Проблемы, связанные с использованием автомобилей, изучаются давно в российской науке и практике. Одной из основных проблем является необходимость изучения состава выхлопных газов от эксплуатации автомобилей в целях снижения их вредного воздействия.
Вопросы, связанные с работой двигателей внутреннего сгорания, исследовали такие авторы, как К. С. Голохваст, Н. К. Христофорова и др. [1], М. С. Ассад, В. В. Грушевский [2], Суфиянов Р. Ш., Моисеев А. Э. [3], Смоленская Н. М., Смоленский В. В. [4], Садов А. А., Говорухин И. А. [5].
Цель данной статьи — провести анализ состава выхлопных газов, образуемых при работе двигателя внутреннего сгорания и рассмотреть пути снижения их вредного воздействия на экологию, а также экономичность.
Актуальность темы заключается в том, что выхлопные газы загрязняют окружающую среду. В современных условиях всеобщей проблемой является глобальное потепление, а также высокий уровень загрязнённости городов. Одной из основных причин этого является растущее количество автомобилей, образующих выхлопные газы.
Для отдельного человека значимость темы заключается в необходимости выбора типа двигателя и оптимального топлива для него с точки зрения экономичности расхода самого топлива, обслуживания двигателя, а также долговечности его использования.
Следует рассмотреть сам двигатель внутреннего сгорания и процессы, происходящие в нём.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — тепловой двигатель, где химическая энергия топлива, сгорающая в камере сгорания, преобразуется в механическую работу.
Процессы, происходящие в двигателе внутреннего сгорания в течение каждого из 4 тактов (такты — отдельные процессы, протекающие в цилиндре за один ход поршня и составляющие полный рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания):
− впрыск — камера сгорания расширяется, клапан открыт и наполняется топливной смесью;
− сжатие — клапан закрыт, поршень движется вверх, объем камеры уменьшается;
− рабочий такт — происходит воспламенение топливной смеси. Смесь расширяет камеру сгорания, толкая поршень;
− выпуск — поршень идёт вверх, клапан открыт, камера сгорания очищается от продуктов горения.
ДВС классифицируют по разным признакам.
1) по устройству: газотурбинные — работа сгорания воспринимается рабочими лопатками; реактивные — используется реактивное давление, возникающее при истечении продуктов сгорания из сопла; поршневые — работа газообразных продуктов сгорания производится в цилиндре, или используется в машине, приводимой в действие. Поршневые двигатели бывают двухтактные и четырёхтактные.
Двухтактный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два хода поршня.
Четырехтактный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за четыре хода поршня.
2)по назначению: транспортные (автомобильные, судовые, самолётные); стационарные — работает на одном месте и прикреплен к фундаменту или к жесткой неподвижной раме; специальные — применение таких двигателей позволяет упростить электропривод и придать ему некоторые свойства, которые двигатели общего назначения не обеспечивают.
3) по виду применяемого топлива: работающие на тяжёлом топливе (дизельные); газовые; бензиновые.
Дизельное топливо — жидкий продукт, использующийся как топливо в дизельном двигателе внутреннего сгорания;
Газ, используемый как топливо в ДВС — это пропан-бутан и метан.
Наиболее распространены бензиновые двигатели, которые используются в легковых автомобилях. Именно они представляют наибольший интерес для раскрытия темы.
Бензин — бесцветная горючая жидкость, получаемая переработкой нефти. Бензин производится нескольких марок, их характеристики даны в таблице 1.
Таблица 1
Марки бензина иих характеристики
|
Марка |
ГОСТ/ТУ |
Октановое число (моторный метод) |
Октановое число (исследовательский метод) |
|
А-92 |
ТУ38.001165–87 |
83 |
92 |
|
АИ-93 |
ГОСТ 2084–77 |
85 |
93 |
|
АИ-95 |
ГОСТ 2084–77 |
87 |
95 |
|
АИ-98 |
ГОСТ 2084–77 |
89 |
98 |
Октановое число — это показатель, характеризующий детонационную стойкость топлива, который применяется в ДВС с внешним смесеобразованием.
В России в настоящее время приняты и применяются только 2 метода для определения уровня октана в бензине. Исследовательский метод определения октанового числа означает проведение испытаний в строгом соответствии с ГОСТ 8226–82 [6] и ГОСТ Р 32339–2013 [7]. Моторный метод определения октанового числа предусмотрен ГОСТ 511–81 [8] и ГОСТ Р 32340–2013 [9]. Сравнительный анализ дизельного и бензинового двигателя представлен в таблице 2.
Таблица 2
Сравнительные характеристики дизельного ибензинового двигателей
|
Дизельный двигатель |
Бензиновый двигатель |
|
Преимущества |
|
|
- дизельное топливо меньше подвержено возгоранию — дизельный агрегат более экологичный, так как полноценнее и эффективнее сжигает топливный заряд. Дизельное топливо также более экологически чистое, чем бензин — расход горючего на дизеле на 30–35 % меньше, чем у бензиновых моторов — ресурс дизельного двигателя больше, чем у бензиновых моторов — отсутствие в конструкции дизеля системы зажигания исключает целый ряд проблем, которые присущи бензиновым силовым агрегатам |
- бензиновые двигатели мощнее дизельных — шум от бензинового двигателя меньше, чем у дизельного — бензиновый двигатель работает тише, чем дизельный — бензиновый мотор выгоднее дизельного по стоимости обслуживания |
|
Недостатки |
|
|
- дизель восприимчив к морозам — стоимость дизельного автомобиля на 25–35 % дороже аналогов на бензине. Двигатель также более дорогой в обслуживании и ремонте. Также владельцы дизельных автомобилей должны чаще менять фильтры и масла — дизельный мотор тяжелее бензинового, что влияет на развесовку автомобиля, его динамические характеристики и управляемость |
- тяга на низах значительно хуже — серьёзная требовательность к качеству масел — больший расход топлива с ростом нагрузки — взрыво- и пожароопасность выше, чем у дизельного топлива |
С точки зрения экологичности лучше использовать дизельное топливо. Разница в цене и расход топлива также говорят в пользу дизельного двигателя.
Независимо от вида топлива, в процессе работы ДВС происходит образование выхлопных газов. Выхлопные газы — основной источник токсичных веществ, двухтактного и четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, которые загрязняют окружающую среду.
Основными компонентами выхлопных газов двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводорода (таблица 3).
Таблица 3
Состав выхлопных газов при работе разных ДВС
|
Компоненты выхлопного газа |
Содержание по объему,% |
Токсичность |
|
|
бензиновый двигатель |
дизельный двигатель |
||
|
Азот |
74,0–77,0 |
76,0–78,0 |
нет |
|
Кислород |
0,3–8,0 |
2,0–18,0 |
нет |
|
Пары воды |
3,0–5,5 |
0,5–4,0 |
нет |
|
Диоксид углерода |
5,0–12,0 |
1,0–10,0 |
нет |
|
Оксид углерода |
0,1–10,0 |
0,01–5,0 |
да |
|
Углеводороды неканцерогенные |
0,2–3,0 |
0,009–0,5 |
да |
|
Альдегиды |
0–0,2 |
0,001–0,009 |
да |
|
Оксид серы |
0–0,002 |
0–0,03 |
да |
|
Сажа, г/м3 |
0–0,04 |
0,01–1,1 |
да |
|
Бензпирен, мг/м3 |
0,01–0,02 |
до 0,01 |
да |
Азот — хим. элемент 15-й группы с атомным номером 7. Это простое вещество представляет собой двухатомный газ без вкуса, запаха и цвета.
Кислород — химический элемент 16-й группы с атомным номером 8. Химически активный неметалл и самый лёгкий элемент из группы халькогенов.
Пары воды — газообразное агрегатное состояние воды. Отсутствует вкус, запах и цвет. Образуются молекулы воды при её испарении.
Диоксид углерода — бесцветный газ, почти не имеет запаха, с химической формулой СО2, плотность 1,98 кг/м3. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом.
Оксид углерода — бинарные химические соединения углерода с кислородом. Кроме углекислого газа и угарного газа остальные оксиды углерода относятся к органическим соединениям.
Альдегиды — класс органических соединений, которые содержат альдегидную группу.
Оксид серы — соединение серы с кислородом состава SO2. Бесцветный газ с резким запахом, токсичен. Под давлением сжимается при комнатной температуре.
Сажа — аморфный углерод, продукт неполного сгорания или термического разложения углеводородов в неконтролируемых условиях. Применяется в резинотехнической и в шинной промышленности.
Бензпирен — ароматическое соединение, вещество первого класса опасности. Образуется при сгорании углеводородного жидкого, твёрдого и газообразного топлива.
При работе двигателя на этилированном бензине в составе выхлопных газов присутствует свинец, а у двигателей, работающих на дизельном топливе — сажа.
Несмотря на плюсы дизельного топлива, бензиновые двигатели наиболее распространены, соответственно бензин — наиболее используемое топливо в легковых автомобилях. При его сгорании происходит 92 % выбросов СО, из них 63 % углеводородов и 46 % оксидов азота. При недостатке воздуха происходит сгорание топлива и образуется большое количество оксида углерода.
Выводы ирекомендации
Чтобы снизить вредное воздействие выхлопных газов на окружающую среду, разработаны новые экологически чистые виды топлива:
1) биодизель — на основе растительных масел применяется в чистом виде и в качестве различных смесей с дизельным топливом;
2) сжатый воздух — помогает малолитражным машинам сократить расход топлива до 3 л на 100 км. Пневмогибрид может передвигаться до 80 % времени на сжатом воздухе, не создавая при этом вредных выбросов.
3) солнечные батареи — такие автомобили оснащены панелями, собирающие солнечную энергию и блоком батарей ёмкостью 6 киловатт-часов. При отсутствии солнечного света запаса батарей хватает на 600 км.
4) жидкий водород — такие автомобили могут работать на бензине и на жидком водороде. Они имеют бензиновый бак на 74 литра и резервуар для хранения 8 кг жидкого водорода. Эти автомобили могут использовать оба вида топлива во время одной поездки: переключение горючего происходит автоматически.
5) электрический двигатель — это элемент электропривода. Состоит из подвижной части (ротора) и неподвижной (статора). После подачи питания ротор вращается. Электрические двигатели в последнее время находят широкое применение в легковых автомобилях.
Также чтобы улучшить экологическую обстановку, необходимо реализовывать следующие мероприятия:
− производить строительство дорог по новым технологиям, что уменьшает выхлопы за счет уменьшения нагрузки на двигатель и увеличения скорости;
− уменьшить вред от эксплуатации транспорта за счёт использования его экологически чистых видов и общественного транспорта;
− улучшать качество горюче-смазочных материалов.
Литература:
- Голохваст К. С., Христофорова Н. К. и др. Состав суспензии выхлопных газов автомобилей // Методы экологических исследований. 2013. № 6. С. 95–101.
- Ассад М. С., Грушевский В. В. и др. Измерение концентрации полициклических ароматических углеводородов в продуктах сгорания бензинового двигателя // Горение и взрыв. 2016. № 9..4. С. 22–27.
- Суфиянов Р. Ш., Моисеев А. Э. Измерение содержания оксида углерода в выхлопных газах автомобильного транспорта // XII международная научно-практическая конференция. МЦНС «Наука и просвещение». 2018. С. 65–68.
- Смоленская Н. М., Смоленский В. В. Токсичность отработавших газов в бензиновых двигателях при работе на сжатом природном газе и бензине // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2018. Т.18. № 4. С. 57–65.
- Садов А. А., Говорухин И. А. и др. Влияние транспорта на окружающую среду и мероприятия // Молодежь и наука. 2014. № 4. С. 28.
- ГОСТ 8226–82 (СТ СЭВ 2183–80) Топливо для двигателей. Исследовательский метод определения октанового числа.
7. ГОСТ 32339–2013 (ISO 5164:2005) Нефтепродукты. Определение детонационных характеристик моторных топлив. Исследовательский метод.
8. ГОСТ 511–2015 Топливо для двигателей. Моторный метод определения октанового числа.
9. ГОСТ 32340–2013 (ISO 5163:2005) Нефтепродукты. Определение детонационных характеристик моторных и авиационных топлив. Моторный метод.
