Эксплуатационные мероприятия по повышению экологичности автотранспортных средств

 

Основными эксплуатационными мероприятиями, направленными на снижение токсичности отработавших газов являются следующие:

Для карбюраторных двигателей

. Своевременное регулирование карбюраторов по оптимальному составу рабочей смеси;

. Оптимизация характеристики ускорительного насоса при разгоне автомобиля;

. Поддержание оптимальной регулировки зазоров между торцами стержней клапанов и носками коромысел газораспределительного механизма;

. Контроль и регулировка оптимального угла опережения зажигания. Поддержание нормального зазора в контактах прерывателя.

. Повышение минимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя на 50-100 об/мин;

. Периодическая промывка системы смазки специальным промывочным маслом;

. Периодическая проверка герметичности цилиндропоршневой группы;

. Движение, по возможности, с постоянной скоростью;

. Систематическая промывка топливных и воздушного фильтров систем питания двигателя;

. Работа двигателя на средних скоростных режимах и нагрузках 60-80% от максимальной мощности;

. Добавка в бензин 3% антитоксичного изопропилового спирта;

Для дизельных двигателей

. Систематический контроль оптимального угла опережения начала подачи топлива. Он должен быть до ВМТ;

. Поддержание постоянной цикличности подачи топлива для каждого цилиндра. Допускается неравномерность подачи топлива ±5%;

. Контроль и регулировка оптимальной максимальной подачи топлива, исключающей дымный выхлоп;

. Своевременный контроль технического состояния и регулировка оптимального давления начала впрыска топлива каждой форсункой;

.Разогрев двигателя и его систем перед началом движения автомобиля до температуры не ниже 30°С и полная нагрузка двигателя при температуре охлаждающей жидкости не ниже 55°С;

. Работа двигателя на средних скоростных режимах и нагрузках 60-70% от максимальной мощности;

. Периодическая проверка герметичности цилиндропоршневой группы;

. Движение, по возможности, с постоянной скоростью;

. Своевременная промывка топливных и воздушных фильтров;

Чтобы судить о своевременном выполнении вышеуказанных мероприятий на автотранспортных предприятиях, организуется контроль за токсичностью отработавших газов с применением современных газоанализаторов.

Углубленная проверка исправного технического состояния топливных систем двигателей обычно проводится 2 раза в год. При этом проверяют:

· производительность топливных жиклеров;

· износ деталей привода ускорительного насоса и его производительность;

-   систему балансировки поплавковой камеры.

Хорошая взаимосвязь системы холостого хода карбюратора и главной дозирующей системы обеспечивают автомобилю хорошие ходовые качества.

При техническом обследовании технического состояния карбюратора и воздушного фильтра проверяют в первую очередь, т.е, контролируют: - состояние системы холостого хода;

- положение винта минимального открытия дросселя;

- минимальные обороты холостого хода и содержание СО в отработавших газах. Затем проверяют техническое состояние аккумуляторных батарей и системы зажигания.

У дизельных двигателей в первую очередь определяется техническое состояние топливной системы. То есть проверяется исправность топливной аппаратуры (форсунок, топливных насосов). Обращается также внимание на техническое состояние воздухоочистителя, топливных фильтров и их герметичность.

Кроме того, автомобили с дизельными двигателями проверяются на дымность при техническом обслуживании и при проведении годовых технических осмотров.

Основные направления, мероприятия, методы и средства по снижению токсичности и дымности отработавших газов:

1. Новые схемы двигателя:

· с турбокомпаундированием;

· с утилизацией теплоты в цикле Ренкина-Стирлинга;

· комбинированные;

· газотурбинные;

· аксиальные;

· двухтактные;

-   электрические.

2. Совершенствование рабочего процесса:

· оптимизация камеры сгорания;

· оптимизация параметров топливоподачи;

· улучшение наполнения цилиндров;

· оптимизация структуры воздушного вихря;

· оптимизация фаз газораспределения;

· разработка малотоксичных рабочих процессов;

· теплоизоляция камеры сгорания;

· предварительная физико-химическая обработка топлива, воздушного заряда, рабочей смеси;

· совершенствование систем турбонадува;

· совершенствование систем впуска и выпуска.

3. Совершенствование конструкции и технологии изготовления ДВС:

· снижение механических потерь;

· утилизация теплоты отработавших газов;

· ужесточение допусков;

· оптимизация степени сжатия;

· совершенствование систем теплоподачи;

· совершенствование узлов и деталей дизеля;

· совершенствование систем охлаждения и смазывания;

· создание электронных систем управления.

4. Разработка средств и методов снижения токсичности и дымности ДВС:

-   воздействие на рабочий процесс:

· регуляция отработавших газов;

· впрыскивание воды, присадки и эмульсии;

-   устанавливаемых в системе выпуска:

· каталитические или жидкостные катализаторы,

· фильтры, термореакторы;

· прочие устройства;

· комбинированные системы очистки отработавших газов;

· химические поглотители.

5. Применение альтернативных топлив и масел:

· жидкие топлива;

· водород;

· сжатый газ (природный, синтетический и др.);

· сжиженный газ (природный, синтетический и др.);

· антидымные присадки;

· масла;

· смеси топлив, масел и присадок;

· метанол, этанол;

· подсолнечное, рапсовое масла.

6. Технологическое обеспечение, эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт:

· обкатка;

· ремонт;

· диагностика;

· эксплуатация;

· обслуживание;

· -хранение;

· повышение качества моторных масел.

· 7. Комбинированные методы и средства:

· гаражные навесные системы очистки отработавших газов;

· стационарные системы очистки отработавших газов;

· малотоксичные режимы обкатки;

-   оптимальная организация движения;

- оптимизация транспортных потоков.

Наличие в транспортном потоке автотранспортных средств с различными эксплуатационными свойствами приводит к возрастанию неравномерности движения и расхода топлива. С ростом загрузки магистралей, естественно, возрастают и выбросы отработавших газов. Создание однородных потоков возможно дифференцированием полос движения для легковых и грузовых автотранспортных средств, выделением магистралей для пассажирского и грузового движения, выделением отдельных полос для маршрутного пассажирского транспорта, специализацией полос при подходе к пересечению по дальнейшему направлению движения.

Воздействие на скоростной режим транспортного потока также дает положительный эффект по снижению токсичных выбросов двигателей внутреннего сгорания.

Снизить вредные выбросы автотранспортных средств можно путем внедрения автоматизированных систем управления движением (АСУД). Внедрение АСУД способствует снижению числа задерживаемых транспортных средств и времени их задержки у перекрестка, уменьшением неравномерности движения на перегонах магистралей.

 

    4.2 Альтернативные виды топлива

 

Специалисты разных стран ведут исследования в области применения новых видов топлива и источников энергии на автомобильных транспортах. Это связано со значительным ростом численности автотранспортных средств и все большим загрязнением окружающей среды окружающей среды.

К наиболее эффективным и перспективнымвидам моторного топлива следует отнести природный газ, водород, пропан-бутановую смесь, метанол и др.

Перспективное автомобильное топливо - это любой химический источник энергии, использование которого в традиционных или разрабатываемых автомобильных двигателях позволяет в какой-то степени решить энергетическую проблему и уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. Исходя из этого формулируются пять основных условий перспективности новых источников энергии:

· наличие достаточных энергосырьевых ресурсов;

· возможность массового производства;

· технологическая и энергетическая совместимость с

· транспортными силовыми установками;

· приемлемые токсичные и экономические показатели

· процесса использования энергии;

- безопасность и безвредность эксплуатации.

Существует несколько различных классификаций перспективных автомобильных топлив. Большой практический интерес представляет энергетическая классификация, в основу которой положена калорийность традиционного жидкого углеродного топлива.

У традиционного жидкого углеводородного топлива самая высокая энергоплотность, поэтому автомобиль, работающий на нем, имеет небольшие размеры и массу топливного бака и топливной аппаратуры и не требует сложной системы заправки и хранения топлива. Углеводородные газы и водород обладают более высокой массовой энергоемкостью, но из-за малой плотности у них значительно худшие объемные энергетические показатели. Поэтому использование этих топлив возможно только в сжатом или сжиженном состоянии, что в ряде случаев значительно усложняет конструкцию автомобиля.

Водородное топливо.Большие надежды возлагаются на водородное топливо как на топливо будущего. Обусловлено это его высокими энергетическими показателями, отсутствием большинства токсичных веществ в продуктах сгорания и практически неограниченной сырьевой базой. Именно с водородом связывают перспективное развитие энергетики.

По массовой энергоемкости водород превосходит углеводородные топлива примерно в 3 раза; спирты - в 5-6 раз. Но из-за очень малой плотности его энергоплотность низка. Водород обладает рядом свойств, сильно затрудняющих его использование: сжижается при 24К; обладает высокой диффузионной способностью; предъявляет повышенные требования к контактирующим материалам, взрывоопасен. Однако несмотря на это, ученые многих стран ведут работы по созданию автомобилей, работающих на водородном топливе. Многочисленные схемы возможного его применения в автомобиле делятся на две группы: водород как основное топливо и как добавки к современным моторным топливам. Основной трудностью при использовании водорода в сжиженном состоянии является его низкая температура. Обычно жидкий водород транспортируется в криогенных резервуарах с двойными стенками, пространство между которыми заполнено изоляцией. Для безопасной эксплуатации жидкого водорода необходимы полная герметизация топливоподающей системы и обеспечение сброса избыточного давления.

Водородная технология, водородная энергетика - о них говорят все настойчивее по той причине, что этот химический элемент - основа единственного известного сегодня топлива, не образующего при сгорании пресловутого угарного газа и потому экологически наименее вредного. К тому же запасы его в природе практически неисчерпаемы. Вот почему уже много лет предпринимаются попытки использовать водород для двигателей внутреннего сгорания. В этом направлении еще в 30-е годы работали Московский автомеханический институт, МГТУ имени Баумана и ряд других институтов.

Во время Великой Отечественной войны идею водородного топлива практически применили для автомобилей в войсках противовоздушной обороны на Ленинградском фронте.

В послевоенные годы академик Е. А. Чудаков и профессор И. Л. Варшавский использовали водород для питания одноцилиндрового двигателя в Автомобильной лаборатории АН СССР. Занимались этой проблемой академик В. В. Струминский и другие исследователи. Однако эксперименты тогда не получили широкого размаха. Они стали более актуальными и возобновились позднее. Только в США к 1976г. по этой теме вели исследования 15 экспериментально-конструкторских групп, которые создали 42 разновидности «водородных» двигателей. Аналогичные поиски развернуты учеными ФРГ и Японии.

Столь большой интерес к водороду как к топливу объясняется не только его преимуществами экологического характера, но и физико-химическими свойствами: теплота сгорания у него втрое выше, чем у нефтепродуктов, воспламеняемость смеси с воздухом имеет широкие пределы, водород обладает высокой скоростью распространения пламени и низкой энергией воспламенения - в 10-12 раз ниже, чем бензин.

В нашей стране обширные работы по использованию водорода для автомобильных двигателей активно ведут многие научные центры.

Метод получения этого химического элемента с применением так называемых энергоаккумулирующих веществ детально разработан Институтом проблем машиностроения АН Украины, который проводит также фундаментальные исследования процессов сгорания водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесей, разрабатывает принципиальные схемы силовой установки автомобиля при различных методах хранения нового горючего на борту.

Водород как моторное топливо имеет некоторые особенности, обусловленные его свойствами. Широкие пределы воспламеняемости позволяют лучше регулировать протекание рабочего процесса двигателя. В результате удается повысить экономичность при частичных нагрузках - режиме, в котором автомобильный двигатель «живет» довольно долго. Теплотворность однородной смеси водорода с воздухом ниже, чем у бензина. Поэтому мощность двигателя на водороде в большей степени, чем при использовании бензина, зависит от способа смесеобразования.

Исследования детонационной стойкости бензоводородовоздушных и водородовоздушных смесей показали, что их склонность к детонации в значительной степени зависит от коэффициента избытка воздуха. И в этом отношении при использовании водорода в качестве топлива выявлены иные закономерности, чем для бензина. Изучение работы двигателей на водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесях показало высокую стабильность рабочего процесса. Сравнивая пределы изменения оптимального угла опережения зажигания при работе на водороде и бензине, можно заметить, что в первом случае он существенно зависит от коэффициента избытка воздуха. При обогащении смеси наивыгоднейший угол опережения зажигания значительно уменьшается. Поэтому при работе на водороде двигателю нужны иные регулировки этого параметра.

Наконец, при сгорании водорода отработавшие газы не содержат таких вредных компонентов, как СО, углеводороды, РЬО. Остается только один токсичный компонент в выхлопе - NО (и то в меньших количествах, чем при работе на бензине). При использовании водорода в качестве добавки содержание вредных компонентов резко сокращается благодаря полноте сгорания. Кроме того, уменьшается необходимость использования вредных антидетонационных свинцовых присадок к бензинам.

Эксперименты показали, что двигатели внутреннего сгорания могут с успехом работать как на чистом водороде, так и на смеси его с парами бензина. Любопытно, что уже 10-процентная добавка (от массы расходуемого топлива) водорода может оказать существенное влияние, снижая токсичность отработавших газов и улучшая экономические показатели. Она намного расширяет пределы воспламеняемости смеси, что создает условия для эффективного регулирования процесса сгорания. Практически это означает возможность устойчивой работы на очень бедных бензоводородовоздушных смесях с большим коэффициентом избытка воздуха, чем обеспечивается значительная экономия бензина. Учитывая то обстоятельство, что двигатель в городских условиях до 30% времени работает на холостом ходу или режимах неполной нагрузки, можно представить себе, какие экономические выгоды несет использование водорода. А работа двигателя при высоких коэффициентах избытка воздуха сопровождается почти полным сгоранием смеси, и, следовательно, в отработавших газах нет токсичных компонентов. В Институте проблем машиностроения АН Украины уже разработаны автомобильные силовые установки, действующие на водородном топливе. Для них водород получают из воды (с применением энергоаккумулирующих веществ, в основе которых лежат окислы металлов), а также из гидридов - веществ, способных при охлаждении поглощать водород, а при нагревании - отдавать его.

Связывать водород гидридами необходимо в интересах безопасности, так как при утечках из баллонов он образует, смешиваясь с воздухом, взрывчатую смесь, которая легко воспламеняется (вспомните частые аварии дирижаблей с емкостями, заполненными водородом). Но важнее тот факт, что гидриды являются более рациональным методом хранения водорода на борту автомобиля по объемным показателям.

Общая схема силовой установки топлива: водородное топливо, получаемое в результате взаимодействия энергоаккумулирующих веществ с водой, подается системой питания в двигатель. Мощность двигателя регулируется компонентами, подаваемыми в реактор для освобождения связанного водорода.

Силовая установка может быть выполнена как по открытому, так и закрытому циклу. В первом случае на борту автомобиля размещаются только емкости для энергоаккумулирующих веществ и воды, а продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. При замкнутом цикле дополнительно вводятся теплообменник и конденсатор, позволяющие использовать пары воды из выхлопных газов. Поступающая в реактор с энергоаккумулирующими веществами вода снова служит источником для получения водорода. Так при замкнутом цикле «носителем» топлива служит вода, а энергией - энергоаккумулирующие вещества. Водородное топливо при обоих циклах может использоваться в чистом виде или в качестве добавок (5-10% по массе). В последнем случае на машине сохраняется система питания бензином. «Извлечение» водорода из воды происходит в реакторе, содержащем энергоаккумулирующие вещества. Наиболее простым является реактор постоянного действия, в котором давление поддерживается регулировкой подачи компонентов в зону реакции.

Процесс получения в нем топлива происходит не мгновенно, т. е. он обладает некой инерцией. Выделяющийся в реакторе водород поэтому должен поступать к мотору через редуктор-регулятор, поддерживающий оптимальное давление перед форсунками подачи.

По разработанным методикам для испытаний с применением энергоаккумулирующих веществ на основе оксидов металлов, а также с использованием гидридов были апробированы серийные легковые автомобили «Москвич» и «ВАЗ».

Первый эксперимент (применение энергоаккумулирующих веществ - автомобиль «Москвич») - система питания бензином оставлена без изменения. На машине смонтированы два реактора 1, обеспечивающие получение водорода из воды, и редуктор 5, предназначенный для дозирования подачи топлива на разных режимах работы двигателя.

Реакторы периодического действия имеют постоянную загрузку энергоаккумулирующих веществ на основе кремния или алюминия с регулируемой подачей воды. Насосы высокого давления 4, приводимые электродвигателем, подают воду из бака через подогреватель и фильтр к реактору, где ее распыляют форсунки. В водяной системе установлены обратные клапаны, предотвращающие проникновение туда водорода при прекращении подачи воды. Кроме того, в ней предусмотрен кран 3, который переключает подачу воды с одного реактора на другой. Все агрегаты этой экспериментальной установки смонтированы на общей раме и помещены в багажнике.

 

Рис. 3.

Установка с применением энергоаккумулирующих веществ для питания двигателя водородом: 1 - реакторы периодического действия; 2 - бак для воды; 3 - кран подачи воды в реактор; 4 - блок насосов с электроприводом; 5 - редуктор в системе подачи водорода

 

Водород от реакторов поступает к крану, установленному на приборной панели, которым водитель соединяет работающий реактор 1 с системой подачи водорода. Последняя состоит из понижающего редуктора, влагоотделителя, газового счетчика и редуктора регулирования подачи водорода (управляется специальной педалью). Топливо вводится во впускной трубопровод, непосредственно перед впускным клапаном.

Для работы на водороде, получаемом из гидридов, система питания бензином также сохранена и дополнительно установлена система хранения и подачи водорода (автомобиль «ВАЗ»). Она состоит из гидридного бака 1, нагреваемого отработавшими газами, редуктора со всережимным вакуумным регулятором 9 расхода водорода и смесителя 8, сделанного на базе серийного карбюратора. Скорость выделения водорода гидридом система регулирует автоматически (блок управления 10, реле давления 2, заслонка с электромагнитным приводом 7 на выпускной трубе), поддерживает постоянным, независимо от режима двигателя, давление водорода в системе. Гидридный бак при зарядке охлаждается водой.

 

Рис. 4.

Установка с применением гидридов: 1 - гидридный бак; 2 - реле давления; 3 - вентиль заправки; 4 - выхлопной патрубок гидридного бака; 5 - глушитель; 6 - бензиновый бак; 7 - электромагнитный привод заслонки; 8 - смеситель; 9 - регупятор давления и расхода водорода; 10 - блок электронного управления

 

Применение водорода в качестве дополнительного топлива для карбюраторных двигателей открывает возможность принципиально нового подхода к организации рабочего процесса. При минимальной модификации двигателя, касающейся в основном системы питания, можно достичь значительного повышения его топливной экономичности (эксплуатационный расход бензина снижается на 35-40%) и уменьшить токсичность отработавших газов.

 

Таблица 13