17.2. Зниження викидів двигунів внутрішнього згорання
Підвищення екологічних показників автомобіля можливе за рахунок проведення комплексу заходів щодо вдосконалення його конструкції і режиму експлуатації. До поліпшення екологічних показників автомобіля призводять: підвищення його економічності; заміна бензинових ДВЗ на дизельні; переведення ДВЗ на використання альтернативних видів палива (стислий або зріджений газ, етанол, метанол, водень і ін.); застосування нейтралізаторів відпрацьованих газів ДВЗ; вдосконалення режиму роботи ДВЗ і технічного обслуговування автомобіля.
Відомі і застосовуються ряд методів зниження токсичності вихлопних газів. Серед них робота автомобіля в умовах, коли двигун виділяє найменшу кількість токсичних речовин (зменшення гальмування, рівномірний рух з певною швидкістю і т.д.); застосування спеціальних присадок до палива, що збільшують повноту його згорання і зменшують викид СО (спирти, інші сполуки); полуменеве допалювання деяких шкідливих компонентів.
У карбюраторних двигунах співвідношення між повітрям і паливом впливає на вміст вуглеводнів і оксиду вуглецю у вихлопі. Так, наприклад, викиди збільшуються при збільшенні збагачення суміші. Вміст СО збільшується через неповне згорання, викликане нестачею кисню в суміші. Збільшення вмісту вуглеводнів викликане в першу чергу збільшенням адсорбції палива і посилення механізму неповного згорання палива. Бідні суміші створюють нижчі концентрації СnНm і СО у викиді в результаті їх повнішого згорання.
У дизельних двигунах потужність змінюється при зміні кількості вприскуваного палива. В результаті змінюється розподіл струменя палива, кількість палива, що вдаряється об стінку, тиск в циліндрі, температура, а також тривалість вприскування.
Фахівці вважають, що для помітного зниження шкідливих викидів необхідно скоротити використання бензину з 8 літрів на 100 км пробігу − до 2...3 л. Це вимагає вдосконалення будови двигуна і якості пального; переходу на неетилований бензин; застосування каталітичного допалювання для зменшення викиду СО; впровадження електронної системи управління процесів горіння палива; і інші заходи, зокрема використання глушників шуму в системі вихлопу.
Підвищення паливної економічності автомобіля досягається головним чином за рахунок вдосконалення процесу згорання в ДВЗ: пошарове спалювання палива; форкамерно-факельне спалювання; застосування підігріву і випаровування палива у впускному тракті; використання електронного запалення. Додатковими резервами підвищення економічності автомобіля є:
зниження маси автомобіля за рахунок удосконалення його конструкції і застосування неметалічних і високоміцних матеріалів;
покращення аеродинамічних показників кузова (останні моделі легкових автомобілів володіють, як правило, на 30...40% меншим коефіцієнтом лобового опору);
зниження опору повітряних фільтрів і глушників, відключення допоміжних агрегатів, наприклад вентилятора і т.п.;
зниження маси палива (неповне заповнення баків), що перевозиться, і маси інструментів.
Сучасні моделі легкових автомобілів істотно відрізняються паливною економічністю від попередніх моделей.
Перспективні марки легкових автомобілів володітимуть витратою бензину 3,5 л/100 км і менше. Підвищення економічності автобусів і вантажних автомобілів досягається перш за все застосуванням дизельних ДВЗ. Вони володіють екологічними перевагами в порівнянні з бензиновими ДВЗ, оскільки мають меншу на 25...30% питому витрату палива; крім того, склад відпрацьованих газів у дизельного ДВЗ менш токсичний (див. табл. 17.1).
Екологічними перевагами в порівнянні з бензиновими ДВЗ володіють двигуни, що працюють на альтернативних видах палива. Загальне уявлення про зниження токсичності ДВЗ при переході на альтернативне паливо можна отримати з даних, приведених в табл. 17.2.
Багато учених бачать часткове вирішення екологічної проблеми в переведенні автомобілів на газоподібне пальне. Так, вміст окису вуглецю у вихлопах газомобілів менший на 25...40%; окиси азоту на 25...30%; сажі на 40...50%. При використанні в автомобільних двигунах зрідженого або стислого газу вихлопні гази майже не містять оксиду вуглецю. Вирішенням проблеми стало б широке використання електромобіля. Електромобілі, що випускаються, мають обмежений радіус дії внаслідок обмеженої ємності і великої маси батарей. Зараз ведуться широкі дослідження в цій області. Деякі позитивні результати вже досягнуті. Зниження токсичності викидів може бути досягнуте зменшенням вмісту сполук свинцю в бензині без погіршення його енергетичних якостей.
Таблиця 17.2
Токсичність викидів ДВЗ, що працюють на різних видах пального
Паливо |
Викиди, % |
|
СО |
NOx |
|
Бензин |
100 |
100 |
Природний газ |
60 |
74 |
Метанол |
50 |
55 |
Переведення на газове пальне не передбачає значних змін в конструкції ДВЗ, проте стримується відсутністю станцій заправки і необхідної кількості автомобілів, переобладнаних для роботи на газу. Крім того, автомобіль, переобладнаний для роботи на газовому пальному, втрачає вантажопідйомність через наявність балонів і запас ходу приблизно в 2 рази (200 км проти 400...500 км у бензинового автомобіля). Ці недоліки частково усунені при переведенні автомобіля на зріджений природний газ.
Використання метанолу і етанолу вимагає змін конструкції ДВЗ, тому, що спирти більш хімічно активні до гум, полімерів, мідних сплавів. У конструкцію ДВЗ необхідно вводити додатковий підігрівач для запуску двигуна в холодний період року (при t<-25°С); необхідна виконати перерегулювання карбюратора, оскільки змінюється стехіометричне відношення витрати повітря до витрати палива. У бензинових ДВЗ воно рівне 14,7; у двигунів на метанолі − 6,45, а на етанолі − 9. За кордоном (Бразилія) застосовують суміші бензину і етанолу в пропорції 12:10, що дозволяє використовувати бензинові ДВЗ з незначними змінами їх конструкції, дещо підвищуючи при цьому екологічні показники двигуна.
Не дивлячись на те, що викиди токсичних речовин (СnНm і СО) з картера і паливної системи двигуна принаймні на порядок нижчі за викиди вихлопних газів, на сьогоднішній день розробляються методи спалювання газів картерів ДВЗ. Відома замкнута схема нейтралізації газів картерів з подачею їх у впускний трубопровід двигуна з подальшим допалюванням. Замкнута система вентиляції картера з поверненням газів картерів до карбюратора зменшує виділення в атмосферу вуглеводнів на 10...30%, оксидів азоту на 5...25%, але при цьому збільшується викид оксиду вуглецю на 10...35%. При поверненні газів картерів після карбюратора знижується викид CnHm на 10...40%, СО на 10...25%, але зростає викид NOx на 10....40%.
Для запобігання викидам пари бензину з паливної системи, основна частина яких надходить в атмосферу, коли двигун не працює, на автомобілях встановлюють систему знешкодження випаровувань пального з карбюратора і паливного бака, що складається з трьох основних вузлів (рис. 17.1): герметичного паливного бака 1 із спеціальною ємкістю 2 для компенсації теплового розширення пального; кришки 3 паливно-заправна горловина бака з двостороннім запобіжним клапаном для запобігання надмірному тиску або розрідженню в баку; адсорбера 4 для поглинання пари пального при вимкненому двигуні із системою повернення пари у впускний тракт двигуна під час його роботи. Як адсорбент використовують активоване вугілля.
Рис. 17.1. Схема вловлення пари пального бензинового ДВЗ
Дотримання регламенту технічного обслуговування і контроль складу відпрацьованих газів ДВЗ дозволяє значно скоротити токсичні викиди в атмосферу. Відомо, що при 160 тис. км пробігу і за відсутності контролю викиди СО зростають в 3,3 рази, а СnНm − в 2,5 рази.