3. Конструкторско-технические мероприятия
Направлены на улучшение экологических показателей транспортных средств и сокращение выбросов вредных веществ от стационарных источников.
Конструкторско-технические мероприятия, осуществляемые на подвижном составе, группируются по направлениям:
1) повышения экономичности двигателей;
2) снижения массы конструкции;
3) уменьшения сопротивления движению;
4) снижения токсичности отработавших газов;
5) использования экологически более чистых видов топлива;
6) применения комбинированных источников энергии.
Повышение экономичности двигателей достигается совершенствованием их конструкции и позволяет сократить потребление топлива и, соответственно, снизить выбросы загрязняющих веществ. Одновременно обеспечивается сбережение топливно-энергетических ресурсов, что является еще одной важной экологической задачей. Основой сокращения расхода топлива и выброса вредных веществ является улучшение процесса сгорания в двигателях транспортных средств.
Снижение расхода топлива имеет большое значение в первую очередь для грузовых автомобилей с карбюраторными двигателями большого рабочего объема. Применение на этих двигателях вихревого движения рабочей смеси, улучшающего качество смесеобразования и распределения по цилиндрам, способствует снижению расхода топлива на 5-6 %.
Улучшение рабочего процесса двигателя достигается применением различных устройств в карбюраторе, например, экономайзеры принудительного холостого хода снижают расход топлива на 2 %. Почти все современные карбюраторы оснащены автоматами пуска и прогрева, точное соблюдение температурного режима при пуске и прогреве двигателя способствует снижению расхода топлива.
На некоторых моделях автомобилей, в основном отечественного производства, используются двигатели с форкамерно-факельным зажиганием. При этом способе зажигания обедненная рабочая смесь в камере сгорания двигателя воспламеняется от факела продуктов неполного сгорания, выбрасываемых через сопловые отверстия из дополнительной камеры (форкамеры) малого объема. Это позволяет снизить расход топлива на 8-10 %, содержание оксидов азота и углеводородов в отработавших газах.
В современных условиях наилучшим техническим решением остается применение электронных систем впрыска топлива с точным дозированием топлива по отдельным цилиндрам на всех режимах работы двигателя. Применение таких систем также позволяет снизить расход топлива на 8-10 %.
Дизельный двигатель экономичнее карбюраторного на 20-30 %, токсичность отработавших газов дизеля значительно ниже, поэтому их широко применяют на большегрузных автомобилях, автобусах. Система питания дизельного двигателя обеспечивает более точное дозирование топлива по сравнению с карбюраторными двигателями при различных режимах работы, что наряду с высоким коэффициентом избытка воздуха и высокой степенью сжатия способствует боле полному сгоранию топлива в цилиндрах двигателя и снижению токсичности выбросов (табл. 1).
Высокая топливная экономичность может быть достигнута при использовании и дизельно-газовых двигателей, способных работать попеременно как на дизельном, так и на газовом топливе. Газодизельный двигатель не уступает по мощности дизелю и позволяет экономить в эксплуатации до 80 % дизельного топлива.
Таблица 1
Структура токсичных компонентов при сжигании 1 кг топлива
Основные компоненты отработавших газов |
Карбюраторный двигатель |
Дизельный двигатель |
||
г |
% |
г |
% |
|
Оксид углерода |
225 |
73,8 |
25 |
25,5 |
Оксиды азота |
55 |
18,1 |
38 |
38,8 |
Углеводороды |
20 |
6,6 |
8 |
8,2 |
Оксиды серы |
2 |
0,7 |
21 |
21,4 |
Альдегиды |
1 |
0,3 |
1 |
1,0 |
Сажа |
1,5 |
0,5 |
5 |
5,1 |
Итого |
304,5 |
100,0 |
98 |
100,0 |
Снижение массы конструкции транспортных средств может осуществляться за счет изменения конструкции агрегатов, совершенствования технологических процессов изготовления автомобилей и замены материалов на более легкие. Важность этого направления подтверждается таким примером: на каждую дополнительную тонну снаряженной массы автомобиля расходуется на 100 км пути 2,5 л бензина или 1,6 л дизельного топлива. Снижение собственной массы автомобиля дает экономию энергоресурсов на 8-10 %.
Уменьшение сопротивления движению является важным условием сокращения расхода топлива. Для автомобилей это направление определяется правильным выбором передаточных чисел главной передачи и коробки передач. С увеличением числа передач, применяемых на грузовых автомобилях, возрастают трудности в выборе оптимальной передачи при изменении условий движения, поэтому наблюдается перерасход топлива. Требуется разработка специальных автоматических приборов, сигнализирующих о необходимости включения нужной передачи, что повысит экономичность автомобилей.
При движении с высокой скоростью значительная часть энергии затрачивается на преодоление сопротивления движению в воздушной или водной среде. Эти затраты в воздушной среде прямо пропорциональны квадрату скорости и определяются фактором обтекаемости. Аэродинамические свойства автомобилей повышаются за счет придания обтекаемой формы, правильного расположения груза, установки специальных обтекателей (дефлекторов) на крыше кабины грузового автомобиля, что приводит, в конечном счете, к снижению расхода топлива.
Снижение токсичности отработавших газов достигается рядом технических решений, которые включают установку нейтрализаторов выхлопных газов, фильтров, присадок к топливу.
Системы нейтрализации отработавших газов применяются как дополнительное оборудование, которое без значительных изменений в конструкции двигателя легко встраивается в выпускной тракт двигателя. Различают следующие виды нейтрализации токсичных отработавших газов: термический, каталитический, жидкостный и комбинированный. В самостоятельную группу выделяют способы удаления из газов твердых частиц (сажи).
Термическая нейтрализация вызывает протекание реакций окисления оксида углерода и углеводородов и превращения их в продукты полного сгорания ‑ углекислый газ и пар при высоких температурах.
Каталитическая нейтрализация помимо окислительных реакций предполагает использование и восстановительных ‑ для восстановления оксидов азота в исходные вещества: кислород и азот. В окислительных и восстановительных реакциях могут применяться относительно дешевые оксидные катализаторы на основе меди, марганца, никеля, хрома, но они обладают малой долговечностью и эффективностью. Поэтому распространение получили платино - палладиевые катализаторы.
Жидкостные нейтрализаторы основаны на растворении или химическом связывании токсичных компонентов при пропускании отработавших газов через активную жидкость. В качестве активной жидкости могут использоваться вода и водные растворы разных веществ, в частности 10 %-й водный раствор сульфита натрия, ингибированный гидрохиноном с целью замедления окисления сульфита натрия кислородом воздуха, и 10%-й водный раствор двууглекислой соды.
В отличие от термического и каталитического нейтрализаторов жидкостный не требует времени для перехода в рабочее состояние после пуска холодного двигателя. Недостатком жидкостного нейтрализатора являются большие масса и габариты, а также необходимость частой смены рабочего раствора.
Оборудование системы выпуска двигателей внутреннего сгорания фильтрами и специальными улавливателями способствует задержанию твердых частиц отработавших газов.
Применение присадок к топливу оказывает заметное влияние на процесс сгорания в дизелях и качество отработавших газов. По характеру действия присадки к топливу подразделяют на присадки, интенсифицирующие горение, и антидымные.
Интенсификаторы горения повышают цетановое число и уменьшают количество светлого дыма, появляющегося при работе холодного двигателя. В качестве присадок могут использоваться метилацетат, ацетонпероксид, этилнитрат, изоамилнитрат и др. Их целесообразно добавлять к топливу с низким цетановым числом.
Антидымные присадки применяют для уменьшения темного дыма (сажи). Наиболее эффективны присадки, содержащие барий, метилцик-лопентадиенилтрикарбонилмарганца (МЦТМ) и тетраэтилсвинец. Эти металлосодержащие присадки практически не влияют на выделение дизельными двигателями оксида углерода, но существенно снижают выделение альдегидов, бензпирена и ускоряют выгорание сажи.
Использование экологически более чистых видов топлива на подвижном составе транспорта является радикальным средством снижения загрязнения атмосферного воздуха. С этой целью для карбюраторных и дизельных двигателей разработаны и успешно применяются системы питания, работающие на газовом топливе. В качестве газового топлива для ДВС используют сжиженный нефтяной газ (СНГ) и сжатый природный газ (СПГ).
Сжиженный нефтяной газ получают при переработке нефти как побочный продукт, состоящий в основном из пропан-бутановых фракций. Его выпуск составляет 2-3 % от выхода основной продукции при перегонке нефти. Но этого вполне достаточно для удовлетворения многих потребностей, включая потребности транспортных средств, переведенных на питание нефтяным газом. По калорийной способности нефтяной газ уступает не более чем на 3-4 % бензину, поэтому при переводе карбюраторного двигателя на газ его мощность снижается незначительно.
Сжатый природный газ в качестве основного компонента содержит метан и в небольшом количестве примеси других газов. Сжатый газ хранится в высокопрочных металлических баллонах под давлением 200 МПа. Калорийность природного газа ниже калорийности бензина на 10-15 %.
Применение СНГ и СПГ позволяет снизить токсичность отработавших газов по контролируемым веществам: оксиду углерода в 3-4 раза, оксидам азота в 1,2-2,0 раза, углеводородам в 1,2-1,4 раза.
Применение электрической энергии и комбинированных источников энергии на транспортных средствах позволяет улучшить их экологические показатели и способствует сохранению топливно-энергетических природных ресурсов.
На железнодорожном транспорте успешно используется перевод локомотивного парка на электрическую тягу. Электровозы работают на постоянном и переменном токе и практически не загрязняют атмосферный воздух.
На морских судах применяют энергоустановки, работающие от нескольких дизель-генераторов и обеспечивающие электропривод главного судового винта.
В течение многих лет создаются и испытываются экспериментальные образцы и опытные партии электромобилей, однако не созданы конструкции для серийного производства. Основным препятствием на пути широкого внедрения электромобилей является несовершенство источника энергии ‑ аккумуляторных батарей. Представляет практический интерес комбинированная энергоустановка для автомобилей ‑ сочетание буферного накопителя электроэнергии и мотор-генератора.
Конструкторско-технические мероприятия по защите водных объектов направлены на предотвращение и уменьшение последствий загрязнения водоемов, морей при функционировании транспорта. При разработке водоохранных мероприятий учитывается способность водных объектов к самоочищению, которое происходит в виде естественного процесса распада органических веществ в результате деятельности микроорганизмов. Процесс биохимического самоочищения нарушается токсичными веществами, например металлами, нефтепродуктами, что приводит к кислородному дисбалансу водоема. Поэтому технические мероприятия по борьбе с загрязнением воды должны прежде всего способствовать очистке от токсичных примесей известными методами.
Эксплуатационные мероприятия осуществляются в процессе эксплуатации транспортных средств и направлены на поддержание их технического состояния на уровне заданных экологических нормативов.
Важная роль отводится обеспыливанию дорог и аэродромов. Такая необходимость возникает на дорогах и аэродромах с гравийным, щебеночным, грунтовым покрытиями. Наиболее эффективным способом обеспыливания является нанесение на покрытия органических вяжущих материалов: вязких и жидких битумов, дегтя и смол, нефти, масел, эмульсий и других. В этом случае на поверхности дороги образуется эластичная поверхностная пленка.
Проводится работа по защите земель в полосе отвода транспортных магистралей. На землях полосы отвода железных и автодорог осуществляются лесонасаждение, рекультивация земель с подсыпкой плодородного слоя почвы.
На трубопроводном транспорте разрабатываются и осуществляются меры по ликвидации последствий утечек нефти и нефтепродуктов из трубопроводов и резервуаров. Это же относится и к утечкам газа, который создает взрывоопасные смеси с воздухом.
На стационарных источниках сокращение вредных выбросов достигается внедрением очистных сооружений.