Альтернативні екологічні види палива для автомобілів
Автомобільний транспорт як джерело забруднення довкілля. Причини утворення токсичних компонентів у відпрацьованих газах ДВЗ
В останні роки у зв'язку із зростанням щільності руху автомобілів у містах різко побільшало забруднення атмосфери продуктами згоряння двигунів. Випускні гази двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) складаються в основному з нешкідливих продуктів згоряння палива – вуглекислого газу та пари води. Однак у відносно невеликій кількості в них містяться речовини, що мають токсичну та канцерогенну дію. Це окис вуглецю, вуглеводні різного хімічного складу, оксиди азоту, що утворюються в основному при високих температурі та тиску.
При горінні вуглеводневого палива відбувається утворення токсичних речовин, пов'язане з умовами горіння, складом та станом суміші. У двигунах з примусовим займанням концентрація окису вуглецю досягає великих значень через нестачу кисню для повного окислення палива при їх роботі на багатою паливом суміші.
При русі автомобілів в місті і на дорогах зі змінним ухилом і швидко мінливими швидкостями з включеною передачею і відкритою дросельною заслінкою двигунам доводиться близько 1/3 дорожнього часу працювати в режимі примусового холостого ходу. На примусовому холостому ходу двигун не віддає, а навпаки, поглинає енергію, накопичену автомобілем. При цьому нераціонально витрачається паливо, посилене всмоктування якого призводить до найбільшого викиду токсичних газів СО та СН в атмосферу.
Автомобільні вихлопні гази – суміш приблизно 200 речовин. У них містяться вуглеводні-не згорілі або не повністю згорілі компоненти палива, часткаяких різко зростає, якщо двигун працює на малих оборотах чи момент збільшення швидкості на старті, тобто. під час заторів та біля червоного сигналу світлофора. Саме в цей момент, коли натискають на акселератор, виділяється найбільше частинок, що не згоріли: приблизно в 10 разів більше, ніж при роботі двигуна в нормальному режимі. До незгорілих газів відносять і звичайний окис вуглецю, що утворюється в тій чи іншій кількості всюди, де щось спалюють. У вихлопних газах двигуна, що працює на нормальному бензині та при нормальному режимі, міститься в середньому 2,7% оксиду вуглецю. За зниження швидкості ця частка збільшується до 3,9%, але в малому ходу—до 6,9%.
Основними експлуатаційними чинниками, які впливають рівень шкідливих викидів двигунів, є чинники, що характеризують стан деталей цилиндропоршневой групи (ЦПГ). Підвищений знос деталей ЦПГ та відхилення від їх правильної геометричної форми є причиною збільшення концентрації токсичних компонентів у відпрацьованих газах (ОГ) та картерних газах (КГ).
Базовою деталлю ЦПГ, від якої залежить працездатність та екологічність двигуна, є циліндр, тому що герметичність камери згоряння залежить від ущільнюючої здатності кільця в поєднанні з циліндром. Від технічного стану циліндрів та поршневих кілець головним чином залежить інтенсивність зростання зазорів між кільцями та канавками поршнів. Таким чином, контроль та регулювання зазору між кільцем і циліндром в процесі експлуатації є суттєвим резервом зниження кількості шкідливих домішок в ОГ і КГ за допомогою поліпшення умов згоряння палива та зниження кількості олії, що залишилася в надпоршневому просторі.
Токсичними викидами ДВЗ є відпрацьовані та картерні гази. З ними надходить у повітря близько 40%токсичних домішок від загального викиду Вміст вуглеводнів у відпрацьованих газах залежить від технічного стану та регулювань двигуна і на холостому ході коливається від 100 до 5000% і більше. При загальній невеликій кількості картерних газів, що дорівнює 2-10% відпрацьованих газів у загальному забрудненні атмосфери, частка картерних газів становить близько 10% у мало зношених двигунів і зростає до 40% при експлуатації двигуна зі зношеною циліндропоршневою групою, т.к. концентрація вуглеводнів у картерних газах у 15-10 разів вища, ніж у відпрацьованих двигунах. Кількість КГ, а також їх хімічний склад залежить від стану деталей ЦПГ, здійснюють ущільнення камери згоряння. Від величини зазорів між деталями ЦПГ, що труться, залежить проникнення газів з циліндра в картер і назад. При цьому збільшується частка вуглеводнів з канцерогенними властивостями через підвищений чад олії та збільшеної витрати картерних газів через замкнуту систему вентиляції картера.
До досягнення граничного зношування двигуна викиди збільшуються в середньому на 50%. На прикладі прискорених випробувань, проведених у НАМІ, встановлено, що знос двигуна збільшує викиди ОГ вуглеводнів у 10 разів. Основна маса двигунів з підвищеною димністю ОГ посідає двигуни, що пройшли капітальний ремонт.
Ступінь розущільнення камери згоряння залежить від зношування деталей ЦПГ, відхилення їх макрогеометри від правильної геометричної форми. При збільшенні нещільностей камери згоряння відбувається зростання СО та СН та зниження СО2 внаслідок погіршення умов згоряння палива. Крім зниження якості організації робочого процесу, зазори між кільцем і циліндром, а також зазори між кільцем і канавкою поршня призводять до збільшення кількості олії, що потрапила в надпоршневий простір,до збільшення відхилення від заданої динаміки тепловиділення у процесі згоряння, отже, - збільшення загальної маси токсичних викидів. Олія становить 30-40% твердих часток ОГ.
Базовою деталлю ЦПГ є циліндр, від якого залежить економічна та екологічна доцільність експлуатації двигуна. Зношування гільз циліндрів має виражену форму овалу, велика вісь якого розташована в площині гойдання шатуна. Причиною утворення овальності циліндрів головним чином є збільшене навантаження поршнів на гільзи саме в площині хитання шатунів. На овальність циліндрів впливає також недосконалість технології збирання блоку циліндрів. Зміна макрогеометрії циліндрів (овальності та конусності) після складання двигуна також призводить до погіршення прилягання поршневих кілець до дзеркала циліндра. Відомо, що при встановленні гільз в блоки різних марок ДВЗ, овальність в циліндрах збільшується в 2-3 рази.
Дуже важливо відзначити, що характер спотворення макрогеометрії гільз циліндрів після складання та в процесі експлуатації однаковий для більшості конструкцій блоків циліндрів з мокрими гільзами. Велика вісь овалу циліндра, що утворюється при складанні, в зоні зупинки верхнього компресійного кільця у верхній мертвій точці поршня має таку ж спрямованість, як і велика вісь овалу, що утворюється при експлуатації. Такий характер деформації циліндрів пояснюється більшою деформацією блоку у місцях між розточуванням під гільзи.
Зниження овальності циліндрів сприяє зниженню інтенсивності зношування кілець і канавок поршнів, що в цілому сприяє поліпшенню роботи поршневих кілець та покращенню ущільнення камери згоряння. Відомо, що заміна маслознімних кілець після вироблення граничного ресурсу певною мірою відновлює середній.рівень токсичності двигуна Безперечно, якщо при заміні кілець провести регулювання овальності циліндрів до рівня граничної величини на виготовлення нових гільз, то ефект буде набагато значнішим.
Розробка нових способів змішування та розчинення та математичного опису впливу відповідних присадок та добавок у нафтовому паливі дозволить значно скоротити час на розробку нових складів альтернативних палив та передбачення їх фізико-хімічних властивостей, що дозволить довести робочий процес двигуна при використанні нових альтернативних палив.
Аналіз вітчизняної та зарубіжної літератури показав, що розвиток переходу на нові види палива проходитиме три основні етапи. На першому етапі використовуватиметься стандартне нафтове паливо, спирти, добавки водню та водневмісних палив, газове паливо та різні їх поєднання, що дозволить вирішити проблему часткової економії нафтового палива. Другий етап базуватиметься на виробництві синтетичних палив, подібних до нафтових, вироблених з вугілля, горючих сланців тощо. На цьому етапі вирішаться проблеми довгострокового постачання існуючого парку двигунів новими видами палива. На заключному, третьому етапі буде характерним перехід до нових видів енергоносіїв та енергосилових установок (робота двигунів на водні, використання атомної енергії).
Також дуже слабко досліджено питання про застосування в дизелях синтетичного рідкого палива (СЖТ), що виробляється з вугілля. Різні літературні дані не дозволяють дати однозначну оцінку впливу СЖТ на робочий процес, у зв'язку з тим, що його фізико-хімічні властивості дуже залежать від вихідної сировини та технології переробки.
Найбільш ймовірним джерелом моторного палива можуть бути спирти,проте слід врахувати їх дуже погані моторні властивості у разі використання в дизелях. Застосовувані способи використання спиртових палив вимагають додаткового ускладнення конструкції (установка карбюраторів, свічок запалювання або другої паливної системи) або подорожчання палива (використання добавок, що підвищують цетанове число). Найбільш оптимальним у цій ситуації може бути спосіб використання розчинів етанолу або метанолу з дизельним паливом у дизелях.