Реферат: Современная экология и ее проблемы

Количество загрязняющих веществ пропорционально расходу топлива, поэтому более экологичны двигатели, расходующие мень­ше топлива. Сокращение расхода топлива можно добиться умень­шением массы автомобиля. Легко рассчитать, что расход топлива автомобилем прямо пропорционален его массе. Особенно сильно масса влияет на расход топлива при разгоне и торможении. На многих моделях автомобилей сталь и чугун заменяют легкими сплавами, композитами и пластмассами. Даже блоки цилиндров делают сейчас из легких сплавов. Другой резерв экономии топли­ва — более полный учет аэродинамического сопротивления автомо­биля. Наиболее существенная экономия топлива может быть получена для большегрузных автомобилей и автопоездов. Другая проблема (не только экономическая, но и сугубо экологическая) — сокращение холостого пробега. Автомобиль, “возящий воздух”, не только зря “сжигает деньги”, но и отравляет атмосферу.

В повышении экологичности автотранспорта важно следить за его техническим состоянием. Одна неработающая свеча карбюра­торного двигателя повышает расход топлива на 15 — 20%, неисправность одной форсунки дизельного двигателя увеличивает расход топлива еще больше — до 28%. Плохо отрегулированный карбюратор ведет к росту образования окиси углерода до 15%.

Значительная перспектива в повышении экологичности двига­телей внутреннего сгорания связана с поиском принципиально новых технических решений. Эти усовершенствования и поиски идут по целому ряду направлений. На них следует остановиться особо.

Изменения в системе зажигания должны значительно повыси­ть экологичность автомобильного транспорта. Одна из основных причин загрязнения воздуха автомобильными двигателями — несовершенство системы зажигания. Разрабатываются новые прин­ципы и схемы зажигания:

— бесконтактное электронное зажигание (оно ставится на многих двигателях, в том числе и советских) обеспечивает стабиль­ность работы при более интенсивном разряде на свечах;

— форкамерное (или факельное) зажигание позволяет умень­шить выброс в атмосферу всех токсичных компонентов, экономит до 10% топлива. Работа форкамерного зажигания основана на том, что в малой форкамере обычной электрической искрой поджигается богатая бензиновая смесь. Факел, образующийся при возгорании, зажигает остальную, более бедную часть смеси. Сгорание топлива улучшается при таком зажигании.

Улучшение систем подачи топлива осуществляется следующи­ми путями:

— изменением клапанного механизма для лучшего распыления и перемешивания смеси при ее поступлении в цилиндры;

—установкой двух карбюраторов (вместо одного) на двигателе. Один карбюратор обеспечивает работу двигателя на обедненной смеси в холостом режиме, другой работает при возрастании мощности на рабочих режимах. Существуют модели карбюраторов, совмещающие в едином блоке устройства, обеспечивающие оба режима работы;

— заменой карбюратора системой форсунок, осуществляющей впрыскивание топлива во впускной трубопровод или в цилиндры. Такая система позволяет достаточно равномерно распределить топливо внутри цилиндра, так как идет хорошее перемешивание топлива с воздухом.

Сложность внедрения этих систем состоит в том, что они могут быть установлены только на вновь выпускаемых автомобилях.

Усовершенствование ими старых двигателей практически нереаль­но.

Нейтрализация выхлопных газов заключается в установке небольших приборов, обеспечивающих дожигание и разложение продуктов неполного сгорания (нейтрализаторов) на выхлопную трубу. Такие нейтрализаторы, как правило, обеспечивают разложе­ние окислов азота NO_x на составные элементы — азот и кислород. Существуют два основных вида нейтрализаторов — термические и каталитические.

Термические нейтрализаторы осуществляют пламенное дожи­гание окиси углерода СО, превращая ее в двуокись углерода СО₂ , а также тех альдегидов и углеводородов, которые не сгорели в цилиндре. Это сгорание происходит при температурах 500 — 600°С.

Каталитические нейтрализаторы дожигают СО, альдегиды, углеводороды, а также N0₂ Выполняются они по двухкамерной схеме с дополнительной подачей воздуха. Лучший, но очень дорогой катализатор — платина. Окись алюминия используется в нейтрализаторах, производимых в нашей стране. Эти нейтрализа­торы ставятся на карбюраторные и дизельные двигатели. На схеме 1 показана схема каталитического нейтрализатора.

Схема 1

Нейтрализация окислов азота

В мировом автомобилестроении достаточно широко использу­ются найтрализаторы. Здесь есть свои недостатки: удорожание автомобиля, неполное (даже в очень хороших нейтрализаторах) сгорание отработавших газов, некоторое ухудшение характеристик двигателя (при некоторых схемах нейтрализаторов). Но требова­ния чистоты воздуха заставляют все шире использовать их для очистки выхлопов автомобилей, несмотря на многие недостатки.

Кроме доработки существующих схем карбюраторного двигателя, осуществляются разработки новых типов двигателей, прежде всего для легкового автомобильного транспорта.

Дизельные двигатели, традиционно применяемые на грузовых автомобилях и автобусах, все шире находят применение в легковом автомобилестроении. Их преимущества: меньшая по сравнению с карбюраторными двигателями суммарная токсичность выхлопных газов (хотя по ряду показателей — сажа, сернистые соедине­ния — дизельные двигатели более токсичны), более высокий КПД (до 35%), возможность работы на более дешевом топливе.

Газотурбинный двигатель давно испытывается на автотран­спорте и, прежде всего, на грузовиках и автобусах. Преимущества­ми этого типа двигателей являются существенно меньшая токсич­ность отработанных газов, малая масса, высокая удельная мощ­ность (т.е. мощность на единицу массы), плавность работы, низкий уровень шума. Однако распространение этого типа двигателей сдерживают два основных недостатка: низкая топливная экономич­ность, т.е. относительно большой расход топлива при той же мощности двигателя, плохие эксплуатационные характеристики, например сложности остановки и торможения.

Электрические двигатели проходят испытания во многих стра­нах. Первые образцы электромобилей были созданы еще в конце XIX в. Считается, что электромобиль — это экологически чистое транспортное устройство. Он идеален в эксплуатации в условиях города. Строго говоря, абсолютно чистого экологически техниче­ского устройства быть не может. Что касается электромобиля, то неясной проблемой во многих отношениях остается воздействие создаваемых им электрических полей на организм человека, что касается и вообще всех электрических приборов, окружающих нас. Очевидны и многократно доказаны экологические достоинства электромобиля: отсутствие выхлопов, очень малый шум. Есть и чисто технические и эксплуатационные преимущества: легкость управления, хорошие тяговые характеристики, отсутствие сложных трансмиссий. Но в реальной практике все эти плюсы электромобиля перечеркиваются его существенным недостатком — низкой энерго­емкостью электрических батарей (для сравнения: энергоемкость свинцово-кислотной батареи — 40 Вт-ч/кг, а бензина — 11 тыс.Вт-ч/кг). Для пробега без подзарядки около 400 км масса батареи должна быть порядка 1,0 — 1,5 т. Обычному легковому автомобилю для такой поездки нужно от 25 до 40 л бензина.

Создано несколько десятков различных видов аккумуляторов:

никель-железные, никель-цинковые, никель-кадмиевые, серебря­но-цинковые и др. Они имеют различные сроки службы, измеряе­мые в количестве циклов зарядки — от 200 до 3000. После этого батарею необходимо менять. Важным показателем является время зарядки: для свинцово-кислотной батареи оно равно приблизитель­но 6 ч, а для никель-кадмиевой — несколько минут.

Все действующие модели электромобиля работают в городе, расстояние их пробега между двумя подзарядками — от 60 до 100 км. Существуют гибридные автомобили, включающие как двигате­ли внутреннего сгорания, так и электродвигатели. Несмотря на все очевидные преимущества, широкое внедрение таких автомобилей ограничивается их очень высокой стоимостью.

Еще один вариант — электромобиль, работающий от солнечных батарей. Такие автомобили интересны в настоящее время с исследо­вательской стороны. Реальное их транспортное использование ограничено малой мощностью, небольшим пробегом (10 — 20 км), высокой стоимостью.

Другая альтернатива автомобилю — транспорт на магнитной подвеске. В ФРГ и Японии уже работают подобные линии. Но у автомобиля в его традиционном понимании в сравнении с транспор­том на магнитной подвеске есть немаловажное преимущество:

гораздо более высокая относительная автономность. Так что транс­порт на магнитной подвеске — это скорее альтернатива железнодо­рожному транспорту, метро, трамваю и др.

Но не только в изменении конструкций двигателей, поиске их новых типов заключается прогресс автомобилестроения. Надежды (прежде всего экологические) связаны с разработкой новых видов топлива. Первое направление — использование примесей и приса­док, снижающих токсичность двигателя. Токсичность существую­щих видов топлива определяется тем, что большинство применяе­мых бензинов являются этилированными, т.е. содержащими тетраэтил-свинец (0,4 — 0,8 г/л). Это соединение свинца позволяет поднять степень сжатия смеси в цилиндре, т.е., избежав взрыва, увеличить мощность двигателя. Свинец, являющийся антидетона­тором, —одно из самых вредных веществ в выхлопных газах, поэтому ведется поиск новых смесей и присадок. Одна из них —антидетонатор на основе марганца, имеющий существенно мень­шую токсичность. Добавление этого антидетонатора в бензин значительно повышает октановое число.

Еще одно направление в повышении экологичности двигате­ля — поиск новых смесей, например водобензиновых. Добавление воды в бензин приводит к некоторому росту мощности двигателя и существенному снижению токсичности выхлопных газов (особенно окисей углерода и азота). Возможно использование газового топли­ва (первые модели автомобилей в XIX в. работали на газе, лишь затем предпочтение было отдано более энергоемкому бензину).