8.4 Альтернативні двигуни

На поліпшення екологічних показників транспортних засобів великий вплив має тип застосовуваного двигуна. Альтернативою карбюраторному двигуну є дизельний як більш економічний і менш токсичний.

В табл. 8.4 наведене порівняння токсичності відпрацьованих газів в карбюраторних двигунах і дизельних.

Аналіз даних, наведених в таблиці 8.4, показує, що дизельний двигун виділяє значно менше окису вуглецю і вуглеводнів. В його відпрацьованих газах міститься навіть менше окислів азоту, якщо за цим компонентом його порівнювати з бензиновими двигунами з особливо великим ступенем стиску. Проте великими недоліками дизелів є димність, неприємний запах і більш високий рівень шуму. Дизельні двигуни викидають в більшій кількості сажу, яка в чистому вигляді нетоксична. Проте частинки сажі, маючи високу адсорбційну властивість, несуть на своїй поверхні частинки токсичних речовин, в тому числі і канцерогенних. Сажа може довгий час знаходитися в завислому стані в повітрі, збільшуючи цим час дії токсичних речовин на людину.

Таблиця 8.4 – Токсичність вихлопних газів у карбюраторних і дизельних двигунах

Компоненти	Вміст компонента, загальні частки, %
	карбюраторні ДВЗ	дизельні ДВЗ
N2	74 ÷ 77	76 ÷ 78
O2	0,3 ÷ 8	2 ÷ 18
H2O (пари)	3,0 ÷ 5,5	0,5 ÷ 40	нетоксичні
CO2	5,0 ÷ 12,0	1,0 ÷ 10,0
H2	0 ÷ 5,0	-
CO	0,5 ÷ 12,0	0,01 ÷ 0,50
(NOx в перерахун-ку на N2O5)	до 0,8	0,0002 ÷ 0,5
CnHm	0,2 ÷ 3,0	0,009 ÷ 0,5	токсичні
Альдегіди	до 0,2 мг/л	0,001 ÷ 0,09 мг/л
Сажа	0 ÷ 0,04 г/м3	0,01 ÷ 1,1 г/м3
Бензапірен	10 ÷ 20 мкг/м3	до 10 мкг/м3

Склад відпрацьованих газів ДВЗ залежить від режиму роботи двигуна. У двигуна, який працює на бензині, при неусталених режимах (розгін, гальмування) порушуються процеси утворення суміші, що сприяє підвищеному виділенню токсичних продуктів. В дизельних двигунах зі зменшенням навантаження склад горючої суміші збіднюється, тому вміст токсичних компонентів у відпрацьованих газах при малому навантаженні зменшується. Вміст СО і C_nH_m збільшується при роботі в режимі максимального навантаження.

Незважаючи на деякі недоліки, можливість працювати на більш дешевому паливі, більш висока теплова економічність (експлуатаційний ККД дизелів 30...35% замість 20...25% у карбюраторних двигунів), можливість одержання відносно великих потужностей визначили дизелю домінуюче положення у світовому вантажному автомобільному парку і парку автобусів. В наш час перевага надається випуску також легкових автомобілів з дизельними двигунами.

У Німеччині, Японії, Франції і Росії розроблені і виготовлені роторні двигуни. Це – бензиновий двигун, який має принципово іншу конструкцію основного силового агрегату. У роторного двигуна немає циліндрів і шатунно-кривошипної групи. Замість поршнів з їх зворотно поступальним рухом він має обертовий ротор, який передає обертальний момент через зубчасту передачу.

Не розбираючи докладно конструктивні та техніко-економічні характеристики цього двигуна (менша маса, компактність, високооборотність, велика питома потужність на одиницю маси, простота виробництва, відсутність вібрації, здатність працювати на паливі з низьким октановим числом тощо), відмітимо, що він дає трохи менший токсич­ний вихлоп внаслідок меншого вмісту окислів азоту. В зв’язку з конструктивними особливостями і компактністю роторний двигун полегшує встановлення додаткових приладів для очищення відпрацьованих газів і поліпшує протікання реакції в них завдяки вищій температурі відпрацьованих газів (незважаючи на нижчу температуру згорання).

Протягом останніх 40...45 років проводяться дослідження і експериментальне конструювання газотурбінних двигунів для автомобілів. Відмічаються такі переваги цих двигунів, як малий шум, відсутність вібрації, можливість працювати без системи водяного охолодження і достатньо чисті відпрацьовані гази.

Вимоги зберегти в чистоті повітряний басейн змусили деяких конструкторів знову повернутися до майже забутої ідеї створення парового автомобіля. В США, Японії, Австралії та ряді європейських країн зроблені спроби створити зразки сучасних парових автомобілів різних категорій. Конструкція їх включає водотрубний парогенератор, двигун – парову машину високого тиску, допоміжну машину низького тиску (для приведення в дію водяного насоса та вентилятора радіатора) і допоміжне обладнання.

Сам по собі паровий двигун екологічно абсолютно чистий. Він або дає вихлоп водяної пари, або не дає ніякого вихлопу, якщо робочий цикл замкнутий і відпрацьований пар конденсується, а потім у вигляді води знову надходить у котел. Але атмосфера забруднюється відпрацьованими газами пальника (топки) котла. Токсичність відпрацьованих газів при гасовому чи дизельному паливі значно нижча, ніж у дизелів.

В наш час відродилася цікавість до двигуна зовнішнього згорання, ідея якого була запропонована Р. Стирлінгом ще в 1816 р. Використовуючи цю ідею, інженери голландської фірми „Філіпс” після 20 років праці створили цілком роботоздатну конструкцію двигуна Стирлінга.

Сучасний двигун зовнішнього згорання – це герметично закритий циліндр, заповнений над поршнем стиснутим гелієм або воднем. При згорянні палива газ через стінку циліндра нагрівається і опускає поршень. Відпрацьований газ направляється в камеру охолодження, а поршень повертається в початкове положення. Після цього порція холодного газу надходить в камеру розширення (над поршнем) для нагрівання і робочого ходу.

Крім високого ККД, рівного 35...40% і більше, двигун зовнішнього згорання може працювати на будь-якому паливі та дає мінімальне забруднення повітря окислом вуглецю і вуглеводнями, оскільки пальник працює в стабільному режимі з оптимальними співвідношеннями палива і повітря. Він практично безшумний.

Інерційний двигун (маховик) – найстародавніший двигун, тому що гончарний круг, якому більше 5 тис. років, фактично є маховиком. Більше 100 років назад російський інженер В. І. Шубарський дослідив можливості маховика як транспортного двигуна. Проте ця ідея була реалізована в середині XX ст. В цей період в Швейцарії були виготовлені міські „жиробуси”. В США розроблений і випущений в кінці 70-х років оригінальний легковий автомобіль.

Основою двигуна на цих машинах є маховик, який перед початком руху розкручується до 3000...15000 об/хв від зовнішньої електромережі. Потужність маховика передається тяговому електродвигуну, а потім на ведучі передні колеса. Після витрачання енергії на 60% проводиться повторне підзарядження.

Великою превагою маховика є його екологічна чистота, практична безшумність і високий ККД.

Електричний двигун. В наш час головні зусилля вчених і конструкторів направлені на те, щоб, використовуючи існуючі типи джерел струму, шляхом їх удосконалення створити і передати в експлуатацію електромобілі, екологічно і технічно здатні конкурувати зі звичайними автомобілями. Наступні етапи розвитку електромобілів пов’язують з їх серійним і масовим виробництвом і поступовим збільшенням частки в автомобільному парку.

Електромобіль – ідеальний автомобіль для міста. Він нетоксичний, невогненебезпечний, малошумний, легко керується, його двигун здатний до короткочасних перевантажень і має хорошу тягову характеристику. Електромобіль не потребує складних трансмісій і багатьох систем, характерних для звичайного сучасного автомобіля.