Конструкторско-технические мероприятия по уменьшению загрязнения атмосферного воздуха и почв

Лекция № 4

Конструкторско-технические мероприятия по уменьшению загрязнения атмосферного воздуха и почв

План лекции:

1. Повышение экономичности двигателей

2. Совершенствование конструкции автомобиля

3. Улучшение качества топлива и снижение токсичности отработавших газов

4. Применение альтернативных видов топлива и энергии

Экологическая безопасность будет повышаться за счет улучшения экологических показателей транспортных средств, совершенствования технологических процессов и оборудования, применяемых в перевозочном процессе, при ремонте и техническом обслуживании.

Конструкторско-технические мероприятия, осуществляемые на подвижном составе автомобильного транспорта, группируются по направлениям: повышение экономичности двигателей, снижение массы конструкции, уменьшение сопротивления движению, снижение токсичности отработавших газов, использование экологически более чистых видов топлива, применение электрической энергии. На стационарных источниках сокращение вредных выбросов достигается переходом к экологически безопасным ресурсосберегающим технологиям.

Рекомендуемые материалы

1. Повышение экономичности двигателей

Повышение экономичности двигателей достигается совершенствованием их конструкции и позволяет сократить потребление топлива и соответственно снизить выбросы загрязняющих веществ. Одновременно обеспечивается сбережение топливно-энергетических ресурсов, что является еще одной важной экологической задачей.

Работы по совершенствованию конструкции интенсивно ведутся как для карбюраторных двигателей, так и для дизелей. К настоящему времени в этой области предложено много технических решений, и поиски продолжаются.

Улучшение рабочего процесса двигателя достигается применением различных устройств в карбюраторе. К таким устройствам относится ограничитель разрежения, действующий на режиме принудительного холостого хода, позволяющий снизить расход топлива и масла. Наибольшее применение получили экономайзеры принудительного холостого хода, снижающие расход топлива на 1,5 – 2 % и содержание оксида углерода в отработавших газах в 2,1 раза за период замедления. Почти все современные карбюраторы оснащены электронным управлением смесеобразованием, что позволяет поддерживать оптимальный состав топливно-воздушной смеси на различных режимах работы двигателя, повышает топливную экономичность и уменьшает выброс загрязняющих веществ до 5 %.

Несмотря на достигнутый высокий уровень технического совершенствования систем питания с карбюраторами они имеют ограниченный предел адаптации к различным режимам работы двигателя. В связи с этим широкое распространение получили системы питания с электронным впрыском топлива. Большинство зарубежных и новые отечественные двигатели оснащаются системой с микропроцессорным управлением впрыскиванием бензина и электронным зажиганием. Доля легковых автомобилей, снабженных системами впрыска топлива, составляет в мире около 80 %, а с учетом дизельных двигателей – 90 %. Причинами такого распространения систем впрыска являются повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов. Применение электронных систем впрыска топлива с точным дозированием топлива по отдельным цилиндрам на всех режимах работы двигателя позволяет повысить мощность двигателя
на 10 – 30 % и снизить расход топлива на 20 – 30 %.

Хорошие перспективы для экономии топливных ресурсов и снижения выбросов в атмосферный воздух имеет дизелизация транспортных средств. Дизельные силовые установки применяют на большегрузных автомобилях, автобусах, в ограниченных масштабах на легковом автотранспорте, поездных и маневровых тепловозах, морских и речных судах. Дизель экономичнее карбюраторного двигателя на 20 ‑ 30 %. Токсичность отработавших газов дизеля значительно ниже.

Система питания дизеля обеспечивает точное дозирование топлива при различных режимах работы, что наряду с высоким коэффициентом избытка воздуха и высокой степенью сжатия способствует более полному сгоранию топлива в цилиндрах двигателя и снижению токсичности выбросов (табл. 4.1).

Повышению экологических показателей дизелей способствует применение турбонаддува и рециркуляции отработавших газов.

Турбонаддув обеспечивается сжатием воздуха перед поступлением его в цилиндры дизеля. В результате происходит хорошее наполнение цилиндров. Мощность двигателя повышается, а топливная экономичность возрастает на 4 – 6 %. Турбонаддув применяют на грузовых автомобилях семейств КамАЗ и МАЗ, а также на карбюраторных автомобилях.

Рециркуляция представляет собой перепуск части отработавших газов во впускной трубопровод двигателя. Ее целесообразно использовать в допустимых пределах при работе двигателя на малых и средних нагрузках. Применение 10 %-ной рециркуляции позволяет снизить содержание оксидов азота в отработавших газах примерно на 30 – 40 % и улучшить процесс смесеобразования без существенного изменения расхода топлива, хотя дымность несколько возрастает.

Таблица 4.1. Структура токсичных компонентов при сжигании 1 кг топлива в карбюраторном двигателе и дизеле

Оснащение дизелей современными электронными системами управления в сочетании с турбонаддувом, рециркуляцией и высокоэффективной фильтрацией отработавших газов позволяет удовлетворять требования норм токсичности на уровнях Евро I и Евро III. Так, установка на автопоезд МАЗ-АТ98 двигателя MAN с микропроцессорной системой оптимального управления подачей топлива или дизеля Detroit Cummins с электронным впрыском обеспечивает выполнение жестких требований в первом случае – Евро II, а во втором – Евро III (табл. 4.2).

Для тепловозных дизелей находит применение эффективное рециркуляционное устройство, обеспечивающее в реальных условиях снижение выбросов оксидов азота до 50 %.

Таблица 4.2. Ограничение уровня выбросов дизелей

Высокая топливная экономичность может быть достигнута при использовании газодизелей и дизельно-газовых двигателей. Их различие в том, что дизельно-газовые двигатели допускают попеременную работу на дизельном и на газовом топливе, в то время как газодизель рассчитан на дизельное топливо и не может работать по чисто газовому циклу. Газодизельный двигатель не уступает по мощности дизелю и позволяет  экономить в эксплуатации до 80 % дизельного топлива. На транспортных средствах применяют газодизельную аппаратуру. Она используется на автомобильном и железнодорожном транспорте, где на газ переводятся в первую очередь маневровые тепловозы на станциях, расположенных в черте городов.

Следует иметь в виду, что все усовершенствования двигателей, направленные на повышение экономичности двигателей и снижение токсичных выбросов, требуют больших финансовых затрат на их внедрение и эксплуатацию (табл. 4.3).

2. Совершенствование конструкции автомобиля

Снижение массы конструкции транспортного средства является важным направлением улучшения экологических показателей транспорта. Снижение собственной массы транспортных средств может осуществляться за счет изменения конструкции агрегатов, совершенствования технологических процессов изготовления автомобилей и замены материалов на более легкие. Широкое применение для этих целей получили пластмассовые материалы. Значение этого направления разработок подтверждается таким примером: на каждую дополнительную тонну снаряженной массы автомобиля расходуется на 100 км пути 2,5 л бензина или 1,6 л дизельного топлива.

Таблица 4.3. Зависимость затрат на модернизацию ДВС и достигаемого уровня снижения оксидов азота

При создании новых типов подвижного состава снижение собственной массы закладывается уже в процессе проектирования, когда предусматривают новые компоновочные схемы и облегченные конструкционные материалы. За счет снижения массы экономия энергоресурсов составляет 8 ‑ 10%.

Уменьшение сопротивления движению оказывает значительное влияние на сокращение расхода топлива. Для автомобилей это направление работ определяется правильным выбором передаточных чисел главной передачи и коробки передач. С увеличением числа передач, применяемых на грузовых автомобилях, возрастают трудности в выборе оптимальной передачи при изменении условий движения. Так, на автомобилях КамАЗ, где имеются пятиступенчатая коробка передач и делитель, водители практически не пользуются повышающими передачами, в связи с чем наблюдается перерасход топлива. Требуется разработка специальных автоматических приборов, сигнализирующих о необходимости включения нужной передачи, что повысит экономичность автомобилей.

Аэродинамика транспортных средств также значительно влияет на расход топлива. При движении с высокой скоростью значительная часть энергии затрачивается на преодоление сопротивления движению в воздушной или водной среде. Эти затраты в воздушной среде прямо пропорциональны квадрату скорости и определяются фактором обтекаемости, представляющим произведение коэффициента сопротивления воздуха на лобовую площадь транспортного средства. Аэродинамические свойства автомобилей повышаются за счет придания обтекаемой формы, равномерного расположения груза, установки специальных обтекателей (дефлекторов) на крыше кабины грузового автомобиля.

1. 3. Улучшение качества топлива и снижение токсичности отработавших газов

Снижение токсичности отработавших газов достигается рядом технических решений, которые включают установку нейтрализаторов отработавших газов, фильтров, присадок к топливу.

Установка нейтрализаторов отработавших газов применяется как дополнительное оборудование, которое без значительных изменений в конструкции двигателя легко встраивается в выпускной тракт двигателя и обеспечивает внешнюю экологическую очистку. Различают следующие способы уменьшения токсичности отработавших газов: термическая, каталитическая, жидкостная и комбинированная нейтрализация. В самостоятельную группу выделяют способы удаления из газов твердых частиц (сажи).

Термическая нейтрализация основана на электротермическом дожиге несгоревших углеводородов и доокислении угарного газа в специальной термостатированной камере за выпускным коллектором с последующим электродуговым воспламенением и обработкой пламени сильным электрическим полем.

Каталитическая нейтрализация помимо окислительных реакций предполагает использование и восстановительных – для восстановления оксидов азота в исходные вещества – кислород и азот.

В окислительных и восстановительных реакциях могут применяться относительно дешевые окисные катализаторы на основе меди, марганца, никеля, хрома и других, но они обладают малой долговечностью и эффективностью. Поэтому распространение получили катализаторы на основе благородных металлов – платино-палладиевые, дающие степень очистки 70 – 90 %. Наиболее широко они используются на автомобильном транспорте.

Катализаторы представляют собой собственно активный каталитический слой, нанесенный на инертное тело – носитель, который размещают в корпусе нейтрализатора (рис. 4.1).

Ограничивают применение каталитических нейтрализаторов высокая стоимость, невозможность работы с этилированным бензином (соединения свинца и серы выводят катализаторы из строя) и жесткие технические требования к их конструкции.

Рис. 4.1. Принципиальная схема каталитического нейтрализатора

В отличие от термического и каталитического нейтрализаторов жидкостный не требует времени для перехода в рабочее состояние после пуска холодного двигателя. Недостатками жидкостного нейтрализатора являются большие масса и габариты, а также необходимость частой смены рабочего раствора.

Фильтры и специальные улавливатели в системе выпуска ДВС способствуют задержанию твердых частиц отработавших газов. В фильтрах сажа и другие твердые частицы улавливаются при прохождении через фильтрующий элемент или путем их центрифугирования. В специальных улавливателях создаются электростатические поля в сочетании с центрифугированием. В США фильтры обязательно устанавливаются на городских автобусах. Керамические фильтры с тефлоновым покрытием фирмы MAN задерживают 85 – 95 % сажи и твердых частиц, содержащихся в отработавших газах дизеля. В европейских странах из-за высокой стоимости сажевых фильтров предпочтение отдается каталитическим нейтрализаторам.

Присадки к топливу подразделяют на присадки, интенсифицирующие горение, и антидымные присадки-интенсификаторы горения (кислородосодержащие) повышают цетановое число и уменьшают количество светлого дыма, появляющегося при работе холодного дизеля. В качестве присадок могут использоваться метилацетат, ацетонпероксид, этилнитрат, изоамилнитрат и др. Их целесообразно добавлять к дизельному топливу с низким цетановым числом.

Антидымные присадки применяют для уменьшения темного дыма (сажи). Они практически не влияют на выделение дизелями оксида углевода, но существенно снижают выделение альдегидов, бенз-а-пирена и ускоряют выгорание сажи.

4. Применение альтернативных видов топлива и энергии

Использование экологически более чистых видов топлива позволяет «заменить традиционные жидкие виды топлива газом и значительно снизить уровень выбросов. В качестве газового топлива для ДВС используют сжиженный нефтяной газ (СНГ) и сжатый природный газ (СПГ).

Сжиженный нефтяной газ получают при переработке нефти как побочный продукт, состоящий в основном из пропан-бутановых фракций. Его выпуск составляет 2 – 3 % от выхода основной продукции при перегонке нефти, и поэтому его ресурсы ограничены.

Вам также может быть полезна лекция "4 Греция периода тёмных веков".

Важным преимуществом СНГ является переход в сжиженное состояние при температуре окружающей среды и сравнительно небольшом избыточном давлении – 1,6 МПа. В таком виде он хранится в балконах. По калорийной способности нефтяной газ уступает не более чем на 3 – 4 % бензину, поэтому при переводе карбюраторного двигателя на газ его мощность снижается незначительно.

Сжатый 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%.

Применение СНГ и СПГ в качестве моторного топлива на транспортном подвижном составе позволяет существенно снизить токсичность: по оксиду углерода (СО) в 3 – 4 раза, оксидам азота (NО_х) в 1,2 – 2,0 раза, углеводородам (СН) 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 дБА, 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.

Применение электрической энергии на транспортных средствах позволяет улучшить их экологические показатели и способствует сохранению топливно-энергетических природных ресурсов. С этой целью ведутся разработки конструкций на базе существующих транспортных средств.

В течение многих лет создаются и испытываются экспериментальные образцы и опытные партии электромобилей, однако не созданы конструкции для серийного производства. Основным препятствием на пути широкого внедрения электромобилей является несовершенство источника энергии – аккумуляторных батарей.