Экологические характеристики автомобильных двигателей
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 камера сгорания автомобильного двигателя — это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу. Даже невинный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания, превращается в ядовитые оксиды азота. Основными токсичными веществами, загрязняющими атмосферу, в отработанных газах двигателей с воспламенением от искры являются оксид углерода СО, оксиды азота NO* и углеводороды С„Нт. Кроме того, в случае применения этилированного бензина образуется очень опасный загрязнитель — соединения свинца. И наконец, особое место занимают канцерогенные вещества, основным представителем которых в отработанных газах является бенз(а)пирен. Из 10 основных загрязнителей воздушной среды, включенных в предложенную ООН таблицу, оксид углерода СО стоит на втором месте. Причиной образования оксида углерода и углеводородов в отработанных газах является неполное сгорание топлива, которое особенно велико при пользовании богатой рабочей смесью, поступающей в цилиндр двигателя. Оксиды азота образуются в процессе сгорания топлива в зонах с высокой температурой.
Процесс окисления азота становится заметным лишь при нагревании до температуры более 1700 °С. Столь высокая температура имеет место в зонах, где сгорание происходит при давлении, близком к максимальному в цикле. Поэтому образование оксидов азота идет тем интенсивнее, чем выше максимальное давление цикла. Кроме того, на количестве образовавшихся оксидов азота сказывается наличие свободного кислорода, который ускоряет окисление. Поэтому наибольшее содержание их наблюдается при слегка обедненных смесях, когда температура горения достаточно высока и имеется достаточное количество свободного кислорода. Обеднение смеси (с этого уровня) снижает температуру горения, а обогащение — концентрацию свободного кислорода. В обоих случаях имеет место снижение концентрации оксидов азота. Оксиды азота (в бензиновых двигателях 77% составляет N0, в небольшом количестве присутствуют NO2 и N2O5), попадая в организм человека, соединяются с водой и образуют азотсодержащие кислоты. Симптомы отравления оксидами азота проявляются в виде кашля, удушья, возможен нарастающий отек легких.
Наименее изучены закономерности и причины образования канцерогенных веществ, в частности бенз(а)пирена. Последний является представителем конденсированной ароматики, молекула которого включает в себя пять связанных бензольных колец. Трудно предположить возможность образования столь сложной молекулы из веществ, входящих в состав бензина, а тем более природного газа. Наиболее конденсированная ароматика, входящая в состав бензина в микроколичествах, представлена нафталином и его производными, образующими лишь сдвоенное бензольное кольцо. Газовое же топливо вообще не содержит ароматических углеводородов. Наиболее вероятный путь образования бенз(а)пирена — конденсация ароматических соединений, присутствующих в моторном масле. Этот процесс протекает в сравнительно узком диапазоне температур (600—650 °С) в восстановительной среде, в присутствии железа в качестве катализатора. Отмеченная совокупность условий может иметь место на стенках цилиндров двигателя, при этом основная часть образующегося продукта должна смываться маслом и попадать в картер двигателя, так как в картерных газах содержание бенз(а)пирена более высокое, чем в отработанных. Более того, усилится вентиляция картера за счет отвода картерных газов во впускной трубопровод двигателя, что приведет к увеличению содержания канцерогенных веществ в отработанных газах.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Рис. 1. Токсические регулировочные характеристики при работе двигателя на бензине и газовом топливе. Содержание в отработанных газах оксидов углерода СО и азота NOx и углеводородов.
1 — газовое топливо; 2 — бензин.
Особенности образования токсичных веществ в двигателях внутреннего сгорания отражаются на токсических регулировочных характеристиках бензинового и газового двигателей. В качестве газового топлива используется метановый природный газ. Эти характеристики мало отличаются одна от другой. Особенность обеих характеристик — наличие СО при стехиометрическом составе (а= 1). Причем концентрация этого продукта неполного сгорания доходит до 1% при работе бензинового и 0,5% при работе газового двигателей. Это означает, что для обоих видов топлива при стехиометрическом составе смеси имеет место недогорание, которое для газового топлива несколько меньше, чем для бензина. Тем не менее газовый двигатель в отношении этого компонента имеет существенные преимущества. Пределы воспламенения газовоздушной смеси смещены в сторону бедных составов, т. е. рабочая область газового двигателя лежит в зоне малых содержаний СО.
Иная картина наблюдается при образовании оксидов азота. На рис. 1 показано изменение их содержания в зависимости от коэффициента избытка воздуха (соответственно для бензинового и газового двигателей). Обе кривые имеют острый максимум в области бедных смесей, однако максимум для газового двигателя смещен в сторону бедных смесей и имеет примерно в 2 раза более низкое значение. Оба максимума приблизительно соответствуют по положению пределу эффективного обеднения, вследствие чего регулирование двигателя на максимум экономичности соответствует максимальному выбросу оксидов азота. Однако для газового двигателя этот выброс в 2 раза ниже. Кроме того, газовый двигатель допускает широкие возможности для регулирования за пределом эффективного обеднения, т. е. в области, где оксиды азота и углерода присутствуют в очень малых количествах. Таким образом, оптимизация регулировок газового двигателя позволяет снизить поступление загрязнителей в атмосферу в несколько раз (по сравнению с бензиновым двигателем).
Выброс углеводородов в пересчете на углерод газовым двигателем находится примерно на том же уровне, что и бензиновым. Однако состав углеводородов в отработанных газах бензинового и газового двигателей различен. Так, в отработанных газах бензинового двигателя содержатся преимущественно этан и этилен, а у газового двигателя, работающего на метане, основу составляет метан. Эти обстоятельства играют существенную роль в экологии, поскольку сами по себе не представляют серьезной опасности для здоровья. Их вредное воздействие состоит в образовании смога в результате окисления оксидами азота, интенсифицируемого ультрафиолетовой частью солнечной радиации.
Из всех предельных углеводородов метан обладает наибольшей устойчивостью к этому процессу. Поэтому углеводородный выброс газового двигателя наименее опасен. Поступление углеводородов в атмосферный воздух происходит не только при работе автомобилей, но и при розливе бензина. Каждый водитель знает: вылить из шланга весь бензин в топливный бак практически невозможно, какая-то часть его из ствола пистолета обязательно выплеснется на землю. И с каждым годом количество поступающих в атмосферу углеводородов будет расти, а значит будут увеличиваться и вредные испарения в атмосферу. Лишь 300 г бензина, пролитого при заправке автомобиля, загрязняет 200 тыс. м3 воздуха.
Согласно должностной инструкции АГНКС по заправке автомобилей сжатым газом оператор и заправщик обслуживают автомобиль без участия водителя, тем самым выброс газа доведен до минимума. В нашей стране разработаны соответствующие государственные стандарты, направленные на контроль и ограничение количества вредных компонентов в выхлопных газах. Введены в действие ГОСТ 17.2.2.03—87 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений содержания окиси углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. Требования безопасности» и ГОСТ 21393—75 «Автомобили с дизелями. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений. Требования безопасности». Разработка нормирующих Документов — сложный процесс, включающий в себя анализ технических, экономических, биологических, медицинских и других факторов.
Источник статьи: http://stroy-technics.ru/article/ekologicheskie-kharakteristiki-avtomobilnykh-dvigatelei
Экологические характеристики автомобильных двигателей
- Главная
- Список секций
- Физика
- ЭКОНОМИЧНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ СОВРЕМЕННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
ЭКОНОМИЧНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ СОВРЕМЕННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
В последние десятилетия остро встала проблема защиты окружающей среды. Известно, что основным источником загрязнения воздуха является автотранспорт, выхлопные газы которого, попадая в атмосферу, делают её небезопасной для живых существ. С каждым годом количество автомобилей только растет, поэтому актуальность данной проблемы остаётся высокой, несмотря на то, что производители автомобилей делают всё возможное для того, чтобы их машины были максимально безопасными для окружающей среды.
В данной исследовательской работе я преследую следующие цели:
изучить от чего же зависит экологичность двигателей внутреннего сгорания (ДВС);
узнать современные методы борьбы с токсичностью выхлопных газов;
рассмотреть альтернативные пути решения проблемы;
попытаться предложить собственные идеи для снижения вредности автомобилей;
сделать выводы о том, что же нужно делать, чтобы обезопасить себя окружающую среду от вредных выбросов.
Более подробно изучив зависимость расхода топлива от стиля вождения, можно получить наиболее полную информацию о том, что же представляет собой эта проблема, и исходя из результатов исследований подвести итоги работы.
2. Экономичность и экологичность современных автомобилей
2.1 Виды двигателей
При полном сгорании углеводородов конечными продуктами являются углекислый газ и вода. Но в поршневых ДВС полное сгорание не происходит из-за конструктивных особенностей, и через выхлопную трубу в атмосферу выбрасывается более 200 различных химических веществ. Среди них:
-соединения неорганических веществ, которые входят в состав топлива
-продукты термических реакций азота с кислородом — оксиды азота
-продукты неполного сгорания в виде оксида углерода, альдегидов, кетонов, углеводородов, сажи и т.д
В данной работе мы рассмотрим три самых распространённых вида двигателей для автомобильного транспорта и выясним, какой же из них наиболее вреден для природы. Очевидно, что главным фактором экологичности двигателя является его расход топлива, ведь чем меньше сжигается топлива, тем меньше вредных веществ выбрасывается в атмосферу. В настоящий момент на автомобилях наиболее распространены три вида двигателей:
3)гибридные двигатели (электрическая тяга +ДВС)
Каждый из этих силовых установок имеет свои эксплуатационные характеристики, в которые, конечно же, входит и расход топлива. Если сравнивать бензиновый и дизельный ДВС, то наиболее экономичным по отношению к горючему окажется дизельный. Так, например, дизельный двигатель такого же объёма, как и бензиновый, потребляет примерно в 1,5 раза меньше топлива, чем двигатель, работающий на бензине. Однако ,это вовсе не означает, что дизельный двигатель менее вреден для человека. Для наглядности обратим внимание на таблицу:
Исходя из этой информации, видим, что содержание сажи в выхлопных газах дизельного ДВС намного выше, бензинового. Получается, что нельзя делать выводы о вреде двигателя только по его расходу топлива. Есть еще множество факторов влияющих на содержание вредных веществ в отработавших газах. К ним вернемся чуть позже, а теперь более детально рассмотрим, что же представляют собой гибридные автомобили.
2.2 Гибридные двигатели, их преимущества и недостатки
Гибридные автомобили — транспортные средства, использующие для движения более одного двигателя. Современные производители автомобилей часто прибегают к совместному использованию двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателя. Основной причиной для начала производства таких автомобилей стало увеличение цен на нефть и ужесточение экологических норм. Гибриды в несколько раз меньше сжигают топливо и меньше выделяют вредных веществ при эксплуатации. Объясняется это тем, что ДВС в гибридном автомобиле, в общей сложности, работает меньшее количество времени и нагрузка на него меньше, чем в обычном автомобиле и вследствие этого меньше выхлопных газов. Так же некоторые гибриды в городских условиях могут двигаться исключительно на электротяге, что способствует уменьшению загазованности в мегаполисах во время дорожных пробок.
Несмотря на все преимущества гибридных автомобилей, их количество на дорогах невелико. Это говорит о том, что они имеют ряд недостатков и автолюбители еще не готовы приобрести экологичные автомобили. Так какие же недостатки существуют у гибридных автомобилей?
Во-первых, гибриды имеют больший вес, относительно обычных автомобилей, что сказывается на маневренности и управляемости транспортного средства.
Во-вторых, гибридная установка является сложной конструкцией, и из-за этого увеличивается стоимость её ремонта и обслуживания.
В-третьих, если встает вопрос об утилизации аккумуляторов, то все экологические преимущества перечёркиваются, ведь в батареях для питания электродвигателя содержатся опасные химические вещества.
Ко всему этому добавляется ещё и более высокая рыночная стоимость гибридных автомобилей. Именно по этим причинам доля таких машин на дорогах мала.
2.3 Зависимость экологичности автомобилей от системы зажигания
Вернёмся к бензиновым и дизельным двигателям. Было сказано, что кроме топливной экономичности существуют множество факторов, влияющих на природу. Среди них первое место занимает приготовление качественной горючей смеси. Поясню, что это значит. Для того чтобы полностью сгорел 1 кг бензина, нужно 14,7 кг атмосферного воздуха. Это и называется нормальным качеством смеси. Если количество воздуха для 1 кг бензина будет больше 14,7 ,то смесь называется бедной. Если же воздуха будет меньше 14,7 кг, то смесь будет богатой. Для регулировки качества смеси на двигателях могут устанавливаться две различные системы питания: карбюраторная и инжекторная. Подробнее рассмотрим каждую из них и узнаем, какая из них более экономичная.
Карбюраторная система является более простой по конструкции и менее эффективной в отношении рационального использования топлива. Она состоит из топливного бака, фильтров, самого карбюратора, топливного насоса, топливных проводов. Качество смеси, приготовляемое карбюратором, регулируется один раз, и не может меняться без участия человека в зависимости от режимов работы двигателя. И зачастую происходит так, что двигатель расходует больше топлива, чем хотелось бы. Именно это является главным недостатком этой системы.
Почти все современные автомобили оборудованы инжекторной системой подачи топлива. Преимущества её в том, что на любых режимах работы двигателя она обеспечивает качественное смесеобразование. Происходит это за счёт более точной дозировки топлива, в зависимости от температуры окружающей среды, температуры двигателя и режима его работы, а также других факторов, которые влияют на процессы, происходящие в ДВС. Контролирует все это электронный блок управления (ЭБУ), который считывает и обрабатывает информацию с датчиков и корректирует качество смеси. В совокупности, инжекторная система делает двигатель экономичнее, мощнее, экологичнее карбюраторного. Благодаря всем этим преимуществам двигатели, оборудованные электронными системами, почти полностью вытеснили карбюраторные версии.
2.4 Современные методы борьбы с токсичностью выхлопных газов и альтернативные пути решения проблемы
С каждым годом конструкция современных двигателей все усложняется новыми системами ,которые снижают уровень выделяемых вредных веществ. Вот уже несколько лет существуют эффективные методы снижения токсичности выхлопа автомобилей, которые хорошо зарекомендовали себя на практике:
Каталитический нейтрализатор. Он состоит из носителя, заключенного в корпус. Носитель представляет собой керамический материал (сотовой конструкции или в виде шариков), покрытый тонким слоем катализатора из благородных металлов, например, платины, палладия, родия. При температуре поверхности катализатора свыше 250-300°С содержащиеся в отработавших газах окислы углерода СО эффективно окисляются, а их концентрация в выхлопных газах снижается во много раз. Окисление углеводородов СН происходит при более высокой температуре (400°C). Окисление СО и СН происходит в присутствии свободного кислорода воздуха, небольшое количество которого образуется в результате сгорания.
Рециркуляция отработавших газов. Эта система направляет небольшую часть выхлопных газов обратно в двигатель. Повторное сжигание снижает количество оксидов азота в выхлопе.
Система старт-стоп. Эта функция автоматический выключает двигатель во время остановки на светофорах, пробках и включает его перед началом движения.
Так же улучшается качество топлива в заправочных станциях, что тоже помогает развитию экологичности двигателей.
Существуют и альтернативные способы уменьшения вреда двигателей. Например, использование в качестве топлива водорода. Известно, что водород можно получить путём пропускания электрического тока через воду. По этому принципу построены автомобили ,оборудованные водородными генераторами. Но высокая взрывоопасность таких конструкций пока ещё не позволяет получить широкое распространение данной идеи.
Нельзя не упомянуть двигатели, работающие на метане. Относительно невысокая стоимость и экологичность данного вида топлива создают потенциал для развития данной отрасли.
2.5 Исследование зависимости расхода топлива от стиля вождения
В этой работе было проведено исследование зависимости расхода топлива от стиля вождения.
Испытания проводились следующим образом: на одном и том же автомобиле замерялся расход топлива при различных условиях движения. Результаты снимались со штатного бортового компьютера автомобиля.
Опыт 1.Движение в городских условиях с интенсивными ускорениями и торможениями. Бортовой компьютер показал значение расхода топлива: 12,5 литра на 100 километров пути.
Опыт 2. Движение в городских условиях с плавным ускорением и торможением. Показания бортового компьютера: 11,2 литра на 100 километров пути.
Опыт 3.Движение по загородной трассе со скоростью 80 км/ч. Расход топлива составил: 10,2 литра на 100 километров пути.
Опыт 4.Движение по загородной трассе со скоростью 100 км/ч. Расход топлива равнялся: 10,5 литров на 100 километров пути.
3.Заключение, выводы
Таким образом, проделанная работа позволяет сделать выводы о том, что проблема загрязнения окружающей среды автомобильным транспортом может решаться силами не только учёных и инженеров, но и силами обычных водителей. Проведенные опыты показали, что даже манерой своего вождения можно снизить расход топлива, тем самым сэкономить деньги и уберечь природу от вредных веществ.
4.Использованная литература
Источник статьи: http://school-science.ru/4/11/1016
