Охорона навколишнього середовища.

 

В даний час світовий парк автомобілів перевищує 700 млн. од., з яких 85% приходиться на легкові. З загального числа автомобілів 40% зосереджені в США. На 1000 жителів приходиться: у США – 730 авт.; у Німеччині – 530, у Франції – 490 шт.

Автомобільний транспорт, як у містах, так і поза містами, забруднює головним чином атмосферу. Забруднення йде по трьох каналах: 1) газами, що відробили, що викидаються через вихлопну трубу; 2) картерними газами; 3) вуглеводнями в результаті випару палива з бака, карбюратора і трубопроводів.

У складі газів автомобіля, що відробили, найбільша питома вага до обсягу мають окис вуглецю (0,5-10%), окисли азоту (до 0,8%), незгорілі вуглеводні (0,2-3,0%), альдегіди (до 0,2%) і сажа.

В даний час дослідницькі і практичні роботи з удосконалювання існуючих двигунів здійснюються по наступним напрямках: поліпшення системи запалювання, зміна процесів подачі палива в циліндри двигунів, установка додаткових приладів, що зменшують зміст шкідливих компонентів у газах, що відробили.

Система запалювання впливає на процеси згоряння палива. Відомо, що система іскрового запалювання робочої суміші за допомогою традиційного розподільника-переривача не завжди задовольняє сучасним вимогам, зв'язаним з повнотою згоряння палива. Цей прилад досить «примхливий». В умовах експлуатації він не завжди надійно здійснює запалювання суміші, а це супроводжується підвищенням у вихлопі продуктів неповного згоряння: окису вуглецю і незгорілого палива.

Істотне поліпшення в цьому відношенні дає застосування безконтактного електронного запалювання, що забезпечує більш могутній розряд на свічах запалювання і відрізняється більшою стабільністю роботи. Останнім часом система електронного запалювання одержує усе більше поширення. На деяких новітніх моделях закордонних автомобілів ця система доповнюється мікро-эом, що автоматично змінює момент випередження, запалювання суміші в залежності від навантаження на двигун і швидкості руху, оптимізиує витрату палива і склад газів, що відробили.

Для поліпшення процесу згоряння палива в циліндрі широке застосування знаходить так називане форкамерне, чи смолоскипове, запалювання. Сутність форкамерного запалювання полягає в тому, що в малій форкамері багата суміш підпалюється як звичайно електричною іскрою, а, що утвориться при цьому могутній смолоскип полум'я запалює основну частину більш бідної робочої суміші в циліндрі, що супроводжується поліпшенням згоряння палива. Такі двигуни дозволяють зменшити викид усіх токсичних компонентів, включаючи й окисли азоту, і при цьому заощаджувати до 10% палива. Названа система застосовується, зокрема, на двигунах нової моделі автомобіля «Волга-3102».

Зміна процесів подачі палива в циліндри досягається поруч прийомів. Перший з них – це спроба установки на двигуні двох карбюраторів замість одного. Вище відзначалося, що при роботі двигуна на неодруженому ходу зміст у вихлопі ряду токсичних речовин збільшується. Щоб скоротити кількість цих речовин при роботі двигуна на неодруженому режимі, потрібно відрегулювати карбюратор на збіднену чи бідну суміш (1 ч. бензину приблизно на 20 ч. повітря), але тоді двигун не буде розвивати необхідної потужності при роботі з навантаженням і не забезпечить належної тяги і швидкості. Вихід з цього положення дає установка другого карбюратора, що регулюється на нормальну суміш (1 ч. палива на 15 ч. повітря) і харчує двигун на робочих режимах.

Пізніше були розроблені нові, більш складні конструкції карбюраторів, здатних в одному блоці сполучати зазначені функції і готувати необхідний склад робочої суміші на будь-який режим роботи двигуна.

Другий прийом складається в зміні клапанного механізму з метою більш тонкого розпилення і кращого перемішування суміші при надходженні її в циліндри. У ряді нових конструкцій передбачається регулювання висоти підйому впускних клапанів у залежності від навантаження, що поліпшує процес заповнення циліндрів сумішшю і згоряння її.

Третій прийом складається у відмовленні від традиційного карбюратора і заміні його приладами (форсунками) для безпосереднього упорскування палива у впускний чи трубопровід у циліндри. Ця система, уперше застосована в 1934 р. на спортивних автомобілях, забезпечує найкраще розпилення палива і перемішування його з повітрям, а також рівномірний розподіл суміші по окремих циліндрах. При цьому способі не спостерігається осідання палива у виді крапель на стінках впускного трубопроводу.

Система безпосереднього упорскування особливо ефективна в сполученні з електронним керуванням, що автоматично дозує паливо в залежності від режиму роботи двигуна. Установлене не тільки зниження токсичності газів і економія палива, але і підвищення потужності двигунів на 10–20%.

Деякі пристрої упорскування дозволяють утворювати в зоні свічі збагачену суміш (легко займисту від іскри), а в іншій порожнині камери згоряння – бідну. Таке пошарове сумішоутворення забезпечує надійну роботу двигуна при результуючій збідненій суміші. Зазначений пошаровий поділ заряду одержують різними конструкційними рішеннями, але найчастіше це спрямоване упорскування палива в камеру згоряння. Система широко застосовується на нових автомобілях за рубежем.

Розробляються й інші прийоми для зниження токсичності газів, що відробили, на існуючих типах двигунів. Однак багато розробок не одержали поки не тільки поширення, але і загального визнання.

Відзначаючи позитивні якості згаданих вище конструкційних змін, випливає усе-таки визнати, що вони не дають кардинального рішення задачі. Крім того, потрібно мати на увазі, що подібні пропозиції можна здійснити на автомобілях, що знову випускаються. Переробка ж двигунів на діючих автомобілях практично не реальна. Тому важливим напрямком визнається розробка різних типів нейтралізаторів токсичності газів, що відробили, які можна встановлювати не тільки на нових, але і на експлуатованих автомобілях з невеликими переробками.

Методи знешкодження газів, що відробили, почали розробляти за рубежем ще в 30-х роках, але практичне застосування нейтралізатори одержали лише 30 років пізніше.

Нейтралізатор – це невеликий прилад, призначений для зниження токсичності газів, що відробили, шляхом допалювання продуктів неповного згоряння (СО, СН, СО) і розкладання окислів азоту на складені елементи – азот і кисень.

Спочатку думали, що такі прилади будуть прості у виготовленні, експлуатації і дешеві. У Каліфорнії (США) у 1959 р. був прийнятий штатний закон, що встановлює терміни устаткування всіх діючих автомобілів цими приладами. Подібні пропозиції пізніше були розроблені й у ряді інших штатів США, а також у деяких країнах Європи. Однак реалізація цих пропозицій виявилася не простій і істотно підвищила вартість автомобілів і витрати по експлуатації.

Розрізняють два типи нейтралізаторів: термічні і каталітичні.

У термореакторі, установлюваному за випускним трубопроводом, здійснюється процес полум'яного допалювання окису вуглецю СО і перетворення її у вуглекислий газ СО₂, а також спалювання незгорілих у циліндрі вуглеводнів і альдегідів.

Кращим каталізатором виявилася платина, але цей дорогою і дефіцитний матеріал не може широко застосовуватися. Почато пошуки інших, більш дешевих і доступних каталізаторів. Дослідження показали, що певною мірою платину можуть замінити палладій, радій, рутеній, а також окис міді, окис хрому, окис нікелю, двоокис марганцю й ін.

У нейтралізаторах радянського виробництва використовується окис алюмінію.

Як і в термореакторі, процес окислювання СО і СН вимагає подачі додаткового повітря, а процес відновлення окису азоту NО_х, не вимагає подачі повітря. Сучасні каталітичні нейтралізатори виконуються у виді двохкамерного реактора. В одній з них здійснюється окислювання СО і СН, а в другий – відновлення NО_х.

Ці нейтралізатори застосовуються на автомобілях з бензиновими і дизельними двигунами. Одні з труднощів полягає в тому, що в газах дизелів, що відробили, міститься 10% і більш кисню, у присутності якого реакція відновлення окису азоту не відбувається, а для окислювання СО цього кисню недостатньо. Тому звичайні каталітичні реактори без додаткових пристроїв забезпечують у дизелів нейтралізацію незгорілих вуглеводнів і альдегідів, а також невелику частку окису вуглецю (мал. 20).

Рис. 20. Схема двохкамерного каталітичного нейтралізатора.

 

В міру експлуатації створених приладів виявилися й інші несприятливі фактори. Так, при наявності бензинового двигуна з високим ступенем стиску і тому працюючого на этильованому бензині, поверхня каталізатора швидко обволікається свинцем. У дизелів на каталізаторі осаджується сажа і сірка, що істотно послабляє дію каталізатора і після визначеного пробігу він практично виходить з ладу. Ефективність дії каталітичного нейтралізатора істотно залежить від температури в реакторі. Низькотемпературні реактори працюють при 100–300°С, а високотемпературні – при 300–600°С и більш. На перших моделях через високу температуру корпус реактора досить швидко прогоряв і вимагав заміни. Пізніше цей дефект був усунутий, для чого треба було ускладнення і подорожчання реактора.

Роботи зі створення нових типів і конструкцій нейтралізаторів продовжують у багатьох країнах, але вимоги надійності і довговічності привели поки лише до ускладнення подібних приладів.

Один з напрямків складається в зниженні токсичності газів, що відробили, у результаті їхньої рециркуляції, тобто повторного засмоктування в циліндри (разом з порцією нової пальної суміші) з метою допалювання СО і СН і зниження кількості окислів азоту безпосередньо в циліндрах двигуна. Однак це веде до деякого погіршення характеристик двигуна, не говорячи вже про ускладнення конструкції двигуна.

Альтернативні двигуни.

Необхідність охорони навколишнього середовища від забруднення газами автомобілів, що відробили, і вимоги паливної економічності поставили перед конструкторами транспортних засобів питання: наскільки бензинові (карбюраторні) двигуни перспективні для майбутнього автомобільного транспорту і які двигуни можуть прийти їм на зміну.

У якості альтернативних карбюраторному стали пропонуватися дизелі, роторний двигун, газова турбіна, парова поршнева машина, парова турбіна, двигун «зовнішнього» згоряння (Стірлінга), інерційний двигун і деякі інші (табл.14).

 

Таблиця 14. Токсичність вихлопних газів у карбюраторного і дизельного двигунів

Токсична речовина	Кількість токсичних речовин на 1000 л палива кг
	Карбюраторний двигун	Дизель
Окис вуглецю СО	200	25
Вуглеводні СН	25	8
Окисли азоту NОх	20	36
Сажа	1	3
Сірчисті з'єднання SOх	1	30
Итого:	247	102

 

Дизельний двигун. Вважається, що в боротьбі за зменшення забруднення повітряного басейну дизельні двигуни можуть зіграти істотну роль. Відносячи до класу двигунів внутрішнього згоряння, дизель відрізняється від карбюраторного двигуна: має більш високі ступені стиску, що забезпечують самозапалювання палива, через це відпадає потребу в системах електричного запалювання; замість карбюратора використовуються паливні форсунки, що здійснюють під великим тиском упорскування палива в циліндри.

У табл.14 приводиться порівняння токсичності газів, що відробили, у карбюраторних двигунів і дизельних.

Як видно з таблиці, дизельний двигун виділяє значно менше окису вуглецю і вуглеводнів. У його газах, що відробили, міститься навіть менше окислів азоту, якщо по цьому компоненті його порівнювати з бензиновими двигунами з особливо високим ступенем стиску. Однак великими недоліками дизелів є димність, неприємний запах і більш високий рівень шуму. Проте більш висока теплова економічність дизелів (експлуатаційний ККД 30–35% замість 20–25% у карбюраторних двигунів), здатність працювати на більш дешевому (дизельному) паливі, можливість одержання щодо великих потужностей визначили дизелю домінуюче положення у світовому вантажному автомобільному парку і парку автобусів.

Література:

Основна:

1. Решетов Д.Н. и др. Надежность машин. М.: Высшая школа, 1988, 238 с.

2. Голинкевич Т.А. Прикладная теория надежности. М.: Высшая школа, 1985, 167 с.

3. Авдонькин Ф.И. Теоретические основы технической эксплуатации автомобилей. М.: Транспорт, 1985, 114 с.

4. Говорущенко Н.Я. Техническая эксплуатация автомобилей. М.: Высшая школа, 1984, 312 с.

Додаткова:

5. Гмурман В.С. Теория вероятностей и математической статистики. М.: Высшая школа, 1972, 367 с.

6. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Термины и определения.