1,5-2 раза, срок службы моторного масла становится выше, затраты на топливо сокращаются в 2 раза. Экологичность и экономичность работы двигателя на сжиженном газе зависит от оборудования, устанавливаемого на автомобиль. Наибольшей эффективностью обладают инжекторные системы впрыска газа .

Природный газ в качестве топлива для транспортных средств подразделяется на компримированный, т.е. сжатый (КПГ), и сжиженный (СПГ). Компримированный природный газ в качестве основного компонента содержит метан и в небольшом количестве примеси других газов. Особенностью метана является то, что при нормальной температуре и даже высоком давлении он не переходит в сжиженное состояние. Чтобы иметь достаточный энергетический запас, сжатый газ хранится в высокопрочных металлических баллонах под давлением 200 МПа. Баллоны имеют большую массу. Калорийность природного газа ниже калорийности бензина на 10-15%, поэтому при работе на КПГ мощность бензинового двигателя снижается на 18-20%. Рынок газовых автомобилей в эксплуатации расширяется медленно, а экологические показатели эксплуатируемых газовых систем не обеспечивают выполнения требований современных норм по токсичности.

Сжиженный природный газ с точки зрения техникоэкономической эффективности значительно выгоднее, чем КПГ. В сжиженном состоянии природный газ находится при температуре -160°С; для сохранения его в этом состоянии требуются криогенные емкости. Сжижение природного газа обеспечивает снижение его объема примерно в 600 раз. Это позволяет получить преимущества по сравнению с использованием сжатого природного газа: уменьшить массу газового оборудования на транспортном средстве в 3-4 раза, а объем - в 1,5-3. Переход на использование СПГ в нашей стране тормозится отсутствием инфраструктуры, обеспечивающей его получение. По мнению отечественных специалистов, применение СПГ является наиболее перспективным направлением использования природного газа в качестве моторного топлива.

Применение газа на транспортном подвижном составе позволяет существенно снизить токсичность: но СО в 3-4, NO v - в 1,2-2,0, C v H /y в 1,2-1,4 раза. При работе дизеля по газодизельному циклу дымность в режиме свободного ускорения уменьшается в 2-4 раза, шумность снижается на 8-10 дБ А, двигатель работает мягче и без специфического запаха.

Наряду с очевидными преимуществами, газовое топливо имеет недостатки: у газобаллонных грузовиков по сравнению с бензиновыми снаряженная масса повышается на 400- 600 кг, соответственно, снижается грузоподъемность, а запас хода сокращается почти вдвое. Кроме того, слабо развита сеть газонаполнительных и заправочных станций.

Работы по использованию газового топлива проводятся на многих видах транспорта, но наибольшее применение оно нашло на автомобильном транспорте.

Биодизельное топливо - это альтернативный вид топлива, получаемый из растительных масел. Сырьем для производства биодизельного топлива могут быть различные растительные масла (рапсовое, соевое, арахисовое, пальмовое, отработанные подсолнечное и оливковое масла, а также животные жиры).

Биодизельное топливо может использоваться в обычных ДВС как самостоятельно, так и в смеси с дизельным топливом, без внесения изменений в конструкцию двигателя. Обладая примерно одинаковым с минеральным дизельным топливом энергетическим потенциалом, биодизельное топливо имеет ряд существенных преимуществ - не токсично, практически не содержит серы и канцерогенного бензола, разлагается в естественных условиях, обеспечивает значительное снижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании.

Однако при всех положительных моментах биотоплива необходимо отметить, что культивирование растений, которые служат компонентами биодизеля, может крайне негативно сказаться на окружающей природной среде. В частности, территория Европы не позволяет обеспечивать многолетний севооборот при увеличении темпов потребления биодизельного топлива. В итоге может случиться, что решение задачи снижения загрязнения атмосферы отработавшими газами транспортных средств усугубит другие проблемы - деградации почв, производства продовольствия, вымирания различных видов животных.

Абсолютно экологичным видом альтернативного топлива для автомобилей считается водород, при сгорании которого не образуется никаких вредных веществ, только вода. Учитывая, что выбросы вредных веществ с отработавшими газами автотранспорта в мегаполисе могут составлять более 90%, использование водорода в качестве топлива позволит устранить эту экологическую проблему.

Многие автомобильные компании мира пытаются перейти на водородное топливо в своих конструкциях. Однако, несмотря на экологические и энергетические преимущества применения водорода, его использование в качестве автомобильного топлива в настоящее время носит экспериментальный характер из-за проблем, связанных с хранением и экономической целесообразностью применения.

Утилизация, или нейтрализация, вредных выбросов. Снижение количества вредных выбросов от транспортных средств в настоящее время достигается за счет оборудования двигателей системами нейтрализации и очистки выпускных газов. Известны жидкостные, термические, каталитические, комбинированные нейтрализаторы и сажеуловители.

Принцип действия жидкостных нейтрализаторов основан на растворении или химическом взаимодействии токсичных компонентов отработавших газов при пропускании их через жидкость определенного состава - воду, водный раствор сульфита натрия, водный раствор двууглекислой соды. Пропускание отработавших газов дизелей через воду приводит к уменьшению запаха, альдегиды поглощаются с эффективностью 0,5, а эффективность очистки от сажи достигает 0,6-0,8, при этом несколько уменьшается содержание бензапирена.

К недостаткам жидкостных нейтрализаторов относятся большая масса и габариты, необходимость частой смены рабочего раствора, неэффективность очистки СО, малая эффективность по отношению к NO r

Термический нейтрализатор (дожигатель) представляет собой камеру сгорания, которая размещается в выпускном тракте двигателя для дожигания продуктов неполного сгорания топлива. При этом отмечается снижение выбросов углеводородов в отработавших газах примерно в два, а монооксида углерода - в 2-3 раза. К недостаткам термических нейтрализаторов в экологическом отношении следует отнести повышенное содержание NO в отработавших газах.

В каталитических окислительных нейтрализаторах с катализаторами из благородных металлов - платины, платины и палладия, платины и родия - достигается достаточно высокая скорость окисления СО и С х Н у. Основным недостатком этого вида катализатора является интенсивное истирание дорогостоящей поверхности сажей с адсорбированными на ней абразивными частицами нерастворенных солей металлов, что приводит к снижению эффективности и ресурса эксплуатации устройства.

Для комплексной защиты окружающей среды от выбросов сажи и золы, снижения токсичности отработавших газов и шума автомобиля используются фильтры-нейтрализа- торы-глушители, в качестве рабочих элементов которых используются изделия из литого пористого алюминиевого сплава.

• См.: Гапонов В. Л., Бадалян Л. X., Курдюков В. Н., Куренкова Т. Н.Современные методы снижения вредных выбросов с отработавшимигазами автотранспорта.