УДК 656.1 ПУТИ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧЕСКИХ ВЫБРОСОВ ДВС

УДК 656.1
ПУТИ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧЕСКИХ ВЫБРОСОВ ДВС
Ким А.В.
Студент ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, г.Астана
Научный руководитель - Баубек А.А.
Принцип работы автомобильных двигателей основан на превращении химической
энергии жидких и газообразных топлив нефтяного происхождения в тепловую, а затем – в
механическую энергию. Жидкие топлива в основном состоят из углеводородов, а
газообразные, наряду с углеводородами, содержат негорючие газы, такие как азот и
углекислый газ. При сгорании топлива в цилиндрах двигателей образуются нетоксичные
(водяной пар, углекислый газ) и токсичные вещества. Последние являются продуктами
сгорания или побочных реакций, протекающих при высоких температурах. К ним относятся
окись углерода СО, углеводороды CmHn, окиси азота NOX. Кроме перечисленных веществ,
200
вредное воздействие на организм человека оказывают выделяемые при работе двигателей
соединения свинца, канцерогенные вещества, сажа и альдегиды. В таблице 1 приведено
содержание основных токсичных веществ в отработавших газах бензиновых двигателей.
Таблица - 1.
Содержание основных токсичных веществ в отработавших газах
бензиновых двигателей
Токсичные вещества
Содержание
Окись углерода %
до 10,0
Углеводороды, %
до 3,0
Окиси азота %
до 0,5
Альдегиды %
0,03
3
Сажа г/м
до 0,04
Бензапирен мкг / м
до 20
Двуокись серы %
0,008
Основным токсичным компонентом отработавших газов, выделяющихся при работе
бензиновых двигателей, является окись углерода. Она образуется при неполном окислении
углерода топлива из-за недостатка кислорода во всем объеме цилиндра двигателя или в
отдельных его частях.
Значительные материальные затраты на создание экологически чистых машин
определяются давлением государственных законов и ужесточением экологических норм. В
частности, в европейских странах приняты строгие нормы токсичности выхлопа
автомобилей. Нормы для развитых европейских стран приведены в таблице 2.
Наименования
стандартов
Год
введения
Евро – 0
Евро – 1
Евро – 2
Евро – 3
Евро – 4
Евро – 5
1988
1993
1996
1999
2005
2008
Содержание в выхлопе, г/кВт ч
NOx
CO
Cх Hу
Твердые
частицы
14,4
11,2
2,5
8,0
4,5
1,1
0,36
7,0
4,0
1,1
0,15
5,0
2,0
0,6
0,10
3,5
1,5
0,02
2,0
1,5
0,02
Таблица – 2. Нормы токсичности выхлопа автомобилей для развитых европейских стран
Перспективы альтернативного топлива таковы, что уже сегодня мировые
автопроизводители говорят о внедрении к 2010 году порядка 50 различных моделей,
работающих на альтернативном виде горючего. В Европе, к примеру, особенно активны в
этой области компании Mercedes-Benz, BMW, MAN. В 2020 году, согласно резолюции ООН,
нацелившей страны Европы на переход автомобилей на альтернативные виды моторного
топлива, ожидается увеличение «альтернативщиков» до 23% всего автопарка, из них 10%
(порядка 23,5 млн. единиц) – на природном газе.
Сжатый природный и сжиженный нефтяной газы наиболее перспективного
экологически чистого моторного топлива, очевидна для многих стран мира. В Канаде, Новой
Зеландии, Аргентине, Италии, Голландии, Франции и других странах успешно действуют
национальные программы перевода автотранспорта, в первую очередь городского, на
газомоторное топливо. Для этого разработана соответствующая нормативнозаконодательная база: ценовая, налоговая, тарифная, кредитная.
Уже сейчас в Нидерландах порядка 50% автомобилей работают на природном газе, а
каждый десятый автомобиль - на сжиженном. 95% автобусного парка Вены и 87% парка
Дании также работают на газу. И совокупный процент потребителей растет с каждым годом.
201
В Великобритании, например, действует специальная программа перехода на другие виды
энергии (Power Shift Programs): покупателю компенсируется до 75% расходов, которые он
несет по переоснащению автомобиля на газ. В Германии владельцам автомобилей на
природном газе предоставляются льготы: ежегодные единовременные компенсации при
норме токсичности «Евро-4» и снижение размера налога. При страховании автомобиля
законодательством введен специальный экологический тариф, составляющий 15% от
обычных ставок.
Поэтому, в настоящее время единственным путем повышения экологичности
автотранспорта является его перевод на природный газ, что обеспечит сокращение вредных
выбросов в окружающую среду двигателями автомобилей до уровня, отвечающего жестким
европейским нормам.
Ричард Кэммак, автор исследования «Водород как топливо», считает, что водород
потенциально может стать идеальным топливом. В частности потому, что в природе
существует подобный механизм – известны бактерии, использующие водород в качестве
единственного источника энергии. Из водорода можно произвести в три раза больше
энергии, чем из аналогичного количества бензина. Водород очень взрывоопасен, но, по
данным организации National Hydrogen Association(США), вероятность взрыва водорода не
выше вероятности взрыва бензина. За последние три десятилетия на исследования в этой
области государственные и частные организации США затратили более 15 млрд долл.
Исследования водородного топлива ныне активно проводят автомобилестроительные
компании . Honda Motor, General Motors, Ford Motor, Mazda, Toyota, DaimlerChrysler начали
выпуск экспериментальных автомобилей, работающих на водородных двигателях.
Единственным выбросом, образующимся в результате работы подобных двигателей,
является вода. Современный уровень развития технологий не позволяет использовать
водород эффективно. Изготовление водородного топлива для автомобилей ныне в четыре
раза дороже, чем производство автомобильного бензина в количестве, достаточном для
производства аналогичного количества энергии. Кроме того, остается проблемой создание
«водородной инфраструктуры» – сети заправочных станций и сервисных центров
необходимых для обслуживания автомобилей работающих на водородном топливе. По
оценкам Аргоннской национальной лаборатории, в масштабах США для этого требуется
затратить более 600 млрд долл.
Добывать водород из воды очень дорого, поэтому в США 95% водорода производятся
из природного газа (метана). Это, в свою очередь, делает водородное топливо дороже, чем
наиболее дешевый сегодня энергоноситель – природный газ. Впрочем, технологические и
экологические препятствия использования водорода в качестве топлива не являются чем-то
уникальным. Некогда похожие проблемы были у природного газа, бензина и солнечной
энергии. К примеру, прошло более двух десятилетий с момента начала производства
солнечных батарей до вывода их на уровень коммерческой окупаемости.
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 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.
202
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.
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.