Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• 1. Технические средства для очистки выхлопных газов автомобилей
• 2. Технология очистки выхлопных газов автомобиля
• 3. Химические методы очистки выхлопных газов автомобилей
• Список литературы
• Приложение
• 1. Технические средства для очистки выхлопных газов автомобилей
• Наиболее острой экологической проблемой больших городов является автотранспорт. Только в Москве выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами автомобилей в атмосферу достигли 1,7 млн. тонн в год. Известен ряд технических средств снижения выбросов: каталитические нейтрализаторы, конверторы, сажевые фильтры и др. Все они либо дороги, либо малоэффективны, либо не отработана технология утилизации собираемых вредных веществ.
• Наиболее удачным, простым и дешевым решением этой проблемы является "автомобильный вихревой эжекторный насадок", в котором использованы некоторые достижения в нетрадиционной аэродинамике. Насадок специальной конструкции устанавливается на выхлопную трубу автомобиля и обеспечивает более полное сгорание углеводородного топлива в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания, за счет чего увеличивается мощность двигателя на 10 - 15% и снижается расход топлива, в 1,5 - 3 раза уменьшается уровень шума выпуска выхлопных газов и в 1,5 - 2 раза снижается их токсичность.
• Принцип действия насадка основан на реализации известной из теории тепловых двигателей закономерности, связывающей коэффициент наполнения цилиндра двигателя с давлением на выходе из системы выхлопа - чем ниже это давление, тем больше наполнение цилиндров, больше мощность двигателя и ниже расход топлива.
• Насадки достаточно просты в изготовлении, может быть выполнен из любых материалов, удовлетворяющих требованиям эксплуатации автомобильной техники: нержавеющая сталь, дюралюминий, термостойкая пластмасса, композитные материалы и т.п.
• Другим решение является применение "ионизаторов". Фирма "Литекс инкорпорейтед" (США) разработала специальный ионизатор, способный с помощью высоковольтного коронного разряда ионизировать водяной пар в выхлопных газах. Получающаяся плазма существенно повышает скорость окислительных реакций в катализаторе и потому содержание СО снижается на 80%, НС, NОx - на 50%. При этом наличие серы в бензине на работоспособность устройства не влияет. Потребляет ионизатор 25 Вт, а продаваться будет по цене около 100 долларов.

2. Технология очистки выхлопных газов автомобиля

Данные технологии позволяют разделить поток выхлопных газов автомобиля на легкие и тяжелые фракции. Тяжелые фракции вторично дожигаются в камере сгорания.

Данная технология позволяет снизить содержание вредных веществ (CO, CH, SO₂) на 75% и снизить потребление топлива на 25%, за счет вторичного дожига горючей смеси.

рис. 1 - Структурная схема предлагаемого устройства по очистке выхлопных газов автомобиля

3. Химические методы очистки выхлопных газов автомобилей

В 1975-м на американских машинах впервые появился каталитический нейтрализатор в выпускном тракте. Керамическая "губка", покрытая драгоценными металлами, превращает ядовитый угарный газ в СО₂. Но устройство эффективно работает только в определенных условиях: состав рабочей смеси должен быть близок к стехиометрическому, то есть коэффициент избытка воздуха l = 0,98…1,01. Склонному к сбоям карбюратору пришлось дать отставку и вспомнить о давно придуманном, но тогда еще не нашедшем широкого применения на автомобилях впрыске топлива. Он обзавелся многочисленными датчиками, электромагнитными форсунками и, самое главное, электронными "мозгами". Именно в этом ключ к стабильности работы, поддержанию заданных параметров. И еще - в обратной связи по... составу выхлопных газов. Для этого в выпускном коллекторе устанавливают датчик кислорода (лямбда-зонд), напряжение на котором резко падает в момент перехода от богатой к бедной смеси.

В 1977-м к нейтрализатору добавили "противоазотную" секцию, а еще через пару лет объединили все в едином корпусе, дав неправильное название "трехступенчатый" нейтрализатор. На самом деле речь идет не о ступенях, а о трех подавляемых классах вредных веществ. К 1990 году нейтрализатор переехал вплотную к выпускному коллектору, чтобы быстрее нагреваться до рабочих 300°С - тем самым уменьшили вредные выбросы на стадии прогрева. Через пять лет появился мощнейший электроподогрев, приводящий нейтрализатор "в чувство" за 10 секунд. Пришлось установить дополнительную аккумуляторную батарею. В 2000 году появилась цеолитовая ловушка углеводородов (СН), задерживающая их при пуске мотора и лишь после нагрева до 220°С отдающая на "съедение" готовому к работе катализатору. Эта предложенная "Хондой" новинка позволила уже сегодня с лихвой перевыполнить даже перспективный калифорнийский стандарт SULEV (СО - 0,1 г/км, СН - 0,002 г/км!).

Совершенствуется и сам нейтрализатор. Еще недавно его губка делалась из вспененной керамики, но возможное при этом количество ячеек - около 60 на 1 см² - уже не устраивает конструкторов. Фирма "Эмитек" разработала "набивку" из тончайшей (25 мкм) металлической фольги "Алюхром" с втрое большей плотностью ячеек и гораздо меньшим сопротивлением.

Широкое использование нейтрализаторов "взорвало" мировой рынок благородных металлов: 35% потребляемой платины, 45% палладия, 90% родия идет в автомобильные выпускные системы. Здесь использует их каталитические свойства - дожигание и обезвреживание выхлопных газов.

Международная многопрофильная компания Umicore S.A. разработала новую технологию очистки выхлопных газов автомобилей, работающих на дизельном топливе. Впервые новая технология Umicore S.A. позволяет использовать в катализаторах очистки палладий.

Открытие позволит уже в ближайшее время заменить четвертую часть существующих катализаторов очистки автомобильных выхлопных газов, работающих на платине. В условиях, когда мировые цены на платину втрое выше, чем цены на палладий, производители автомобилей получат возможность применять более гибкие методы для снижения производственных затрат. На данный момент обычным решением по данной проблеме является применение каталитических блоков, которые выполнены на основе металлоблока и гофрированной жаропрочной ленты. Это позволяет обеспечить высокую степень очистки выхлопных газов автомобилей, достаточную термическую устойчивость и механическую прочность автомобильной системы выхлопных газов. По результатам испытаний автомобилей на токсичность отработанных газов катализаторы превосходят требования сертификации "EURO-II Limit" и "EURO-III Limit". Так для автомобилей с объемом двигателя от 1,5 до 2-х литров:

выхлопной газ каталитический нейтрализатор

"Тойота" разработала свою, не менее эффективную систему очистки, названную DPNR. Она одновременно обезвреживает и канцерогенные частицы сажи, и просто вредные окислы азота. Главную роль играет новый микропористый керамический фильтр, покрытый слоем накапливающего азот материала и катализатором на основе платины. Во время работы двигателя на бедной смеси частицы сажи окисляются (читай - выгорают) атомарным кислородом, освобождающимся при соединении NO и О2 из выхлопных газов в процессе накопления NO2. Периодически, когда компьютер кратковременно обогащает смесь, эти частицы окисляются кислородом, возникающим теперь уже при разложении накопленных окислов в безвредный азот.

DPNR показала снижение содержания сажи и NOх на 80% по сравнению с действующими сегодня нормами, но применима лишь для дизелей последнего поколения, работающих с системой "коммон рейл" высокого давления на топливе с пониженным содержанием серы.

Список литературы

1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология: Учебник для вузов. - М.: ЮНИТИ, 1998. -455 с.

2. Лужков Ю.М. Экономические проблемы крупных городов и пути их решения // Энергия, №10, 1997г., с. 2-9.

3. Павлова И. Автомобили, экономия, экология, // Есть идея, №8, 1996г., с.4.

Приложение

Лямбда-окно: лишь газ от такой смеси обезвредит нейтрализатор

Конструкторские решения по уменьшению

НЕ НЕЙТРАЛИЗАТОРОМ ЕДИНЫМ... Недешевые датчики кислорода стали размножаться, измеряя состав выхлопа до и после каждой составной части системы нейтрализации. Теперь, если по какой-то причине драгоценное платиновое покрытие перестанет выполнять свои функции, второй лямбда-зонд включит на панели приборов тревожный сигнал. Более того, появились настолько быстродействующие датчики кислорода (работающие на иных, чем лямбда-зонд, принципах), что стало возможным отслеживать процесс сгорания топливной смеси в каждом цилиндре! Перерабатывая токсичные вещества в выхлопе, конструкторы параллельно улучшали рабочий процесс, чтобы "уничтожить врага в зародыше". Стремление к экономичности и одновременно чистоте выхлопа вызвало к жизни системы непосредственного впрыска бензина. Застрельщиками здесь были японцы ("Мицубиси)

Работа на сверхбедных рабочих смесях, когда в цилиндрах переизбыток воздуха, вывела на первый план проблему "утилизации" окислов азота. Борются с ними, снижая температуру горения рециркуляцией выхлопных газов (часть возвращают во впускной коллектор) и применяя накопительный нейтрализатор, за состоянием которого следит электроника. Как только его элемент переполнится вредными окислами, двигатель ненадолго переходит на обогащенную смесь, что повышает температуру выхлопных газов и разлагает NOх. На самом деле не все так просто. Например, увеличивая долю возвращаемых в цилиндр выхлопных газов (в некоторых режимах - до 60%), так снизили температуру, что... двигатель стал с трудом прогреваться. Чтобы не одевать его (и себя) зимой в тулуп, пришлось ставить теплообменники, передающие тепло "Тосолу" непосредственно от системы выпуска (ЗР, 2000, № 6). Еще неприятность - сера в топливе. Мало того, что она появляется в выхлопе в виде ядовитейшего сернистого газа SO2. Сера снижает эффективность накопительного нейтрализатора, заставляя электронику то и дело переключаться на режим выжигания, сводит на нет достигнутую было экономию топлива. К битве за чистый воздух пришлось подключаться нефтяникам. Появились сорта бензина и солярки, в которых серы почти нет. Хорошо? Для бензинового мотора - да. А вот высоконагруженным топливным насосам дизелей так не показалось: лишенные серы сорта топлива перестали смазывать их детали. Пришлось разрабатывать и вводить специальные безвредные присадки.

"Химический завод" системы DPNR

"Система очистки" "Хонды" работает всегда.

СДЕЛАНО С УМОМ

Но трудности преодолимы, и наши скандинавские соседи показали в Париже, что непосредственный впрыск может работать по-иному. Если в обычных двигателях топливо подается во время такта впуска, в моторах с непосредственным впрыском - в конце такта сжатия, то инженеры СААБ вводят бензин... на выпуске, незадолго до прихода поршня в ВМТ! Получился рабочий процесс, когда бензин и чистый воздух находятся в соотношении 1:14,7, то есть l=1 (что позволяет обойтись обычным нейтрализатором - нет проблем с NOх!) и в то же время смесь "бедная", если учесть, что 60-70% объема занимают инертные отработавшие газы, попадающие в цилиндр без всякой рециркуляции. Новый двигатель вкупе с привычным нейтрализатором укладывается в калифорнийские нормы ULEV, что покруче Евро IV. И даже сера в бензине ему не помеха.

ДИЗЕЛЬ: ОТКАЗ ОТ ЭКЗОТИКИ

Престарелые грузовики чадят не чем иным, как канцерогенной сажей. Если в 1976 году допускалось выбрасывать в атмосферу до 1 г несгоревших частиц на 1 км пробега, то сегодня трехлитровый "Фольксваген-Лупо", выполняющий требования Евро IV, источает их лишь 0,023 г! Правда, для этого пришлось поднять давление впрыска до немыслимых 2000 атм, когда даже металл трубопроводов становится "мягким".

В дизельном двигателе топливо впрыскивается в цилиндр, уже наполненный раскаленным сжатым воздухом и на образование "правильной" горючей смеси просто не остается времени. Даже при тончайшем распылении (для чего и повышают давление) не все микрочастицы топлива успевают обзавестись нужным количеством молекул кислорода - вот вам и сажа. Снижение температуры в цилиндре по бензиновому рецепту только ухудшает картину. Вообще, основное противоречие дизеля, которое еще никто до конца не разрешил, - между снижением выбросов сажи и окислов азота: улучшая один параметр, неизбежно портим второй. Фирмы, пропагандирующие экономичные легковые дизели, ради экологии пускаются во все тяжкие. Например, предлагают устанавливать дополнительные бачки с дорогими реактивами, снижающими температурный порог разложения накопившейся в специальном нейтрализаторе сажи ("Пежо-607").

АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ПУТЬ К "ЗЕЛЕНОМУ МИРУ" Сегодня наиболее сложна, однако, борьба с СО2, виновником "парникового" эффекта. В самом деле, что бы ни горело, углекислый газ всегда выделяется. Вот если бы окислять водород, получая на выпуске воду… И тут на пятки двигателю внутреннего сгорания наступает электромотор: получать энергию он мог бы от топливных элементов, питающихся водородом. Однако заправляться этим газом пока слишком дорого и хлопотно. А если получать водород прямо на борту - в специальном каталитическом реакторе-реформере? Тут в качестве первичного топлива подойдет чуть ли не любой "растворитель": спирт, метанол, бензин... Да-да, наш старый любимый бензин, причем неважно, с каким октановым числом, лишь бы без примесей вроде серы.

Нефтяные компании "Эссо", "Мобил" и "Экссон-Мобил" вместе с "Дженерал моторс" ведут интенсивные исследования, дабы продлить жизнь бензина как топлива будущего. Недавно объявлено о прорыве: создан реформер с КПД около 80% для питания водородом топливного элемента мощностью 25 кВт. Результатом явится автомобиль, работающий на традиционном бензине, но… без двигателя внутреннего сгорания! Выхлоп - лишь углекислый газ (да и то в меньшем, чем обычно, количестве) и вода. Кажется, это промежуточное решение удовлетворит всех: и экологов, и нефтяников, и автопроизводителей. Какие перемены оно сулит всем, кто пользуется машинами? Возможно, лет через десять узнаем об этом наверняка - по собственному опыту… Мы очень надеемся, что прочитавший этот материал не будет считать экологические проблемы далекими от реальной жизни. Наоборот, проблема для России стоит даже острее, чем для давно озабоченных ею высокоразвитых стран, - сравните-ка среднюю продолжительность жизни у нас и в Европе! Чистый воздух, качественные продукты питания особенно важны нашим - вашим и моим - детям, здоровье которых только закладывается. Пусть и они успеют понянчить внуков и правнуков, спокойно ездят мимо пустующих корпусов онкоцентра в свой загородный дом в зеленом лесу. Думаете, очередная сказка? Так сделаем ее былью! Слабо?

ВЫХЛОП ЧИЩЕ ВОЗДУХА

Почему именно этот человек загорелся идеей, которая уже десятки лет витала в воздухе и даже воплощалась в опытных образцах? Сыграл ли роль опыт работы в авиации, где многие исполнительные механизмы - "компрессоры наоборот": поршневые моторчики, работающие от сжатого воздуха? Или, уже будучи конструктором моторов формулы 1 и наблюдая, как воздушная турбина раскручивает при пуске двигатель гоночного болида, он задумался о том, сколько энергии заключено в баллоне со сжатым воздухом? Ведь дизельные монстры танков и тепловозов запускают, подавая в цилиндры воздух. А что если пусковой режим превратить в рабочий?

Увлеченный этой идеей, Ги Негр в 1991 году покидает формулу 1, берет патент на изобретение и с группой единомышленников на основанной ими фирме MDI (Motor Development International) создает первую действующую модель гибридного двигателя, способного работать на сжатом воздухе, бензине, газе или дизельном топливе. Как же он устроен?

Ги Негр решил отказаться от классической схемы, где все процессы - сжатие, воспламенение смеси и рабочий ход - происходят в одном цилиндре. В новом моторе их два, причем разного диаметра (один объемом 270 смз, другой - 755 смз). Цилиндры соединены каналами со сферической камерой объемом 20 смз.

При работе двигателя на бензине в малом цилиндре происходят всасывание и сжатие горючей смеси, которая затем выталкивается в камеру сгорания. Там она поджигается искровым разрядом и сгорает при постоянном объеме (оба клапана камеры закрыты). Затем открывается клапан, ведущий в цилиндр расширения (большой).

У такой схемы ряд преимуществ. Фаза сгорания отделена от расширения и намного продолжительнее, чем в обычном двигателе, поэтому новый мотор может работать на предельно обедненных, медленно горящих смесях, ему не нужен глушитель, а токсичность выхлопа сравнима с обычным городским воздухом. При работе на сжатом воздухе процессы в двигателе практически не изменяются (см. пояснения к схеме рабочего цикла). Подопытным автомобилем выбрали маленький "Ситроен-АХ". На скоростях до 60 км/ч, когда потребная мощность не превышает 10 л. с., мотор работает на воздухе, свыше 60 - автоматически переходит на бензин (максимальная мощность - 70 л. с. при 7000 об/мин). Расход бензина на шоссе - менее 3 л/100 км - почти сенсация. Объем воздушного резервуара на первых порах был невелик - всего 15 л, но даже этого хватало на час городской езды. Казалось, цель достигнута… Но Ги Негр принялся за новый двигатель и… новый автомобиль. Название ТОР (Taxi Zero (O) Pollution) - "такси с нулевым загрязнением" отражает концепцию: в этой машине не будет бензиновой подпитки, только сжатый воздух. Еще в проекте автомобиль вызвал огромный интерес не только у специалистов, но и у власть предержащих. Так, в Мексике парламентская комиссия по транспорту заинтересовалась разработками французских инженеров, и после посещения мексиканцами в 1997 году завода в Бриньоле был подписан контракт о постепенной замене всех 87 тысяч такси Мехико, самой загазованной столицы в мире, машинами с чистым "выдохом". Собирать "ТОР-модели" будут на месте - французы построят за океаном завод под ключ.

Предвидим возражения: дескать, для того, чтобы закачать в баллоны воздух, нужна энергия, а электростанции - тоже источники загрязнений. Авторы проекта посчитали конечный КПД в цепочке "нефтеперегонный завод-автомобиль" для бензинового, электрического и "воздушного" автомобиля: 9,4, 13,2 и 20% соответственно - "воздушник" лидирует с заметным отрывом.

Новый мотор во многом повторил уже обкатанный гибридный. Однако теперь поршни стали дольше "зависать" в мертвых точках (80% времени) благодаря особым проскальзывающим муфтам на коленчатом валу. В цилиндр засасывается не наружный воздух, а часть выхлопа. Нет систем зажигания, впрыска топлива, бензобака. Зато под днищем аккуратно расположились четыре карбоновых (почти невесомых!) 50-литровых резервуара для сжатого воздуха. Его запаса (200 л при 200 атм) хватает на 500 км при скорости 40 км/ч или на 100 км при 90 км/ч (см. график). При торможении энергия рекуперируется - компрессор высокого давления закачивает наружный воздух обратно в баллоны. "Заправлять" автомобиль можно двумя способами. От воздушной магистрали высокого давления - 2-3 минуты (по западным ценам всего за полтора доллара) или от электросети: тот же компрессор накачает баллоны за 4 часа - быстрее, чем заряжается электромобиль.

Автомобиль проектировали сразу в четырех вариантах: пятиместное такси, пикап, фургон и шестиместный универсал. Кузова - стеклопластиковые, поэтому масса машин в снаряженном состоянии всего 650-700 кг. Водительская дверь распашная, пассажирская - сдвижная. Несмотря на небольшие габариты автомобиля - 3,84 м в длину и 1,72 м - в ширину, в салоне свободно размещаются шесть человек, двое (включая водителя) - впереди, трое - сзади и один - сбоку, напротив двери. Таким образом, каждый пассажир может свободно выйти, не мешая остальным и почти не пригибаясь: пол у машины плоский, а высота сравнима с мини-вэном - 1,75 м. В такси место рядом с водителем отдано под широкую нишу для багажа. Пассажирский салон отделен прозрачной перегородкой. Благодаря "дармовому" холоду от расширения воздуха все машины оснащены кондиционером, а вот отопитель понадобится автономный. Кстати, Ги Негр утверждает, что в России проблем с эксплуатацией машины не будет: двигатель работает на разнице давлений (200 атмосфер в баллон можно закачать и в жару и в мороз), а чтобы конденсат не замерзал в магистралях, устанавливают влагоотделитель.

Сейчас ТОР проходят омологацию, и с 2001 года должны появиться в продаже, причем по всему миру: уже продано 19 заводов мощностью 2000 автомобилей в год каждый - в Австралию, Новую Зеландию, Южную Африку, Мексику, Испанию, Францию, Швейцарию. Планируемая отпускная цена "воздушников" - около 10 000 долларов.

Не следует, однако, спешить с выводом о "закате карьеры" традиционного ДВС. Вспомним: три четверти века он укреплял свои позиции, вытесняя альтернативные конструкции - чему во многом способствовала дешевизна и доступность нефтяного топлива. Зато последние лет двадцать пять внимание инженеров (не говоря об экологах) сосредоточилось на недостатках классических тепловых двигателей и поисках иных технических решений. Двигатель Ги Негра - лишь одно из них; удастся ли авторам "раскрутить" его в ощутимых масштабах, мы, надо полагать, узнаем в ближайшие год-два. Тогда и станет ясна практическая ценность изобретения.

TOP-TAXI ZERO …

ОБЩИЕ ДАННЫЕ: число мест - 6/5 (универсал/такси), 1+1 (пикап), 1+1 (фургон); снаряженная масса - 700 кг (такси, универсал), 675 кг (фургон), 650 кг (пикап); грузоподъемность - 500 кг (для всех моделей); максимальная скорость - 110 км/ч; время разгона с места до 100 км/ч - 11,5 (9,7) с; расход топлива в условном загородном (городском) циклах - 5,9 (6,7); 9,6 (12,0) л/100 км; запас хода (при 60 км/ч) - 240 км. РАЗМЕРЫ, мм: длина - 3840; ширина - 1720; высота - 1750; база - 2915; колея спереди/сзади - 1460/1420; радиус поворота - 5,0 м. ДВИГАТЕЛЬ: с электронным впрыском сжатого воздуха, двухцилиндровый, расположен сзади; рабочий объем - 1200 смз; мощность - 18,3 кВт/25 л. с. при 3500 об/мин; максимальный крутящий момент - 61,7 Н.м/6,3 кгс.м при 1500-2500 об/мин. Электрооборудование: 12 В. ТОРМОЗА: дисковые спереди и сзади. РУЛЕВОЕ УПРАВЛЕНИЕ: реечное. РАЗМЕР ШИН: 145/70R13.

Размещено на Allbest.ru