1
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ДВС А.А. Баубек
ЕНУ им. Л.Н.Гумилева, Астана
Введение. В настоящее время уменьшение загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами, выделяемыми промышленными предприятиями и автомобильным транспортом, является одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством. Загрязнение воздуха оказывает вредное воздействие на человека и окружающую среду.
Материальный ущерб, вызываемый загрязнением воздуха, трудно оценить, однако даже по неполным данным он достаточно велик. Автомобиль не роскошь, а средство передвижения. Без автомобиля в настоящее время немыслимо существование человечества. При интенсивной урбанизации и росте мегаполисов автомобильный транспорт стал самым неблагоприятным экологическим фактором в охране здоровья человека и природной среды в городе. Таким образом, автомобиль становится конкурентом человека за жизненное пространство.
За последние десятилетия человечество окончательно убедилось, что первым виновником загрязнения атмосферного воздуха – одного из основных источников жизни на нашей Планете, является детище научно- технического прогресса – автомобиль. Автомобиль, поглощая столь необходимый для протекания жизни кислород, вместе с тем интенсивно загрязняет воздушную среду токсичными компонентами, наносящими ощутимый вред всему живому и неживому. Вклад в загрязнение окружающей среды, в основном атмосферы составляет – 60-90%.
§ 1. Анализ загрязняющих факторов
Основная причина загрязнения воздуха заключается в неполном и неравномерном сгорании топлива. Всего 15% его расходуется на движение автомобиля, а 85% «летит на ветер». К тому же камеры сгорания автомобильного двигателя – это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу.
Двигаясь со скоростью 80-90 км/ч в среднем автомобиль превращает в углекислоту столько же кислорода, сколько 300-350 человек. Но дело не только в углекислоте. Годовой выхлоп одного автомобиля – это 800 кг окиси углерода, 40 кг окислов азота и более 200 кг различных углеводородов. В этом наборе весьма коварна окись углерода. Из-за высокой токсичности еѐ допустимая концентрация в атмосферном воздухе не должна превышать 1 мг/м3. Известны случаи трагической гибели людей, запускавших двигатели автомобилей при закрытых воротах гаража. В
2
одноместном гараже смертельная концентрация окиси углерода возникает уже через 2-3 минуты после включения двигателя
Уровень загазованности магистралей и примагистральных территорий зависит от интенсивности движения автомобилей, ширины и рельефа улицы, скорости ветра, доли грузового транспорта и автобусов в общем потоке и других факторов. При интенсивности движения 500 транспортных единиц в час концентрация окиси углерода на открытой территории на расстоянии 30- 40 м от автомагистрали снижается в 3 раза и достигает нормы. Затруднено рассеивание выбросов автомобилей на тесных улицах. В итоге практически все жители города испытывают на себе вредное влияние загрязнѐнного воздуха.
В настоящее время идет борьба с автомобильной опасностью.
Конструируются фильтры, разрабатываются новые виды горючего, содержащие меньше свинца Сокращением добавок и переход к бессвинцовому бензину создает ряд технических проблем. Итак, в перспективе можно устранить рассеивание свинца ДВС. Но останутся другие вредные компоненты – угарный газ, окислы азота, канцерогенный бенз(а)пирен и т.п.
Влияние концентрации вредных веществ на организм человека приводится в таблице 1:
Таблица 1.
Последствия и продолжительность
воздействия Содержание в воздухе, мг/м3
СО SO2 NO2
Без заметного действия, несколько часов 115 65 15 Признаки легкого отравления или раздражение
слизистых оболочек, через 2…4 ч 115-205 130 20
Возможно серьезное отравление, через 30 минут 230-3500 210-400 100 Опасно для жизни, при кратковременном
воздействии 5700 1600 150
Международное сообщество, учитывая серьезность проблемы токсичности автомобилей, разработало ряд международных стандартов — Правил Европейской Экономической Комиссии (ЕЭК) ООН по транспорту, регламентирующих нормы выбросов различных типов автомобилей (легковых, дизельных, работающих на бензине, дизельном топливе и т.д.) методы газового анализа, процедуру измерений, требования к техническим параметрам газоанализатора.
3
§ 2. Контролирующие мероприятия изнутри и извне
Сейчас в Казахстане действуют ГОСТы, принятые еще в 80-х годах прошлого столетия. В странах же Евросоюза еще в 1993 году был введен стандарт Евро-1, а с 2004 года действует стандарт Евро-4, с помощью которых они смогли решить проблему загрязнения окружающей среды.
Подобный стандарт необходимо на Республиканском уровне разработать новый Национальный стандарт, регламентирующий нормативы выбросов вредных веществ в атмосферу
В связи с актуальностью экологической проблемы крупных городов, во многих странах ведется работа по снижению токсичности автомобильных выхлопов. Рассматривается несколько направлений: создание новых модификаций бензина и искусственных моторных топлив, соответствующих более низкому уровню токсичности (Евро-1, Евро-2, Калифорнийский стандарт и т.д.). Объемы финансовых затрат на эти цели только в США исчисляются сотнями миллионов долларов. Для снижения токсичности выхлопных газов применяют каталитические дожигатели и фильтры, которые приводят к удорожанию автомобиля, но мало эффективны в условиях эксплуатации поддержанного автотранспорта. К коренному улучшению сложившейся в крупных городах экологической обстановки могло бы привести использование в автотранспортных системах водорода.
Эффективность и особенность применения водорода в качестве моторного топлива подтверждена большим объемом экспериментальных исследований, в том числе непосредственно в условиях городской езды. Полученные результаты показывают возможность использования водорода в качестве моторного топлива, не требуя создания нового двигателя. Особенности процесса горения водорода (например, высокие скорость и температура пламени) корректируются незначительной конструктивной доработкой и регулировкой двигателя.
Водород может применяться как в чистом виде, так и в смеси с углеводородным топливом. Благодаря его высокой физико-химической активности небольшая (5-10% масс.) добавка водорода к бензину позволяет снизить токсичность выхлопных газов на 65-75%.
Выброс вредных веществ при сгорании различных топлив:
Таблица 2.
Виды топлива Выброс вредных веществ, г/км
CO CH NOx
Бензин 42 8,5 9,1
4
Сжиженный нефтяной газ 19 4,8 8,7
Сжатый природный газ 8,5 4,5 8,5
Бензин в смеси с водородом 3 2,8 4,55
Метанол 28 4,6 4,4
Метанол в смеси с бензином 32 5,4 7,6
Метанол в смеси с синтез-газом (H2+CO) 5 2,5 3,5
Cинтез-газ (H2+CO) 0 0,4 2,3
Водород 0 0 2,5
ЕВРО-4 2,72 0,93 -
Как следует из таблицы, из широкого перечня моторных топлив смесь бензина с водородом близко соответствует европейскому стандарту ЕВРО-4.
При этом расход бензина снижается на 30-40%. Наиболее низкое содержание NОх в продуктах сгорания наблюдается при нагрузках менее 50%
максимальной мощности, т.е. при рабочих параметрах двигателя, представляющих наибольший интерес для условий городской эксплуатации автомобилей.
В качестве сырья водород потребляется в больших объемах (порядка сотни миллионов тонн в год) в химической (для производства метанола, аммиака), нефтехимической (для гидроочистки, гидрокрекинга, каталитического риформинга, нефтехимического синтеза, получения синтетического топлива) и других производствах.
Энергетические затраты на производство электролитического водорода и его последующего ожижения составили бы порядка 15 млрд. кВтч в год. В мировом масштабе (примерно 500 млн. единиц автотранспорта) это соответствовало бы примерно 30000 млрд. кВтч в год. В то время, как мировая выработка электроэнергии составляет примерно 15000 млрд. кВт•ч.
Из указанного примера следует, что широкомасштабное применение водородного топлива в автотранспорте (если не идти по пути использования для его получения углеводородного сырья), на сегодняшний день, пока не найдены неограниченные и дешевые источники энергии, лишено реальности.
И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Для здоровья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления. Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества – этил и этилен, а газовый двигатель – метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен. Газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам.
5
Двигатель внутреннего сгорания работает на смеси воздуха и распыленного топлива. Для воспламенения смеси нужна определенная концентрация топлива. Газ, в сравнении с бензином, горит при меньших концентрациях, т.е. при более «бедных» смесях. В случае повышения концентрации газа и обогащения смеси можно добиться увеличения мощности двигателя. Обедняя смесь, наоборот, можно понизить мощность.
Возникает возможность изменением состава смеси регулировать мощность двигателя: газ как топливо значительно «послушнее» бензина.
Эксплуатация показала, что автомобили на газе более выносливы – в полтора-два раза дольше работают без ремонта. При сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя. Кроме того, масляная пленка дольше держится на металлических поверхностях – ее не смывает жидкое топливо, и, наконец, газ практически не вызывает коррозию металла. Несмотря на многочисленные достоинства, закрывать заправочные станции и выбрасывать бензиновые канистры еще рано.
Пропан-бутан – синтетическое топливо. Его получают из нефти и сконденсированных нефтяных попутных газов. Чтобы эта смесь оставалась жидкой, ее хранят и перевозят под давлением в 1,6 МПа (16 атмосфер).
Газобаллонная аппаратура для сжиженного пропан бутана несколько проще.
Процесс заправки машин на газонаполнительных станциях несложен и очень похож на заправку бензином.
По своим свойствам сжиженный пропан-бутан почти не отличается от сжатого природного газа. То же высокое октановое число, те же неплохие экологические и эксплуатационные показатели. Есть у сжиженного пропан бутана и преимущество перед метаном – 225 литров этого горючего хватает на пробег около 500 километров, а метана, помещающегося в восьми баллонах – на вдвое меньший. На сжиженном газе работает вдвое меньше машин, чем на сжатом и вот почему. Пропан-бутана получают в 20...25 раз меньше, чем добывают природного газа.
Сжиженный нефтяной газ (СНГ) обладает всеми качествами полноценного топлива для ДВС. Во всем мире газ признан как дешевое, экологически чистое топливо, по многим свойствам превосходящее бензин.
Немаловажно, что использование СНГ не требует изменения конструкции автомобиля, оставляя возможность использования как бензина, так и горючего газа в качестве топлива. Сжиженный нефтяной газ обладает некоторыми физико-химическими свойствами, которые необходимо учитывать для достижения максимального экономического и эксплуатационного эффекта.
Нефтяной газ представляет собой смесь пропана, бутана и незначительного количества (около 1%) непредельных углеводородов.
6
Фактически на автомобильные газонаполнительные станции поступают две марки газа, регламентируемые соответствующими ГОСТами: зимняя (85-95%
пропана) и летняя (45-55% пропана). Такое сочетание учитывает свойства СНГ в зависимости от окружающей температуры и позволяет круглый год эксплуатировать автомобиль на газе.
ДВС, работающие на газовом топливе, начали разрабатываться гораздо раньше бензиновых и дизельных, однако широкое применение в автомобильной сфере они стали находить только в последние годы. Прогресс инженерной мысли и, соответственно, появление высокотехнологичного газобаллонного оборудования вызвали всплеск популярности газового топлива. Этой популярности способствует также тот факт, что перевод двигателя на газ не исключает возможность его эксплуатации на бензине – получается "два в одном". Причем переключение двигателя с одного вида топлива на другое происходит движением руки прямо в салоне машины.
Применение водорода в ДВС с принудительным зажигания топливовоздушной смеси интересно также в связи с отсутствием в его составе молекулы углерода. По своей массовой энергоемкости водород превосходит углеводородные топлива в 2,5-3 раза, спирты – в 5-6 раз, а аммиак – 7 раз. При этом водород – абсолютно нетоксичный газ. Работа ДВС на водороде устойчива при крайних бедных смесях – до α = 6. Это позволяет снизить выбросы оксидов азота до нуля.
Заключение. Однако применение чистого водорода в ДВС дорогостоящее мероприятие, поэтому в ЕНУ им. Л.Н.Гумилева активно проводится научно-исследовательская работа по созданию углеводородного топлива с содержанием активного свободного водорода. Бензин с присутствием водорода, как показано в таблице 2, существенно улучшит экологические характеристики ДВС, что существенно приблизит к требованиям ЕВРО-4. В частности, решение этой проблемы существенно улучшит экологическую обстановку особенно в крупных городах РК.
Литература:
1. Якубовский Ю. Автомобильный транспорт и защита окружаюшей среды: Пер. с пол. – М: Транспорт, 1979. – 198 с.
2. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей:
Учебн. пос. для высшей школы. – М.: Академический проект, 2004. – 400 с.
