Совершенствование системы питания автомобилей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Ключевые слова: система питания автомобилей, дизельный двигатель, карбюраторный двигатель, отработавшие газы, методы совершенствования системы питания.

Объект исследования: система питания автомобилей.

Цель работы: охарактеризовать методы совершенствования системы питания автомобилей, снижающих токсичность отработавших газов.

В работе раскрыты вопросы негативного влияния автомобильного транспорта на окружающую среду и основные направления решения данной проблемы, в частности, охарактеризованы методы снижения токсичности отработавших газов путем совершенствования системы питания автомобиля.

Введение

Совершенствование системы питания автомобилей на сегодняшний день является актуальной проблемой. Согласно данным Минздрава РФ на долю автомобильного транспорта в ряде регионов России приходится до 90% от общего количества выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Бесспорно, что главной проблемой, без решения которой снижение степени негативного воздействия автотранспортных средств на окружающую среду невозможно, - это повышение уровня экологичности автотранспортных средств. Практика показывает, что ужесточение экологического контроля автотранспортных средств, эффективно лишь тогда, когда с ужесточением экологических требований повышается экологичность двигателей путём внедрения инновационных технологий: перевод автотранспортных средств на газ; разработка новых нейтрализаторов газов, разработка и внедрение инноваций, совершенствующих двигатель внутреннего сгорания.

Цель данной работы: охарактеризовать методы совершенствования системы питания автомобилей, снижающих выброс вредных веществ в атмосферу.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1) проанализировать значение автомобиля в жизни человека и его негативное влияние на окружающую среду;

2) охарактеризовать различные виды системы питания автомобилей;

3) описать состав и негативное влияние отработавших газов на здоровье человека;

4) провести сравнительный анализ основных направлений снижения токсичности отработавших газов.

Экономический аспект: экологический ущерб от автомобильных выбросов превышает 2% валового национального продукта, что составляет 5 млрд. долларов в год. А ежегодные потери в экономике России только в одной из экологических отраслей - промышленности по производству нейтрализаторов выхлопных газов автомобилей составляет 8 - 10 млрд. долларов. Совершенствование системы питания автомобилей привело бы к значительному снижению этих потерь, хотя и это в свою очередь тоже потребует вложения больших финансовых ресурсов.

Экологический аспект: совершенствование систем питания автомобилей приведет к снижению вредных выбросов в окружающую среду, что в последующем положительно скажется на составе атмосферного воздуха, качество которого имеет большое значение для здоровья людей.

Социально-политический аспект: снижение токсичности отработавших газов положительно скажется на состоянии здоровья людей: приведет к снижению смертности населения и повышению рождаемости.

Аспект безопасности труда: многие производственные работы не обходятся без автотранспортных средств. Повышение экологичности транспортных средств положительно повлияет на повышения безопасности труда рабочих, снизит негативное влияние отработавших газов на их организм.

Аспект устойчивого развития: все мероприятия, проводимые для уменьшения токсичности отработавших газов, будут проводится в соответствии с принципами устойчивого развития. Все они способствуют укреплению нынешнего и будущего потенциала для удовлетворения человеческих потребностей и устремлений.

1. АВТОМОБИЛЬ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА

Автомобильный парк растет быстрее, чем народонаселение. В настоящее время с конвейеров автозаводов всего мира ежегодно сходит около 50 млн. автомобилей, т.е. в среднем, при двухсменной работе - 170 автомобилей каждую минуту. За сорок послевоенных лет автомобильный парк вырос более чем в десять раз и в 1987 г. превысил полумиллиардный рубеж. В 1998 г. автомобильный парк вырос до 700 млн. Ожидается, что к концу первого десятилетия XXI века парк автомобилей достигнет миллиардной отметки.

Практически все современные автомобили снабжены двигателями внутреннего сгорания. При сравнительно небольшой массе этот двигатель развивает значительную мощность, экономичен, достаточно надежен, работает на сравнительно недорогом топливе. По мере роста автомобильного парка, стал проявляться существенный недостаток этого двигателя - с выхлопными газами в окружающий воздух поступают вредные для здоровья человека вещества. Каждый автомобиль выбрасывает более 3 кг вредных веществ ежедневно. Когда автомобилей стало слишком много, в крупных городах заметно ухудшилось состояние атмосферного воздуха [1].

1.1 Значение автомобиля в жизни человека

Человеку всегда необходимо было перемещать как самого себя, так и различные грузы - камни и стволы деревьев для строительства, домашнюю утварь и продукты питания при вынужденной смене места обитания. Чаще всего эти операции осуществлялись на спине прирученных животных или волоком по земле. Но кто-то подложил под груз круглую деревянную чурку, а затем проткнул ее осью, получив колесо. Колесо - одно из самых замечательных изобретений, во много определившим развитие нашей цивилизации. Почти все современные механические устройства имеют в своем составе либо элементы колеса, либо его оси, либо поверхности вращения.

Постепенно развитие человечества стало приобретать все более техногенный характер. Сейчас трудно судить о том, почему развитие человеческого общества пошло по пути механизации труда, а не по пути биологического развития.

По - видимому отказ от пути биологического развития связан с весьма ограниченными биоресурсами нашей планеты. При попытке создания биологических помощников человек сразу сталкивается с необходимостью постоянного поддержания их минимального уровня жизни - то есть с необходимостью прокормить животное, которое в таком случае становится конкурентом собственно человеку. В то же время еще в недавнем прошлом минеральные богатства планеты, используемые при строительстве «механических заместителей» человека, казались неисчерпаемыми. Техногенному развитию способствовала и конкурентная борьба между отдельными сообществами за наиболее выгодный ареал обитания и жизненно важные ресурсы, которая часто превращалась в кровопролитные войны, успех в которых требовал быстрого перемещения боевых ресурсов.

Необходимости ускорения перемещения различных грузов и людей способствовали и экономические принципы существования человека - чем быстрее перевозится груз, тем быстрее обращается капитал, тем больше прибыль. Чем быстрее перемещается информация или деловые бумаги, тем скорее принимаются решения, быстрее осуществляются события, тем снова быстрее появляется прибыль. То есть погоня за прибылью, основным компонентом экономического развития современного общества, требует ускорения транспортных операций различного назначения. Это обстоятельство является основным параметром, определяющим развитие транспорта в современном обществе.

Не менее важным для развития транспорта является обеспечение сферы отдыха. Транспорт широко используется в сфере безопасности жизнедеятельности и при выполнении боевых задач [2].

1.2 Негативное влияние автотранспорта на окружающую среду

Экологические проблемы городов, главным образом наиболее крупных из них, связаны с чрезмерной концентрацией на сравнительно небольших территориях населения, транспорта и промышленных предприятий, с образованием антропогенных ландшафтов, очень далеких от состояния экологического равновесия.

Над крупными городами атмосфера содержит в 10 раз больше аэрозолей и в 25 раз больше газов. При этом 60…70% газового загрязнения дает автомобильный транспорт выбросами транспорта [3].

Согласно федеральному закону "О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения" (№ 52-ФЗ от 30 марта 1999 г.) санитарно-эпидемиологическое благополучие населения определяется как состояние здоровья населения, среды обитания человека, при котором отсутствует вредное воздействие факторов среды обитания на человека и обеспечиваются благоприятные условия его жизнедеятельности.

Среди отраслей экономики России транспортный комплекс является крупнейшим загрязнителем окружающей среды. В масштабах страны доля транспорта в суммарных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу от всех источников достигает 45%, в выбросах парниковых газов - примерно 10%, в массе промышленных отходов - 2%, в сбросах вредных веществ со сточными водами - около 3%, в потреблении озоноразрушающих веществ - не более 5%.

Доля транспорта в шумовом воздействии на население составляет 85-95% на различных территориях. Объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от автомобильного транспорта превышает таковой от всех других источников, особенно в крупных городах. Данное обстоятельство отрицательно сказывается на здоровье городского населения.

Для России экологические проблемы автомобильного транспорта стали особенно актуальными в последнее десятилетие. В 1998 г. Автомобильный парк России составил уже 23,7 млн. машин. Особенно напряженной экологическая обстановка оказалась в Москве, где автомобильный парк на начало 1999 г. насчитывал 2,2 млн. единиц. По сравнению с 1998 г. прирост составил 120 тыс. автомобилей или 6 %.

Эксплуатируемые в стране автомобили не соответствуют современным европейским ограничениям по токсичности и выбрасывают вредных веществ существенно больше чем зарубежные аналоги. Существует несколько наиболее важных причин отставания России в этой сфере:

- низкая культура эксплуатации автомобилей. Количество неисправных автомобилей, находящихся в эксплуатации до сих пор весьма велико даже в Москве

- отсутствие жестких законодательных требований к экологическим качествам автомобилей. С начала 90-х годов стандарты, сохранившиеся в течение 10 лет почти без изменений, начали существенно отставать от европейских норм. В отсутствие достаточно жестких требований по токсичности выбросов, потребитель не заинтересован покупать экологически более чистые, но при этом более дорогие автомобили, а производитель не склонен их выпускать.

- неподготовленность инфраструктуры эксплуатации автомобилей, оборудованных в соответствии с современными экологическими требованиями.

- в отличие от европейских стран, у нас в стране до сих пор затруднено

внедрение нейтрализаторов.

Оценки выбросов загрязняющих веществ транспортными средствами (передвижными источниками) в целом по России в 1999 г. приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу транспортными средствами в 1999 г., тыс. т

Вид транспорта	СО	СnНm	NO	C	SO2	Pb	Всего
Автомобильный	8996,0	1261,0	1629,0	48,0	219,0	1,38	12154,4
Речной	13,0	9,7	37,0	3,9	13,0	-	76,6
Морской	11,0	7,6	28,0	2,5	29,0	-	78,1
Воздушный	52,0	13,0	62,0	-	13,0	-	140,0
Железнодорожный	34,0	21,0	138,0	8,3	-	-	201,3
Промышленный железнодорожный	7,0	4,0	30,0	1,5	-	-	42,5
Дорожные машины	125,0	24,0	63,0	5,4	8,6	0,02	226,0
Итого	9238,0	1340,3	1987,0	69,6	282,6	1,4	12918,9

Как видно из таблицы 1.1, наибольшее количество выбросов загрязняющих окружающую среду приходится на автомобильный транспорт.

Ежегодный экологический ущерб от транспортного комплекса составляет около 1,5% валового национального продукта России [4].

Наибольший вклад в экологический ущерб (62,7%) вносит автотранспортный комплекс, вклад железнодорожного транспорта достигает 27,7%, воздушного -4,5%, морского - 3,6% и речного -1,5%. Во всех видах негативного воздействия лидирует автомобильный транспорт (шум - 49,5%, воздействие на климат - 68%, загрязнение атмосферного воздуха - 71%), за ним следует железнодорожный транспорт.

Один легковой автомобиль поглощает ежегодно из атмосферы в среднем больше 4 т кислорода, выбрасывая с выхлопными газами примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводородов [5].

Причинами загрязнения воздуха от автотранспорта являются:

-плохое состояние технического обслуживания автомобилей,

-низкое качество применяемого топлива,

-наличие свинцовых добавок в бензине,

-неразвитость системы управления транспортными потоками,

-низкий процент использования экологически чистых видов транспорта.

Каждый автомобиль выбрасывает в атмосферу с отработавшими газами около 200 различных компонентов. В выхлопных газах содержатся углеводороды - несгоревшие или не полностью сгоревшие компоненты топлива, доля которых резко возрастает, если двигатель работает на малых оборотах или в момент увеличения скорости на старте, т. е. во время заторов и у красного сигнала светофора. Именно в этот момент, когда нажимают на акселератор, выделяется больше всего несгоревших частиц: примерно в 10 раз больше, чем при работе двигателя в нормальном режиме.

К несгоревшим газам относят и обычную окись углерода, образующуюся в том или ином количестве повсюду, где что-то сжигают. В выхлопных газах двигателя, работающего на нормальном бензине и при нормальном режиме, содержится в среднем 2,7 % оксида углерода. При снижении скорости эта доля увеличивается до 3,9 %, а на малом ходу - до 6,9%. Оксид углерода, углекислый газ и большинство других газовых выделений двигателей тяжелее воздуха, поэтому все они скапливаются у земли [6].

В выхлопных газах содержатся также альдегиды, обладающие резким запахом и раздражающим действием. К ним относятся акролены и формальдегид; последний обладает особенно сильным действием. В автомобильных выбросах содержатся также оксиды азота. Двуокись азота играет большую роль в образовании продуктов превращения углеводородов в атмосферном воздухе. В выхлопных газах присутствуют неразложившиеся углеводороды топлива. Среди них особое место занимают непредельные углеводороды этиленового ряда, в частности гексен и пентен.

Из-за неполного сгорания топлива в двигателе автомашины часть углеводородов превращается в сажу, содержащую смолистые вещества. Особенно много сажи и смол образуется при технической неисправности мотора и в моменты, когда водитель, форсируя работу двигателя, уменьшает соотношение воздуха и горючего, стремясь получить так называемую "богатую смесь". В этих случаях за машиной тянется видимый хвост дыма, который содержит полициклические углеводороды и, в частности, бензапирен [3].

2. СИСТЕМА ПИТАНИЯ АВТОТРАНСПОРТА

Систему питания автомобиля можно сравнить с системой питания человека. Вначале топливо необходимо приобрести, затем «покормить» им автомобиль. Топливо направляется по «пищеводу» (то есть по топливным шлангам) в двигатель, а отходы в виде отработавших газов выводятся в выхлопную трубу.

Основные задачи системы питания двигателя внутреннего сгорания можно сформулировать следующим образом:

- хранение топлива;

- очистка и подача топлива;

- очистка воздуха, предназначенного для подготовки горючей смеси;

- приготовление горючей смеси;

- подача горючей смеси в цилиндры двигателя.

2.1 Система питания дизельных двигателей

Дизельное топливо представляет смесь керосиновых, газойлевых и соляровых фракций после отгона из нефти бензиновой фракции. К основным свойствам дизельного топлива относятся воспламеняемость, оцениваемая цетановым числом, вязкость, температура застывания, чистота и др. Дизельное топливо выпускается разных сортов: ДЛ -- летнее, ДЗ -- зимнее и ДА -- арктическое, отличаются эти топлива друг от друга главным образом температурами застывания, температурой вспышки и вязкостью

Система питания дизельного двигателя состоит из топливного бака, фильтров грубой и тонкой очистки топлива, топливоподкачивающего насоса с ручным насосом, топливного насоса высокого давления с регулятором частоты вращения и автоматической муфтой опережения впрыска топлива, форсунок и трубопроводов низкого и высокого давления [7].

При работе двигателя топливо из топливного бака засасывается топливоподкачивающим насосом через фильтр грубой очистки топлива и нагнетается через фильтр тонкой очистки к насосу высокого давления. Из насоса высокого давления топливо по топливопроводам высокого давления подается к форсункам, через которые в мелкораспыленном виде оно впрыскивается в цилиндры в соответствии с порядком работы двигателя. Излишнее топливо от насоса высокого давления и форсунок возвращается в топливный бак. Воздух в цилиндры поступает после очистки его в воздушном фильтре.

Топливный насос высокого давления предназначен для впрыска в цилиндры двигателя порции топлива под высоким давлением в определенной последовательности. Он расположен в развале блока цилиндров и приводится в действие от распределительного вала через шестерни. Насос состоит из корпуса, кулачкового вала, секций (по числу цилиндров) и механизма поворота плунжеров. На передней части топливного насоса высокого давления установлен всережимный регулятор, который, изменяя количество подаваемого топлива в зависимости от нагрузки, поддерживает заданную водителем частоту вращения коленчатого вала двигателя.

На заднем конце кулачкового вала насоса расположена муфта опережения впрыска топлива, которая предназначена для изменения момента начала подачи топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Секция насоса высокого давления состоит из плунжерной пары, роликового толкателя и нагнетательного клапана. Плунжерная пара представляет собой гильзу с двумя отверстиями, расположенными на разных уровнях, и плунжер, в верхней части которого имеются два отверстия и винтовая канавка. Плунжер подогнан к гильзе с высокой точностью. При движении плунжера вниз под действием пружины топливо под небольшим давлением, создаваемым топливоподкачивающим насосом, поступает через продольный впускной канал в корпусе в надплунжерное пространство. При движении плунжера вверх под действием кулачка и толкателя топливо перепускается в топливоподводящий канал до тех пор, пока торцевая кромка плунжера не перекроет окно гильзы. Дальнейшее движение плунжера вверх вызовет повышение давления в надплунжерном пространстве. Когда давление достигнет величины, при которой открывается нагнетательный клапан, плунжер приподнимается и топливо по топливопроводу высокого давления поступает к форсунке. Движущийся плунжер, продолжая перемещаться, создает давление, преодолевающее натяжение пружины иглы форсунки. Игла поднимается, начинается впрыск топлива в цилиндр двигателя. Впрыск продолжается до момента, когда кромка винтовой канавки открывает отверстие в гильзе; давление топлива падает, разгрузочный поясок нагнетательного клапана, опускаясь в гнездо под действием пружины, увеличивает объем в топливопроводе между форсункой и клапаном, за счет чего достигается четкая отсечка подачи топлива. При перемещении рейки плунжер поворачивается, И кромка винтовой канавки открывает отверстие гильзы раньше или позже, вследствие чего изменяется время, в течение которого закрыты отверстия гильзы, а следовательно, и количество топлива, впрыскиваемого в цилиндр, для ввода в цилиндр двигателя дозы тонкораспыленного топлива под давлением. Форсунка закрытого типа состоит из стального корпуса, гайки, распылителя, запорной иглы, штанги и фильтра. Поступившее топливо проходит через фильтр, вертикальный канал, кольцевую канавку и затем поступает в топливную полость корпуса распылителя. Когда давление в полости распылителя становится больше усилия пружины форсунки, запорная игла поднимается вверх и топливо через отверстия распылителя впрыскивается в камеру сгорания. С понижением давления в топливопроводе ниже усилия, создаваемого пружиной, игла распылителя под ее действием опускается и закрывает отверстие распылителя -- подача топлива прекращается. Избыток топлива отводится по сливному трубопроводу в бак. Форсунка регулируется на давление впрыска 17,5 ... 18,5 МПа.

Все приборы системы питания дизельного двигателя соединены топливопроводами низкого и высокого давления. Топливопроводы низкого давления изготовлены из прозрачной маслобензостойкой пластмассы, а высокого давления -- из толстостенных стальных трубок.

Для поддержания заданной частоты, вращения коленчатого вала служит регулятор, который относится к типу всережимных регуляторов прямого действия. Этот регулятор изменяет количество подаваемого в цилиндр топлива в зависимости от нагрузки, поддерживая заданную частоту вращения коленчатого вала. Регулятор устанавливается в развале между двумя рядами топливных секций и состоит из ведущей шестерни и муфты, на которой шарнирно закреплены грузы. Во время вращения грузы раздвигаются под действием центробежной силы и через упорный подшипник перемещают муфту. Муфта упирается в палец рычага, который связан одним концом с рейкой топливного насоса. При перемещении рейки одновременно перемещается один конец двуплечего рычага. Второй конец этого рычага, будучи соединен со второй рейкой, перемещает ее. Рычаг управления подачей топлива связан с системой рычагов, с которыми, в свою очередь, связана калиброванная пружина, воздействующая на рычаг, соединенный с рейкой. Натяжение пружины зависит от положения педали привода, которой устанавливается режим работы двигателя.

Автоматическая муфта опережения впрыска топлива служит для изменения момента начала впрыска топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, благодаря чему улучшаются пуск двигателя и его экономичность.

Состоит муфта опережения впрыска из двух полумуфт -- ведущей и ведомой. Ведомая полумуфта закреплена на конце кулачкового вала насоса. Ведущая полумуфта посажена свободно на втулке ступицы ведомой полумуфты и приводится во вращение от распределительной шестерни через гибкие соединительные муфты. На осях ведомой полумуфты шарнирно насажены грузы, прижимаемые в исходное положение двумя пружинами. При увеличении частоты вращения коленчатого вала грузы под действием центробежных сил раздвигаются и при помощи профильных выступов поворачивают ведомую полумуфту, а с ней и кулачковый валик по ходу вращения, увеличивая угол опережения впрыска. При уменьшении частоты вращения пружины отводят кулачки к исходному положению, а ведомая полумуфта, поворачиваясь против хода вращения, уменьшает этот угол [8].

2.2 Система питания карбюраторных двигателей

Система питания карбюраторного двигателя служит для приготовления горючей смеси, состоящей из паров топлива и воздуха, подачи ее в цилиндры двигателя, а также удаления из цилиндров отработавших газов.

В систему питания карбюраторного двигателя входят приборы и устройства для хранения топлива и контроля его количества; фильтрации и подачи топлива; фильтрации и подачи воздуха, а также для глушения шума при впуске; приготовления горючей смеси и подачи ее в цилиндры двигателя; отвода газов из цилиндра и глушения шума при выпуске.

Топливо из бака, закрытого пробкой, подается насосом по трубопроводам к прибору приготовления горючей смеси -- карбюратору, проходя очистку в фильтре-отстойнике и фильтре тонкой очистки топлива. Количество топлива в баке контролируют по указателю, в электрическую цепь которого включен датчик. Воздух поступает в карбюратор через воздушный фильтр. Приготовленная в карбюраторе горючая смесь подается в цилиндры двигателя по впускному трубопроводу, в котором она подогревается. Отработавшие газы отводятся из цилиндров в атмосферу через выпускной трубопровод (коллектор), трубу и глушитель шума выпуска.

3. ОТРАБОТАВШИЕ ГАЗЫ

Отработавшие газы - смесь газов с примесью взвешенных частиц, образовавшихся в результате сгорания моторного топлива (проект федерального закона "Об обеспечении экологической безопасности автомобильного транспорта"). В состав отработавших газов входят оксиды углерода, азота, серы, углеводороды, сажа и другие вещества. Количественный состав отработавших газов зависит от вида топлива.

3.1 Состав отработавших газов

В таблице 3.1. представлены состав выхлопных газов автомобилей с бензиновым и дизельными двигателями.

Таблица 3.1 - Состав автомобильных выхлопных газов

Компоненты выхлопного газа	Содержание по объему, %	Примечание
	Бензиновые двигатели	Дизельные двигатели
Азот	74,0…77,0	76,0…78,0	нетоксичен
Пары воды	3,0…5,5	0,5…4,0	нетоксичны
Кислород	0,3…8,0	2,0…18,0	нетоксичен
Диоксид углерода	5,0…12,0	1,0…10,0	нетоксичен
Оксид углерода	0,1…10,0	0,01…5,0	токсичен
Углеводороды неканцерогенные	0,2…3,0	0,009… 0,5	токсичны
Альдегиды	0…0,2	0,001…0,009	токсичны
Сажа, г/м3	0…0,04	0,01…1,1	токсична
Оксид серы	0…0,002	0…0,03	токсичен
Бензопирен, мг/м3	0,01…0,02	до 0,01	канцероген

Как видно из таблицы 3.1. при работе дизельных двигателей выделяется меньше выхлопных газов. При работе двигателя на этилированном бензине в составе выхлопных газов присутствует свинец, а у двигателей, работающих на дизельном топливе - сажа [10].

Оксид углерода (CO - угарный газ). Прозрачный, не имеющий запаха ядовитый газ, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Оксид углерода - продукт неполного сгорания топлива, на воздухе горит синим пламенем с образованием диоксида углерода (углекислого газа). В камере сгорания двигателя CO образуется при неудовлетворительном распыливании топлива, в результате холоднопламенных реакций, при сгорании топлива с недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода при высоких температурах. При последующем сгорании после воспламенения (после верхней мертвой точки, на такте расширения) возможно горение оксида углерода при наличии кислорода с образованием диоксида. При этом процесс выгорания CO продолжается и в выпускном трубопроводе.

Необходимо отметить, что при эксплуатации дизелей концентрация CO в выхлопных газах невелика (примерно 0,1 … 0,2%), поэтому, как правило, концентрацию CO определяют для бензиновых двигателей.

Оксиды азота (NO, NO2, N2O, N2O3, N2O5). Оксиды азота являются одними из наиболее токсичных компонентов отработавших газов. При нормальных атмосферных условиях азот представляет собой весьма инертный газ. При высоких давлениях и особенно температурах азот активно вступает в реакцию с кислородом. В выхлопных газах двигателей более 90% всего количества NOx составляет оксид азота NO, который еще в системы выпуска, а затем и в атмосфере легко окисляется в диоксид (NO2). Оксиды азота раздражающе воздействуют на слизистые оболочки глаз, носа, разрушают легкие человека, так как при движении по дыхательному тракту они взаимодействуют с влагой верхних дыхательных путей, образуя азотную и азотистую кислоты. Как правило, отравление организма человека NOx проявляется не сразу, а постепенно, причем каких либо нейтрализующих средств нет. Закись азота (N2O - гемиоксид, веселящий газ) - газ с приятным запахом, хорошо растворим в воде. Обладает наркотическим действием. NO2 (диоксид) - бледно-желтая жидкость, участвующая в образовании смога. Диоксид азота используется в качестве окислителя в ракетном топливе. Считается, что для организма человека оксиды азота примерно в 10 раз опаснее CO, а при учете вторичных превращений - в 40 раз. Оксиды азота представляют опасность для листьев растений. Установлено, что их непосредственное токсичное влияние на растения проявляется при концентрации NOx в воздухе в пределах 0,5…6,0 мг/м3. Азотная кислота вызывает сильную коррозию углеродистых сталей. На величину выброса оксидов азота оказывает значительное влияние температура в камере сгорания. Так, при повышении температуры от 2500 до 2700 К скорость реакции увеличивается в 2,6 раза, а при уменьшении от 2500 до 2300 К - уменьшается в 8 раз, т.е. чем выше температура, тем выше концентрация NOx. Ранний впрыск топлива или высокие давления сжатия в камере сгорания также способствуют образованию NOx. Чем выше концентрация кислорода, тем выше концентрация оксидов азота [11].

Углеводороды (CnHm - этан, метан, этилен, бензол, пропан, ацетилен и др.) Углеводороды - органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода, являются токсичными веществами. В выхлопных газах содержится более 200 различных CH, которые делятся на алифатические (с открытой или закрытой цепью) и содержащие бензольное или ароматическое кольцо. Ароматические углеводороды содержат в молекуле один или несколько циклов из 6 атомов углерода, соединенных между собой простыми или двойными связями (бензол, нафталин, антрацен и др.). Имеют приятный запах. Наличие CH в отработавших газах двигателей объясняется тем, что смесь в камере сгорания является неоднородной, поэтому у стенок, в переобогащенных зонах, происходит гашение пламени и обрыв цепных реакций. Не полностью сгоревшие CH, выбрасываемые с выхлопными газами и представляющие собой смесь нескольких сотен химических соединений, имеют неприятный запах. CH являются причиной многих хронических заболеваний. Токсичны также и пары бензина, которые являются углеводородами. Допустимая среднесуточная концентрация паров бензина составляет 1,5 мг/м3. Содержание CH в выхлопных газах возрастает при дросселировании, при работе двигателя на режимах принудительного холостого хода. При работе двигателя на указанных режимах ухудшается процесс смесеобразования (перемешивания топливовоздушного заряда), уменьшается скорость сгорания, ухудшается воспламенение и, как результат, - возникают его частые пропуски. Выделение CH вызывается неполным сгоранием вблизи холодных стенок, если до конца сгорания остаются места с сильным локальным недостатком воздуха, недостаточным распыливанием топлива, при неудовлетворительном завихрении воздушного заряда и низких температурах (например, режим холостого хода). Углеводороды образуются в переобогащенных зонах, где ограничен доступ кислорода, а также вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания. Они играют активную роль в образовании биологически активных веществ, вызывающих раздражение глаз, горла, носа и их заболевание, и наносящих ущерб растительному и животному миру. Углеводородные соединения оказывают наркотическое действие на центральную нервную систему, могут являться причиной хронических заболеваний, а некоторые ароматические CH обладают отравляющими свойствами. Углеводороды (олефины) и оксиды азота при определенных метеорологических условиях активно способствуют образованию смога.

Смог. Смог (Smog, от smoke - дым и fog - туман) - ядовитый туман, образуемый в нижнем слое атмосферы, загрязненном вредными веществами от промышленных предприятий, выхлопными газами от автотранспорта и теплопроизводящих установок при неблагоприятных погодных условиях. Он представляет собой аэрозоль, состоящую из дыма, тумана, пыли, частичек сажи, капелек жидкости (во влажной атмосфере). Возникает в атмосфере промышленных городов при определенных метеорологических условиях. Поступающие в атмосферу вредные газы вступают в реакцию между собой и образуют новые, в том числе и токсичные соединения. В атмосфере при этом происходят реакции фотосинтеза, окисления, восстановления, полимеризации, конденсации, катализа и т.д. В результате сложных фотохимических процессов, стимулируемых ультрафиолетовой радиацией Солнца, из оксидов азота, углеводородов, альдегидов и других веществ образуются фотооксиданты (окислители). Низкие концентрации NO2 могут создать большое количество атомарного кислорода, который в свою очередь образует озон и вновь реагирует с веществами, загрязняющими атмосферный воздух. Наличие в атмосфере формальдегида, высших альдегидов и других углеводородных соединений также способствует вместе с озоном образованию новых перекисных соединений. Продукты диссоциации взаимодействуют с олефинами, образуя токсичные нитроперекисные соединения. При их концентрации более 0,2 мг/м3 наступает конденсация водяных паров в виде мельчайших капелек тумана с токсичными свойствами. Их количество зависит от сезона года, времени суток и других факторов. В жаркую сухую погоду смог наблюдается в виде желтой пелены (цвет придает присутствующий в воздухе диоксид азота NO2 - капельки желтой жидкости).

Смог вызывает раздражение слизистых оболочек, особенно глаз, может вызвать головную боль, отеки, кровоизлияния, осложнения заболеваний дыхательных путей. Ухудшает видимость на дорогах, увеличивая тем самым количество дорожно-транспортных происшествий. Опасность смога для жизни человека велика. Так, например, лондонский смог 1952 г. называют катастрофой, так как за 4 дня от смога погибло около 4 тыс. человек. Наличие в атмосфере хлористых, азотных, сернистых соединений и капелек воды способствует образованию сильных токсичных соединений и паров кислот, что губительно сказывается на растениях, а также сооружениях, особенно на исторических памятниках, сложенных из известняка. Кроме того при использовании сернистых бензинов в отходящие газы могут входить оксиды серы, при применении этилированных бензинов -- свинец (Тетраэтилсвинец), бром, хлор, их соединения. Считается, что аэрозоли галоидных соединений свинца могут подвергаться каталитическим и фотохимическим превращениям, участвуя в образовании смога [12].

3.2 Влияние отработавших газов на здоровье населения

При попадании отработавших газов в организм человека, больше всего страдают органы дыхания, что впоследствии может вызвать ряд опасных, как острых, так и хронических заболеваний. Так же увеличение врождённых хронических заболеваний у детей, таких как астма, аллергия, бронхит, гайморит и др. врачи связывают с всё более ухудшающимися экологическими условиями и загрязнённостью воздуха в городах.

Оксиды азота пагубно воздействуют на органы дыхания, раздражая дыхательные пути, способствуют появлению опухолей и воспалительных процессов.

Оксиды углерода могут вызывать кислородную недостаточность тканей, понижение действия гемоглобина в крови. Оказывают разрушительное влияние на нервную и сердечно-сосудистую системы. Частые недомогания, головные боли, одышки, головокружения, вялость, раздражительность, нарушения сна и многие другие нарушения работы организма так или иначе связаны с экологическим состоянием окружающей среды.

В выхлопных газах содержится множество тяжелых металлов, которые имеют свойства оседать в организме, накапливаясь постепенно. Опасность состоит в том, что зашлакованность организма происходит незаметно для человека, и в будущем совершенно неожиданно может вылиться в серьёзное заболевание, в частности резкое увеличение случаев появления у людей раковых опухолей дыхательной системы регистрируется в крупных городах, медики связывают с это с постоянным поглощением нашими легкими ядовитых веществ из атмосферы.

Высокая концентрация выхлопных газов в воздухе закрытого помещения может стать смертельной для человека. Было множество случаев, отравления и удушья от выхлопных газов в гаражах, где их скопление намного превышало допустимую норму.

Загрязнение воздуха представляет серьезную угрозу здоровью населения, способствует снижению качества жизни. По оценкам Агентства по охране окружающей среды, воздействие токсичных веществ, загрязняющих воздух ежегодно вызывает 1700…2700 разновидностей раковой болезни. В последние годы наблюдается тенденция роста раковых заболеваний, лейкемии и других угрожающих жизни заболеваний. Загрязнение воздуха является причиной шести процентов смертей в мире, утверждают специалисты Всемирной организации здравоохранения.

Через выхлопные трубы автомобилей в атмосферу выбрасывается более двухсот химических веществ. Самое токсичное воздействие на живые организмы оказывают соединения тяжелых металлов, среди них наиболее опасен свинец, накапливающийся в радиусе 100-200 м от дороги. По мнению ученых, он разрушает гормоны. Его высокое содержание в крови вызывает замедление роста, расстройства слуха и интеллектуальную деградацию, поскольку разрушает химические соединения в мозге живых существ [13].

Самый загрязненный город России Москва. Заболеваемость москвичей в среднем выше, чем по другим районам страны: распространены болезни органов дыхания, астма, различные виды аллергии, сердечно-сосудистые заболевания, болезни печени, желчного пузыря, органов чувств. Особенно тревожный показатель - младенческая смертность, в столице ее уровень в несколько раз выше, чем в Европе. Только каждый четвертый выпускник московской средней школы полностью здоров.

Ежегодно московский автотранспорт выбрасывает на каждого москвича 120 кг вредных веществ. В Санкт-Петербурге автомобильный транспорт ежегодно выбрасывает в атмосферу около двухсот тонн загрязняющих веществ.

Только за пять лет, с 1992 по 1997 год, страдающих бронхиальной астмой среди маленьких петербуржцев стало больше на 20%, болезнями эндокринной системы - на 15%, онкологическими заболеваниями - на 67%. По данным санитарных врачей, в 12 районах города каждый второй житель испытывает на себе негативное воздействие загрязненного воздуха. Это выражается в кашле, затрудненном дыхании, общем ухудшении самочувствия. В некоторых наиболее неблагоприятных местах страдают до 88% населения.

Более 100 крупных городов и регионов России характеризуются неблагоприятной для здоровья человека экологической обстановкой [14].

дизельный двигатель токсичность автомобиль

4. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Основными направлениями снижения токсичности отработавших газов являются:

1) законодательное регулирование качественного состава изготавливаемого и реализуемого топлива;

2) использование альтернативных видов топлива, как способ уменьшения токсичности отработавших газов;

3) рациональная организация движения автотранспорта;

4) совершенствования системы питания автомобилей.

4.1 Законодательное регулирование качественного состава изготавливаемого и реализуемого топлива

Качественный состав изготавливаемого и реализуемого топлива в России контролируется стандартами на топливо, региональными требованиями, в Европе -- нормативами ЕВРО.

В России является обязанностью органов технического осмотра ГАИ периодически контролировать доли оксидов углерода и углеводородов в выхлопе на двух частотах вращения, состояние предусмотренных систем нейтрализации на бензиновых двигателях [15], на газобаллонных [16] и дымность на дизельных двигателях [17].

В России вводятся повышенные ставки транспортного налога на мощность двигателя автомобиля. Топливо облагается специальными акцизами. Предусмотрены нормативы на выпускаемые автомобили. В России и европейских странах приняты стандарты ЕВРО, задающие как токсичность, так и количественные показатели. В таблице 4.1 приведены количественные показатели стандартов Евро-3 и Евро-4.

Таблица 4.1 - Количественные показатели стандартов Евро-3 и Евро-4

Название стандарта	Количество выбросов СН, г/км	Количество выбросов CO, г/км	Количество выбросов NOy, г/км
Евро-3	до 0,2	до 2,3	0,15
Евро-4	до 0,1	до 1,0	до 0,08

Как видно из таблицы 4.1 стандарты Евро с каждым разом совершенствуются , количество вредных выбросов уменьшаются.

В некоторых регионах вводятся ограничения на движение большегрузного автотранспорта (например в г.Москва). Считается, что распространение подобных норм и ограничений на территории с нормальной экологической обстановкой создаёт излишние затраты.

Соглашение о принятии единообразных условий официального утверждения и о взаимном признании официального утверждения предметов оборудования и частей механических транспортных средств (известное также как Соглашение о стандартизации транспортных средств или Женевское соглашение) было принято 20 марта 1958 года в Женеве. В рамках Соглашения было принято более 100 постановлений Европейской экономической комиссии ООН, обеспечивающих безопасность дорожного движения и защиту окружающей среды.

Страны, присоединившиеся к Соглашению, используют Правила ЕЭК при сертификационных испытаниях дорожных транспортных средств. Каждая сторона вправе принять все правила или часть их, о чем она по установленной процедуре уведомляет ЕЭК ООН за год до прекращения использования того или иного правила, направляя уведомление на имя Генерального секретаря ООН.

Среди правил ЕЭК и так называемые Европейские стандарты на загрязнения, производимые автомобильным транспортом. Согласно этим правилам и поправкам к нимвыделяют несколько типов стандартов "Евро" (Euro), которые отличаются предельными значениями загрязняющих веществ, производимых автомобильным транспортом.

Европейские экологические стандарты (нормы "Евро") регламентируют содержание в выхлопе автомобилей углеводородов, оксидов азота, угарного газа и твердых частиц. Содержание в выхлопе углекислого газа не оговаривается, однако Еврокомиссия предлагает ввести с 2012 года норму в 120 г/км. Различаются нормы для дизельных и бензиновых моторов, а также для легковых, легких коммерческих автомобилей разной массы, грузовиков и автобусов.

Стандарт "Евро-1" предусматривает выброс бензиновым двигателем оксида углерода (СО) не более 2,72 г/км, углеводородов (СН) - не более 0,72 г/км, оксидов азота (NO) - не более 0,27 г/км. "Евро-1" действовал в Европе с 1992 года, а в 1995 году его сменил более жесткий - "Евро-2".

В стандарте "Евро-2" были ужесточены почти в 3 раза нормы по содержанию в выхлопе углеводородов, они стали равны 0,29 г/км. Экологический стандарт "Евро-2" был принят правительством России осенью 2005 года.

Стандарт "Евро-3" - это снижение уровня выбросов по сравнению с "Евро-2" на 30-40 %. В "Евро-3" предусматривается максимальный выброс СО в количестве 0,64 г на километр пробега для легковых автомобилей.

По данным специалистов, "Евро-3" позволяет снизить уровень "грязных" выбросов по сравнению с "Евро-2" на 20 %. Стандарт "Евро-3" был введен в Евросоюзе в 1999 году, в России - с 1 января 2008 года.

Стандарт "Евро-4" жестче уровня "Евро-3" на 65 - 70%. Он был введен в Евросоюзе в 2005 году. Стандарт "Евро-4" позволяет снизить выброс в атмосферу вредных веществ на 40 % по сравнению со стандартом "Евро-3".

Стандарт "Евро-4" предусматривает снижение выбросов СО по сравнению с "Евро-3" в 2,3 раза, а углеводородов - в 2 раза.

"Евро-4" уменьшает содержание окиси азота в выхлопе на 30%, а твердых частиц - на 80%, содержание серы на 0,005%, ароматических углеводородов на 35%, бензола на 1%.

Стандарт "Евро-5" предусматривает для бензиновых двигателей снижение окисей азота и углеводородов на 25%, а для дизельных - снижение на 80% выбросов сажи и на 20% - окисей азота.

"Евро-5" также предусматривает сокращение выброса твердых частиц в выхлопных газах с нынешних 25мг/км ("Евро-4") до 5 мг/км. Это касается прежде всего дизелей. Содержание угарного газа в выхлопе дизелей должно сократиться на 20%, а у бензиновых двигателей - на 25%. Кроме того, уменьшены сроки эксплуатации катализаторов и установлены сроки эксплуатации для сажевых фильтров.

Стандарт "Евро-5" был введен в 27 странах ЕС 1 cентября 2009 года.

4.2 Использование альтернативных видов топлива, как способ уменьшения токсичности отработавших газов

Растущий интерес к альтернативным видам топлива для легковых и грузовых автомобилей обусловлен тремя существенными соображениями:

-альтернативные виды топлива, как правило, дают меньше выбросов, усиливающих смог, загрязнение воздуха и глобальное потепление;

-большинство альтернативных видов топлива производится из неисчерпаемых запасов;

-использование альтернативных видов топлива позволяет любому государству повысить энергетическую независимость и безопасность [18].

1) Природный газ.

Природный газ представляет собой альтернативный вид топлива, которое полностью сгорает и уже сейчас повсеместно доступно потребителям многих стран за счет снабжения природным газом домов и производственных объектов. При использовании в транспортных средствах, работающих на природном газе (автомобилях и грузовиках со специально спроектированными двигателями), природный газ дает значительно меньше вредных выбросов, чем бензин или дизельное топливо [19].

2) Электричество.

Электричество может использоваться в качестве альтернативного вида топлива для транспортных средств с питанием от аккумуляторных батарей, или работающих на топливных элементах. Работающие от батарей электрические транспортные средства накапливают энергию в батареях, которые заряжаются путем подключения транспортного средства к стандартному источнику питания. Транспортные средства на топливных элементах работают на электрической энергии, которая вырабатывается за счет электрохимической реакции, имеющей место при соединении водорода и кислорода. Топливные элементы производят электроэнергию без внутреннего сгорания и загрязнения окружающей среды [20].

3) Водород.

Водород можно смешивать с природным газом для создания альтернативного вида топлива для транспортных средств, в которых используются некоторые виды двигателей внутреннего сгорания. Водород также используется в транспортных средствах с топливными элементами, работающими на электричестве, вырабатываемом в результате реакции, которая происходит при соединении водорода и кислорода в топливной ячейке [19].

4) Пропан.

Пропан, также называемый сжиженным нефтяным газом, представляет собой побочный продукт переработки природного газа или сырой нефти. Он уже широко используется в качестве топлива при приготовлении пищи и для отопления; пропан также является распространенным альтернативным видом топлива для транспортных средств. При использовании пропана производится меньше вредных выбросов в атмосферу, чем при использовании бензина, кроме того, имеется высокоразвитая инфраструктура для транспортировки, хранения и распространения пропана.

5) Биодизельное топливо.

Биодизельное топливо представляет собой альтернативный вид топлива на основе растительных масел или животных жиров, даже тех, которые остаются в ресторанах после приготовления пищи. Двигатели транспортных средств можно модифицировать так, чтобы можно было сжигать биодизельное топливо в чистом виде; биодизельное топливо можно также смешивать с углеводородным дизельным топливом и использовать в неадаптированных двигателях. Биодизельное топливо безопасно, поддается биохимическому разложению и снижает содержание веществ, загрязняющих воздух таких как, твердые примеси, монооксид углерода и углеводороды.

6) Метанол.

Метанол, также известный, как древесный метиловый спирт, может использоваться в качестве альтернативного вида топлива в транспортных средствах с универсальной топливной системой, которые спроектированы для работы на M85, смеси, содержащей 85% метанола и 15% бензина. Но в наши дни не производят транспортных средств с метаноловыми двигателями. Тем не менее, в будущем метанол может стать важным альтернативным видом топлива в качестве источника водорода, который необходим для работы топливных элементов.

7) Этанол.

Этанол (еще называется этиловым спиртом или хлебным спиртом) представляет собой альтернативный вид топлива, его можно смешивать с бензином для получения топлива с более высоким октановым числом и меньшим содержанием вредных веществ в выбросах по сравнению с чистым бензином. Этанол производится за счет брожения зерновых продуктов таких как: кукуруза, ячмень или пшеница; и дистилляции. Также его можно производить из многих видов трав и деревьев, хотя здесь технология будет более сложной, в таком случае эго называют биоэтанолом.

В соответствии с Законом об энергетической политике от 1992 г. смеси, содержащие не менее 85% этанола, считаются альтернативными видами топлива.

E85, смесь состоящая на 85% из этанола и на 15% из бензина, используется в транспортных средствах с универсальной топливной системой, которые предлагаются большинством производителей транспортных средств. Транспортные средства с универсальной топливной системой могут работать на бензине, E85, или на любом сочетании этих двух видов топлива.

Смеси с большим содержанием этанола, такие как E95, также являются отличными альтернативными видами топлива. Смеси с более низкими концентрациями этанола, такие как E10 (10% этанола и 90% бензина), иногда используются для увеличения октанового числа и повышения качества выбросов, но они не рассматриваются как альтернативные виды топлива.

8) Виды топлива серии P.

Топливо серии P представляет собой смесь этанола, газоконденсатной жидкости и метилтетрагидрофурана, вспомогательного растворителя, полученного из биомассы. Виды топлива серии P представляют собой прозрачные альтернативные виды топлива с высоким октановым числом, которые можно использовать в транспортных средствах с универсальной топливной системой. Топлива серии P можно использовать в чистом виде или в смеси с бензином в любом соотношении путем простого добавления бензина в бак [21].

4.3 Рациональная организация движения автотранспорта

Развитие работ по рациональной организации движения автотранспорта в городах, совершенствование дорожного строительства должно обеспечить безостановочного движения на автомагистралях. Значительное влияние на количество выбросов (не считая сжигания топлива и времени) играет организация движения автомобилей в городе (значительная часть выбросов происходит в пробках и на светофорах). При удачной организации возможно применение менее мощных двигателей, при невысоких (экономичных) промежуточных скоростях [22].

4.4 Совершенствования системы питания автомобилей

Методы, используемые для снижения токсичности отработавших газов двигателей с искровым зажиганием, делятся на две основные категории: конструктивные методы и очистка отработавших газов. Основные промышленно развитые страны стремятся внедрить у себя строгие нормы предельной токсичности отработавших газов. Выполнение этих норм требует использования систем снижения токсичности, включающих трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, который уже доказал свою эффективность в США, Европе и Японии [23].

Снижение токсичности методом дозирования топлива. Рабочая смесь, качество которой определяется коэффициентом избытка воздуха л, оказывает решающее влияние на состав отработавших газов. Двигатель обеспечивает получение максимального крутящего момента при л = 0,9 - эта величина обычно программируется для режима полной нагрузки двигателя. Оптимальная топливная экономичность достигается при смесях, характеризующихся л = 1,1. Это совпадает с возможностью получения низких выбросов CO и CH. Однако выбросы оксидов азота (NOx) при этом оказываются максимальными. Коэффициент избытка воздуха л = 0,9 … 1,05 выбирается для режима холостого хода двигателя. Слишком обедненная смесь приводит к появлению пропусков воспламенения, а так как смесь постепенно обедняется и далее, это влечет за собой быстрое увеличение выбросов СН. Для предотвращения работы двигателя на сверхвысоких оборотах, когда требуется постоянное использование богатой смеси, осуществляется полное прекращение подачи топлива к двигателю. Системы впрыска топлива позволяют добиться более точного контроля за составом смеси и значительно снизить количество выбросов отработавших газов [24].

Снижение токсичности отработавших газов точным смесеобразованием. Однородность смеси, ее послойное распределение и температура в зоне свечи являются основными факторами при определении способности смеси к воспламенению и последующему сгоранию с соответствующим влиянием на состав отработавших газов. Однородные смеси и регулируемое послойное смесеобразование (богатая смесь у свечи зажигания и бедная смесь вблизи стенок камеры сгорания) представляют два пути совершенствования процесса смесеобразования. На двигателях с одноточечным впрыском топлива для предотвращения отложения пленки топлива на стенках впускного трубопровода используется предварительный нагрев воздуха и впускного трубопровода [25].

...