Конструкторско-технические мероприятия по защите атмосферы.

Конструкторско-технические мероприятия позволяют внедрить современные инженерные, санитарно-технические и технологические средства защиты окружающей среды от вредных воздействий на предприятиях и объектах транспорта, технические новшества в конструкции подвижного состава.

Экологическая безопасность будет повышаться за счет улучшения экологических по­казателей транспортных средств, совершенствования технологических процессов и оборудования, применяемых в перевозочном процессе, при ремонте и техническом обслуживании.

На подвижном составе осуществляемые конструкторско-технические мероприятия группируются по направлениям:

- повышение экономичности двигателей;

- использование экологически более чистых видов топлива, применение электрической энергии;

- снижение массы конструкции;

- уменьшение сопротивления движению;

- снижение токсичности отработавших газов;

На стационарных источниках сокращение вредных выбросов достигается переходом к экологически безопасным ресурсосберегающим технологиям.

1. Повышение экономичности двигателей достигается совершенствованием их конструкции. Оно позволяет сократить потребление топлива и соответственно снизить выбросы загрязняющих веществ. Одновременно обеспечивается сбережение топливно-энергетических ресурсов, что является еще одной важной экологической задачей.

Работы по совершенствованию конструкции интенсивно ведутся как для бензиновых двигателей, так и для дизелей. К настоящему времени в этой области предложено много технических решений, поиски продолжаются. Среди внедряемых мероприятий по повышению экономичности ДВС автомобилей в настоящее время можно перечислить нижеследующие.

1.1. Дизелизация транспортных средств или перевод транспортных средств на дизельное топливо. Несмотря на достигнутый высокий уровень технического со­вершенствования систем питания с карбюраторами, они имеют ограниченный предел адаптации к различным режимам работы двигателя. В связи с этим в автомобилеразвитых странах произо­шел отказ от применения карбюраторных двигателей.

По конструкции дизельный двигатель не отличается от обычного бензинового - те же цилиндры, поршни, шатуны. Правда, клапанные детали существенно усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки - ведь степень сжатия у него намного выше (19-24 единиц против 9-11 у бензинового). Именно этим объясняется большой вес и габариты дизельного двигателя в сравнении с бензиновым.

Принципиально отличие заключается в способах формирования топливно-воздушной смеси, ее воспламенения и сгорания. У бензинового мотора смесь образуется во впускной системе, а в цилиндре воспламеняется искрой свечи зажигания. В дизельном двигателе подача топлива и воздуха происходит раздельно. Вначале в цилиндры поступает чистый воздух. В конце сжатия, когда он нагревается до температуры 700-800 град. С, в камеру сгорания форсунками, под большим давлением (10-30 МПа) впрыскивается топливо, которое почти мгновенно самовоспламеняется.

Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления в цилиндре - отсюда повышенная шумность и жесткость работы дизеля. Такая организация рабочего процесса позволяет использовать более дешевое топливо и работать на очень бедных смесях, что определяет более высокую экономичность.

Экологические характеристики такого двигателя тоже лучше - при работе на бедных смесях выбросы вредных веществ, особенно оксида углерода, заметно меньше, чем у бензиновых моторов.

К специфическим недостаткам дизельных двигателей обычно относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую литровую мощность и трудности холодного пуска. Стоит отметить, что это относится в большей степени к старым конструкциям, а в современных эти проблемы уже не являются столь очевидными.

Дизелизациятранспортных средств дает хорошие перспективы для экономии топливных ресурсов и снижения выбросов в атмосферный воздух имеет. Дизельные автотранспортные средства составляют половину автопарка Европы, а в ряде стран (Австрия, Швейцария) их доля превышает 70 %. Дизельные силовые установки применяют на большегрузных автомобилях, автобусах, в ограниченных масштабах на легковом автотранспорте, поездных и маневровых тепловозах, морских и речных судах.

Дизель экономичнее бензинового двигателя на 20—30 %. Токсичность (содержание СО) отработавших газов дизеля ниже в 2, 9 раза, СН – в 2, 5 раза, NОх – в 1, 4 раза, но увеличиваются выбросы С – в 3, 3 раза и SO₂ – в 10 раз (в незначительных количествах)

Система питания дизеля обеспечивает точное дозирование топлива при различных режимах работы, что наряду с высоким коэффициентом избытка воздуха и высокой степенью сжатия способствует более полному сгоранию топлива в цилиндрах двигателя и снижению токсичности выбросов.

1.2. На современных автомобилях широкое распространение получили системы питания с электронным впрыском топлива. В связи с возросшими требованиями к охране окружающей среды от выбросов автомобильного транспорта, многие фирмы производители автомобилей работают в направлении создания более совершенных систем питания. Одной из таких систем для бензиновых двигателей, получивших наиболее широкое распространение и вытесняющая привычные карбюраторы, является система впрыска бензина во впускной трубопровод. По сравнению с карбюраторами применение электронного впрыска бензина позволяет более точно распределить топливо по цилиндрам. Состав смеси при применении распределенного впрыска бензина по разным цилиндрам отличается на 6...7%, в то время как при использовании карбюратора на 11... 17%.

Это объясняется более точной подачей топлива непосредственно в об­ласть впускного клапана. Отсутствие добавочного сопротивления потоку воздуха на впуске, в отличие от карбюратора и вследствие этого более высокий коэффициент наполнение цилиндров, обеспечивает получение более высокой литровой мощности.

Применение впрыска позволяет использовать в большей степени момент перекрытия клапанов, что обеспечивает более качественную продувку камеры сгорания чистки воздухом, а не топливовоздушной смесью.

Применение электронных систем впрыска с точным дозированием топлива по отдель­ным цилиндрам на всех режимах работы двигателя позволяет по­высить его мощность на 10—30 % и снизить расход топлива на 20-30 %.

1.3. Внедрению топливных насосов высокого давления (ТНВД) с электронным управлением. Существует несколько типов дизельных двигателей, различие между которыми заключено в конструкции камеры сгорания. В дизелях с неразделенной камерой сгорания - их называю дизелями с непосредственным впрыском - топливо впрыскивается в надпоршневое пространство, а камера сгорания выполнена в поршне.

До недавнего времени непосредственный впрыск применялся в основном на низкооборотных двигателях большого рабочего объема. Это было связано с трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией. Но в последние годы благодаря внедрению топливных насосов высокого давления (ТНВД) с электронным управлением, двухступенчатого впрыска топлива и оптимизации процесса сгорания удалось добиться устойчивой работы дизеля с неразделенной камерой сгорания на оборотах до 4500 об/мин, улучшить его экономичность, снизить шум и вибрацию.

Экономическая эффективность от внедрения ТНВД состоит в экономии топлива и снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

1.4. Совершенствование конструкции тепловозных дизелей. Совершенствование конструкции тепловозных дизелей ведут в направлении поиска новых конфигураций камер сгорания, новых систем смесеобразования. Эта задача стоит в связи с необходимостью обеспечить высокую топливную экономичность и в то же время сократить эмиссию оксидов азота.

С 2004 г. Коломенским заводом выпускается грузовой тепловоз нового поколения 2ТЭ70 мощностью 6000 кВт, который по технико-экономическим и экологическим показателям значительно превосходит локомотивы, ранее производимые в России и странах СНГ. Тепловоз оснащен усовершенствованным высокоэкономичным дизель-генератором 2А-9ДГ-02 с улучшенными экологическими характеристиками. Он оборудован микропроцессорной системой управления с поосным регулированием касательной силы тяги и многими другими техническими новшествами.

1.5. Применение турбонаддува в дизельном двигателе.

Турбонаддув обеспечивается сжатием воздуха перед поступлением его в цилиндры дизеля. В результате происходит хорошее наполнение цилиндров. Мощность двигателя повышается, а топлив­ная экономичность возрастает на 4–6 % и обеспечивает снижение вредных выбросов по сравнению с двигателем, связанным с турбокомпрессором традиционным байпасом. Турбонаддув применяют на грузовых автомобилях семейств КамАЗ и МАЗ, а также на бен­зиновых автомобилях иностранного производства.

Экономия топлива и снижение выброса вредных веществ в атмосферу: контролируемые непосредственно системой управления двигателем, турбокомпрессоры VNT оптимизируют сгорание

Основной проблемой турбокомпрессора является недостаточная устойчивость конструкции к высоким температурам. По этой причине основным местом применения технологии стали дизельные двигатели. Первой «ласточкой» в применении турбины с изменяемой геометрией на бензиновых двигателях стала компания Porsche с ее новой моделью 911 Turbo.

Очень необычную вариацию на тему последовательного турбонаддува предложили инженеры фирмы «Фольксваген». В двигателях семейства TSI приводной нагнетатель и турбокомпрессор работают совместно. Пока обороты невелики, воздух подает нагнетатель, а турбина раскручивается вхолостую, без нагрузки. По мере роста оборотов агрегат потребляет все больше мощности на привод, а это расточительно. Поэтому после 2400 об/мин открывается перепускная заслонка, подающая воздух в обход нагнетателя. Электромагнитная муфта в его приводе отключает устройство. Одновременно закрывается перепускной клапан турбокомпрессора, и турбокомпрессор, успевший набрать скорость на холостом ходу, включается в работу. Результат: с 1, 4-литрового мотора снимают 170 л.с., а момент больше 200 Н.м двигатель выдает уже при 1250 об/мин.

В ближайшие годы системы турбонаддува наверняка усовершенствуют. Механические нагнетатели, родившиеся почти 100 лет назад, не сдают позиций. Ведь современные технологии позволяют делать «классические» компрессоры с точностью часовых механизмов. Резервы турбонаддува и подавно не исчерпаны. Так что «надувательство» будет продолжаться, пока жив сам двигатель внутреннего сгорания.

Дизели, оснащенные современными электронными системами управления в сочетании с турбонаддувом, рециркуляцией и высокоэффективной фильтрацией отработавших газов, соответствуют требованиям норм токсичности на уровнях Евро-1 – Евро-3. Так, установка на автопоезд МАЗ-АТ98 двигателя МАК с микропроцессорной системой оптимального управления подачей топлива или дизеля Detroit Gummins с электронным впрыском обеспечивает выполнение жестких требований в первом случае – Евро-2, а во втором – Евро-3.

1.6. Применение рециркуляции отработавших газов в дизельных двигателях. Система рециркуляции выхлопных газов (ЕGR - Ехhaust Gas Recircultion) применяется на бензиновых, дизельных и газовых двигателях. Предназначена для снижения токсичности отработавших газов (главным образом содержания оксидов азота NO_x) в режимах прогрева и резкого ускорения двигателя, который на данных режимах работает на обогащённой топливной смеси. Часть отработавших газов попадает в обратно в цилиндры, что вызывает снижение максимальной температуры горения и, как следствие, уменьшение выбросов оксидов азота, образующихся при высоких температурах и являющихся одними из самых токсичных веществ. Система EGR не используется на холостых оборотах (прогретый двигатель), на холодном двигателе и при полностью открытой заслонке. Работа системы вызывает снижение эффективной мощности двигателя.

Применение 10 % рециркуляции на дизельных автомобилях и тепловозах позволяет снизить содержание оксидов азота в отработавших газах примерно на 30—40 % и улучшить процесс смесеобразования без существенного изменения расхода топлива, хотя дымность возрастает.

Система предполагает охлаждение и повторное сжигание отработавших газов в камерах сгорания, благодаря чему достигается снижение выбросов оксидов азота на 50 %. Для тепловозных дизелей также находит применение эффективное рециркуляционное устройство, обеспечивающее в реальных условиях снижение выбросов оксидов азота также до 50 %.

1.7. Использовании газодизелей и дизельно-газовых двигателей позволяет высокую топливную экономичность. Их различие заключается в том, что дизельно-газовые двигатели допускают попеременную работу на дизельном и на газовом топливе, в то время как газодизель рассчитан на дизельное топливо и не может работать по чисто газовому циклу. Газодизельный двигатель не уступает по мощности дизелю и позволяет экономить в эксплуатации до 80 % дизельного топлива.

Газодизельная аппаратура используется на автомобильном и железнодорожном транспорте, где на газ переводят в первую очередь маневровые тепловозы на станциях, расположенных в черте городов.

Газотепловоз, работающий на природном газе (85 %) с порцией запального дизельного топлива (15 %), позволяет снизить расход дизельного топлива на 55 %, заменив его природным газом. В результате дымность ликвидируется почти полностью, а токсичность отработав­ших газов снижается в 2–2, 5 раза. Сейчас ведутся работы по созданию магистральных газотепловозов, использующих природный газ – метан. Самарский научно-технический комплекс имени Николая Кузнецова осуществляет разработку газотурбовоза – локомотива с газотурбинным двигателем, электрическим генератором и тяговыми электродвигателями.

На судовых дизелях, также работающих по газодизельному циклу, в качестве моторного топлива используют сжатый метан. Поскольку соотношение водорода и углерода в метане значительно выше, чем в дизельном топливе, и практически отсутствует сера, отработавшие газы содержат сажу и диоксид серы в минимальных количествах.

Следует иметь в виду, что все усовершенствования двигателей, направленные на повышение их экономичности и снижение токсичных выбросов, требуют больших финансовых затрат (табл. 7.5).

Таблица 7.5. Соотношение затрат на модернизацию ДВС и достигаемого уровня снижения оксидов азота

1.8. Для автомобилей важен правильный выбор передаточных чисел главной передачи и коробки передач. Резервом улучшения топливной экономичности при уменьшении ток­сичности отработавших газов является совершенствование трансмиссии автомобиля. Определенный эффект оказывает правильный выбор типа и передаточных чисел трансмиссии. При разгоне автомобиля двигатель несколько раз переходит от режима холостого хода к режиму полных нагрузок, столько же раз срабатывает ускорительный насос. Экспериментально определено, что на режимах периодического разгона безнаддувный дизель выбрасывает оксида углерода на 68%, углеводородов на 50%, сажи на 100% больше, чем на энергетически эквивалентном установившемся режиме. Применение автоматической гидромеханической передачи благодаря отсутствию жесткой связи в трансмиссии позволяет двигателю работать при разгоне в одном диапазоне частоты вращения и нагрузок, как правило, при наименьших удельных выбросах продуктов неполного сгорания и расходе топлива. Хотя в гидротрансформаторе наблюдаются дополнительные потери мощности, что приводит к увеличению расхода топлива, однако с точки зрения выбросов автомобилем его применение оправдано.

1.9. Установка многоступенчатых и бесступенчатых коробок передач с автоматическим управлением (от бортового микропроцессора). С развитием электроники усиленно разрабатываются различные варианты многоступенчатых и бесступенчатых коробок передач с автоматическим управлением (от бортового микропроцессора), позволяющих выбирать оптимальную передачу, соответствующую режиму эксплуатации. К числу таких коробок можно отнести: гидродинамическую с блокируемым гидротрансформатором и четырех-, шестиступенчатую с полностью автоматическим переключением, но с возможностью перехода на ручное управление; гидродинамическую с неблокируемым гидротрансформатором и гидродинамическую с двумя диапазонами; полностью автоматическую с непрерывным (плавным) изменением передаточных отношений; механическую десятиступенчатую с ручным переключением и др.

1.10.Переход на механические бесступенчатые коробка передач. Специалисты многих крупных автомобильных фирм придерживаются мнения, что для легковых автомобилей малого и среднего класса перспективным решением является механическая бесступенчатая коробка передач с металлическим клиновым ремнем и электронным управлением. Предварительные результаты исследований показали, что автомобили с современными бесступенчатыми передачами расходуют топлива на 4-5% меньше, чем оснащенные пятиступенчатой механической коробкой передач, и на 8% меньше, чем автомобили с гидромеханической передачей. Все большее распространение получает привод на передние колеса, что уменьшает дополнительные потери в трансмиссии при повышении устойчивости автомобиля.

1.11. Разработка специальных автоматических приборов, сигнализирующих о необходимости включения нужной передачи для автомобилей. Существуют разные по конструкции АКПП, но как правило основные режимы работы присутствуют на всех АКПП. По типам управления АКПП разделяют на гидравлические и гидравлическо-электронные. Если вы не видите на своей АКПП дополнительных кнопок переключения режимов PWR, MANU, SNOW, OD то у вас простая АКПП с гидравлическим управлением. По количеству передач АКПП могут быть 4 и 3 ступенчатые (с режимом Over Drive и без него), любую 4х ступенчатую АКПП можно использовать как 3 ступенчатую, выбрав режим " OD off" Over Drive отключен.

Дополнительные режимы реализуются электроникой, которая управляет гидравлической системой АКПП. Так например у концерна TOYOTA система электронного контроля называется ECT и реализует следующие режимы работы АКПП:

NORM - Программа настроена на обеспечение движения автомобиля с минимальным расходом топлива. В этом случае повышающие переключения происходят, приблизительно, при достижении оборотов двигателя средних значений, что соответствует на характеристике расхода топлива минимуму. Движения автомобиля при этом имеют плавный спокойный характер.

PWR - Программа настроена на максимальное использование мощности двигателя, поэтому повышающие переключения происходят в районе максимальных оборотов двигателя, при которых двигатель развивает максимальную мощность. Автомобиль в этом случае разгоняется со значительно большими ускорениями. Если выбрана эта программа, то на комбинации приборов загорается индикатор " ECT PWR" Режим может также обозначаться как " SHIFT" на автоматах фирмы Nissan.

SNOW - (снег) Программа предназначена для облегчения зимней езды: трогание автомобиля в этом режиме происходит со второй передачи. Для включения используется кнопочный переключатель, если выбрана эта программа, то на панели приборов загорается индикатор " ECT SNOW"

MANU - Режим предназначен для эксплуатации зимой, при езде на скользких поверхностях, для снижения вероятности пробуксовки колес. Автомобиль трогается со второй передачи и переключение на повышенную передачу происходит при более низких оборотах двигателя (1500-2000, 2500-3000 - цифры разнятся в зависимости от давления на педаль). Режим " MANU" как бы " загрубляет" реакцию коробки, машина становится " вялой", максимально осуществляется торможение двигателем, что, естественно, очень полезно в зимних условиях. В режиме " MANU" принудительно фиксируется выбранная передача и все автоматические переключения передач не осуществляются. Расход топлива уменьшается, поэтому такой режим иногда называется " экономичным".

OD (Over drive) - Разрешение на использование четвертой (или 5-ой для 5-ступенчатых АКПП), повышающей, передачи осуществляется при помощи специальной кнопки " OD" расположенной на рычаге переключения передач. Если она находится в утопленном положении и рычаг выбора диапазона находится в положении D, то переключение на повышающую передачу запрещено. В противном случае включение четвертой (5-ой) повышающей передачи разрешено. Состояние системы управления в случае, если использование OD запрещено (т.е. кнопка нажата), отражается надписью " O/D OFF" на панеле приборов. OD хороший инструмент для экономии топлива, если вы спускаетесь с затяжного хребта, если отключить OD, то вам вообще ненужно будет тормозить автомобиль тормозом, так как скорость автомобиля будет в пределах 80 км/ч, т.е. происходит торможение двигателем (в момент торможения двигателем подача топлива в цилиндры сводится на нет).

Если существует возможность двигаться со скоростью 60 км/ч и более, то необходимости выключать OD нет (кнопка отжата), это также приведет к экономии топлива и что самое главное, позволит вам двигаться еще быстрее и достичь максимальной скорости, если вам не станет страшно раньше этого времени.

1.13. Современные первичные двигатели локомотивных силовых агрегатов с микропроцессорным управлением. Эти двигатели установлены на тепловозах последних моделей двух ведущих компаний-изготовителей — Electro Motive Diesel (EMD) и General Electric Transportation (GETS) и являются наиболее мощными и надежными среди когда-либо изготавливаемых для автономной локомотивной тяги. Они также самые лучшие по полноте сгорания топлива и отвечают жестким правилам Агентства по охране окружающей среды США (ЕРА) по содержанию вредных веществ в выхлопных газах (Tier 2), которые вступили в действие с января 2005 г.

Дизель этого типа действительно имеет хорошие показатели по содержанию вредных веществ в выхлопных газах, причем без конфликта между топливной экономичностью и выделением выхлопных газов, так что этот двигатель удовлетворяет предъявляемым требованиям.

1.14. Использование электронных способов регулирования состава горючей смеси. В развитии систем питания двигателей четко наметилась тенденция ис­пользования электронных способов регулирования состава горючей смеси. Применение электронных карбюраторных систем не требует коренных изме­нений всей системы подачи топлива. Карбюратор используется как основной дозирующий орган, и добавочно устанавливается соответствующий электрон­ный регулятор, уточняющий состав горючей смеси.

В качестве примера можно привести карбюраторы с системой управле­ния «Электроник» (Германия), состоящей из электронного блока управления 6 (рис. 6.4), который получает информацию от датчиков температуры охлаждающей жидкости, температуры горючей смеси, угла открытия дроссельной заслонки первичной камеры (с учетом скорости ее открытия) и частоты вращения, доя обеспечения оптимального состава горючей смеси при пуске и прогреве двигателя, а также во время разгона автомобиля с помощью микрошагового электродвигателя 2 происходит автоматическое прикрытие воздушной заслонки 3 заданный угол.

Управление воздушной заслонкой осуществляется в зависимости от сигнала термодатчика системы охлаждения 5, скорости открытия дрос­сельной заслонки ускорения разгона автомобиля и других параметров, сигналы вкоторых подаются в электронный блок 6, состоящий из задающей, перерабатывающей и выходной частей. Электронный блок управляет также системой электромагнитных клапанов, связанных мембранным механизмом 1, ограничи­вающим ход дроссельной заслонки. При отклонении частоты вращения колен­чатого вала от заданной мембранный механизм по сигналу электронного блока приоткрывает дроссельную заслонку и, регулируя ее положение в зависимости от сигнала датчика 4. поддерживает постоянную частоту вращения коленчатого вала. На принудительном холостом ходу двигателя мембрана с упором рычага дроссельной заслонки перемещается в крайнее положение, при котором смеси­тельная камера полностью закрывается заслонкой, а ее кромка находится ниже отверстия топливного канала. Это обеспечивает отключение подачи топлива при торможении двигателем.

В результате применения электронного управления дроссельной заслонкой расход топлива уменьшается вследствие прекращения подачи топлива на принудительном холостом ходу (на 1-4%) и регулирования частоты вращения на холостом ходу (на 1-2%). Суммарное снижение расхода топлива в условиях эксплуатации достигает 8-10%.

2. Снижение массы транспортного средства является важным направлением улучшения экологических показателей транспорта. Снижение собственной массы транспортных средств может осуществляться по разным направлениям.

2.1. Снижение массы транспортного средства за счет замены материалов на более легкие. Выбросы вредных веществ и расход топлива снижаются с уменьшением массы автомобиля практически линейно (рис. 6.37).

Снижение собственной массы автомобиля может быть достигнуто уменьшением его размеров, применением более прочных конструкционных материалов. Изготовление кузова из листовой стали повышенной прочности позволяет применять более тонкий металл. Это уменьшает массу всего кузова. Еще лучшие результаты можно получить путем замены стали алюминиевыми сплавами или пластмассами. Относится это не только к основным несущим элементам кузова, но и к другим его деталям - бамперам, воздухозаборникам, панели приборов, ручкам дверей.

Армированный и неармированный полипропилен используют для деталей системы вентиляции и отопления, крыльчаток вентиляторов, корпусов воздушных фильтров, корпусов аккумуляторных батарей. Полиамиды применяют для изготовления деталей двигателей (шестерней, зубчатых шкивов, направляющих цепей привода распределительного вала, трубопроводов, сепараторов, подшипников и т.д.). Для сильно нагруженных деталей двигателей (шатунов, коленчатых валов, клапанов, пружин, шестерней) начали применять титановые сплавы. В этом направлении широкие исследования проводит фирма «Порше». Несмотря на повышенную стоимость рассмотренных материалов, их применение экономически выгодно, учитывая, что себестоимость нефтепродуктов может в перспективе возрасти в несколько раз. Значительного уменьшения массы автомобиля можно достичь снижением массы отдельных элементов подвески, колес, а также шин.

В целях снижения массы автомобиля уже сейчас на некоторых автомобилях производится замена медных проводов, которых в современном автомобиле до 16 кг, световодами из оптического волокна. Применение шин высокого давления, имеющих большой запас хода в спущенном состоянии, позволит отказаться от транспортировки запасного колеса. Уменьшение массы автомобиля дает использование двигателя с несколько уменьшенным рабочим объемом.

По многочисленным прогнозам в ближайшее время собственную массу выпускаемых автомобилей можно снизить на 15-30% с соответствующим повышением их топливной экономичности при снижении общего выброса токсичных веществ.

Значение этого направления разработок подтверждается таким примером: на каждую дополнительную тонну снаряженной массы автомобиля расходуется на 100 км пути 2, 5 л бензина или 1, 6 л дизельного топлива.

Следовательно, при снижении веса транспортного средства на 100 кг экономия на 100 км пути снижается на 0, 25 л бензина и 0, 16л дизтоплива. За счет снижения массы экономия энер­горесурсов составляет 8—10 %.

2.2. Снижение массы транспортного средства за счет изменения конструкции агрегатов и совершенствования технологических процессов изготовления автомобилей.

3. Уменьшение сопротивления движению оказывает значительное влияние на сокращение расхода топлива. При движении с высокой скоростью значительная часть энергии затрачивается на преодоление сопротивления движению в воздушной или водной среде. Эти затраты в воздушной среде прямо пропорциональны квадрату скорости и определяются фактором обтекаемости, представляющим произведение коэффициента сопротивления воздуха на лобовую площадь транспортного средства.

Снижение аэродинамического сопротивления автомобилей и автопоездов, которое при больших скоростях движения оказывает влияние на выброс токсичных веществ, ведется в трех направлениях:

3.1. Разработка на стадии проектирования автомобилей с улучшенными аэродинамическими качествами. При проведении работ по первому направлению в процессе конструи­рования автомобиля учитываются: угол наклона лобового стекла кабины; радиусы перехода лобовых панелей кабины и кузова в боковины и крышу; уменьшение расстояния между кабиной и кузовом (для седельных автопоездов) и между тягачом и прицепом (для прицепных); применение кузовов с гладкими боковыми стенками в сочетании с уменьшением числа выступающих мелких деталей или с отработкой их в аэродинамических формах.

Осуществление этого мероприятия экономить расход топлива до 10 – 20%.

Для грузовых автомобилей интенсивно разрабатываются и применяются в качестве аэродинамических устройств, снижающих воздушное сопротивление, щитовые обтекатели. При установке такого обтекателя встречный поток воздуха направляется на крышу и боковые стенки кузова, что в значительной мере улучшает показатели обтекаемости лобовой части автомобиля, возвышающейся над кабиной, а также уменьшает вихреобразование в зазоре между кабиной и кузовом.

Щитовой сферический обтекатель (рис. 6.38) содержит: каркас 7 для крепления за водосточные желобы крыши кабины; аэродинамический щит 2 в виде сферического сегмента, обращенного поверхностью к воздушному потоку; стойки 3; кронштейны 4; растяжки 5 и зажимы 6, обеспечивающие изменение угла наклона щита относительно передней стенки кузова. Сферическая лобовая поверхность щита обусловливает равномерное распределение воздушного потока, движущегося над кабиной, на крышу и боковые стенки кузова, что способствует значительному повышению эффективности обтекателя. Появились автопоезда, у которых кабина имеет надстройку, выполняющую роль объемного обтекателя. В этой надстройке обычно располагается спальное место водителя.

3.2. Применение на вновь создаваемых и уже эксплуатируемых автомобилях и автопоездах внешних аэродинамических устройств. Для устранения влияния зазора между кабиной и полуприцепом применяют различные компоновки, задача которых - перекрыть (полностью или частично) зазор между кабиной и полуприцепом, например перегородкой, что позволяет снижать влияние бокового ветра на аэродинамическое сопротивление автопоезда.

В целях упорядочения движения воздуха в зазоре между бампером и дорогой используют нижние обтекатели. Применение нижнего обтекателя позволяет минизировать идущий под автомобилем поток воздуха, а также исключить его взаимодействие с выступающими элементами ходовой части и трансмиссии.

3.3. Учет аэродинамических требований при эксплуатации. Немаловажное значение имеет учет требований аэродинамики в эксплуатации. Например, у бортового автомобиля достаточно перекрыть брезентом платформу, чтобы заметно снизить сопротивление воздуха. Расположение груза в кузове автомобиля также влияет на аэродинамическое сопротивление, и при правильном размещении можно снизить расход топлива. У автомобилей с фургоном, покрытым тентом, необходимо обеспечивать хорошее его натяжение, чтобы предотвратить в зонах отрицательного давления выпучивание, в результате которого увеличивается сопротивление воздуха.

3.4. Применение радиальных шин. Мощность двигателя автомобилей, затрачиваемая на преодоление качения колес, зависит главным образом от конструкции колеса, являющегося неотъемлемой частью органов управления автомобилем, трансмиссии и ходовой части. На рабочие параметры колеса оказывают влияние упругие и сцепные свойства пневматической шины. Как показывает анализ, эти свойства шины являются основными выходными ее характеристиками.

Шины производят с диагональным и радиальным расположением нитей корда. Радиальное расположение нитей корда, а также меньшее число слоев каркаса позволяют уменьшать гибкость боковых стенок каркаса. Несмотря на более высокое давление в шинах радиальная и боковая деформация их на 10-20% больше, чем в шинах обычной конструкции. Радиальные шины по сравнению с диагональными имеют меньшую радиальную жесткость (на 10-15%) и меньшую площадь петли гистерезиса, полученной при построении кривых радиальная сила - радиальная деформация. Следовательно, у них меньше потери энергии при деформации шины и сопротивление качению. Все это способствует повышению экономичности (на 7-10%) и снижению выбросов токсичных веществ автомобилей с радиальными шинами по сравнению с выбро­сами автомобилей с диагональными шинами.

Производство радиальных шин ведется нарастающими темпами, что обеспечило преобладающее их распространение в перспективе. Перспективны также бескамерные радиальные шины с использованием в каркасе и брекере металлокорда односкатных широкопрофильных шин вместо двухскатных.

3.3. В железнодорожных вагонах заменяют подшипники колесных пар скользя­щего типа на роликовые, что к тому же сокращает загрязнение почвы, так как роликовые подшипники герметичны, и смазка из них не вытекает.

4. Снижение токсичности отработавших газов достигается рядом технических решений по нейтрализации вредных веществ выбрасываемых вместе с отработавшими газами, которые включают:

4.1. Термическая нейтрализация, которая основана на электротермическом дожиге несгоревших углеводородов и доокислении угарного газа в специальной термостатированной камере за выпускным коллектором с последующим электродуговым воспламенением и обра­боткой пламени сильным электрическим полем. Нейтрализаторы отработавших газов применяются как дополнительное оборудование, которое без значительных изменений в конструкции двигателя легко встраивается в его выпускной тракт и обеспечивает внешнюю экологическую очистку. Различают следующие способы уменьшения токсичности отработавших газов:

Использование нейтрализатора для очистки отработавших газов бензиновых двигателей автомобилей позволяет обеспечить эффективность очистки по СО, С_хН_у – 70 %, а работающих на дизтопливе снижает содержание СО в отработавших газах на 65–95 % и углеводородов на 27–37 %;

4.2. Каталитическая нейтрализация помимо окислительных реакций предполагает использование и восстановительных реакций - для восстановления оксидов азота в исходные вещества - кислород и азот. Трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы нейтрализуют три вредных составляющих выхлопных газов: СО, СН и NO. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор представляет собой корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска до глушителя. В корпусе располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми тончайшим слоем вещества катализатора, которое само не вступает в химические реакции, но одним своим присутствием ускоряет их течение. В качестве катализатора используется платина и палладий, которые способствуют окислению СО и СН, а родий ”борется” с NOx. В результате реакций в нейтрализаторе токсичные соединения CO, CH и NO_x окисляются или восстанавливаются до углекислого газа СО₂, азота N₂ и воды Н₂О.

Рис. Конструкция трехкомпонентного каталитического нейтрализатора

В окислительных и восстановительных реакциях могут применяться относительно дешевые окисные катализаторы на основе меди, марганца, никеля, хрома и других, но они обладают малой долговечностью и эффективностью, поэтому распространение получили катализаторы на основе благородных металлов – платино-палладиевые, дающие высокую степень очистки.

Установка каталитического нейтрализатора на любое автотранспортное средство с дизелем снижает содержание в отработавших газах СО на 65–95 %; формальдегида на 70–95 %; углеводородов на 27–37 %; и дымности на 40–90 %.

Использование каталитического нейтрализатора для очистки отработавших газов бензиновых двигателей автомо­билей позволяет обеспечить эффективность очистки по СО, С_хН_у — 90 % и по NО_Х — 30—85 % (в зависимости от комплектации автомобиля).

На железнодорожном транспорте проводятся испытания ма­кетных образцов нейтрализаторов вредных веществ в отработав­ших газах тепловозов, разработана конструкторская документация на опытный образец нейтрализатора-глушителя для установки на тепловозе ТЭП-70. Разрабатываемые нейтрализаторы рассчитаны на 1—2 года работы без замены блоков, их применение позволит снизить выбросы оксидов азота на 40 %, оксидов углерода и угле­водородов — на 60—70 %, сажи — на 50—60 %.

4.3. Жидкостные нейтрализаторы находят применение в судовых энергоустановках, где в качестве средства, снижающего выбросы оксидов азота, используется 35 %-й водный раствор мочевины, подаваемый в каталитический конвертор при 250—500 °С. Благо­даря последующим химическим реакциям оксиды азота преобра­зуются в азот, воду и углекислый газ. Срок службы такого нейтрализатора составляет 20 тыс. часов. По данной технологии в Шве­ции создан нейтрализатор SCR, снижающий выбросы оксидов азота на 91—96 %, углеводородов — на 83—93 %. Нейтрализаторы подобной конструкции для промышленных и судовых дизелей выпускают в Японии и США по лицензии химического факультета МГУ. Достоинством данного нейтрализатора является то, что он не только улавливает твердые аэрозольные частицы сажи и тяжелых углеводородов, но и самоочищается. После прохождения через нейтрализатор концентрация выбросов оксидов азота, углеводородов и угарного газа приближается к нормам Евро-3.

В отличие от термического и каталитического нейтрализаторов жидкостный не требует времени для перехода в рабочее состояние после пуска холодного двигателя. Недостатками жидкостного нейтрализатора являются большие масса и габариты, а также необходимость частой замены рабочего раствора.

4.4. Установка каталитического нейтрализатора и специального сажевого фильтра. Сажевые фильтры изготавливают в виде пористого фильтрующего материала из карбида кремния. В конструкциях прошлых лет фильтры периодически очищали от накопившейся сажи отработавшими газами, температуру которых для этого повышали путем обогащения смеси. Очистка фильтра происходила по команде блока управления после каждых 400—500 км пробега автомобиля. Однако в этом случае резко увеличиваются выбросы других вредных веществ. Поэтому современный сажевый фильтр чаще всего работает в паре с окислительным нейтрализатором, который восстанавливает NО_x до NO₂ и одновременно дожигает сажу, причем при более низких температурах – около 250°С.

В фильтрах нового поколения общий принцип остался прежним: задержать и уничтожить. Но как добиться нужной для сгорания частиц сажи температуры? Во-первых, фильтр разместили сразу за выпускным коллектором. Во-вторых, через каждые 300-500 км пробега контроллер включает режим многофазного впрыска, увеличивая количество поступающего в цилиндр топлива. И, наконец, главное: поверхность фильтрующего элемента покрыта тонким слоем катализатора, который дополнительно повышает температуру выхлопных газов до необходимых 560-600°С. Фильтрующий элемент состоит, как правило, из керамической (карбид кремния) микропористой губки. Толщина стенок между ее каналами не превышает 0, 4 мм, так что фильтрующая поверхность очень большая. Иногда эту «губку» делают из сверхтонкого стального волокна, также покрытого катализатором. Набивка настолько плотная, что задерживает до 80% частиц размером 20-100 нм. Новые фильтры стали активно участвовать в управлении работой двигателя. Ведь режим обогащения включается по сигналу от датчиков давления, установленных на входе и выходе фильтра. Когда разность показаний становится значительной, компьютер воспринимает это как признак закупоренности «губки» сажей. А выжигание контролируют с помощью датчика температуры.

Применение каталитического нейтрализатора и специальногой сажевого фильтра, в качестве очистки отходящих газов дизельных двигателей любой мощности и различного применения, включая речные и морские суда, автомобильный и желез­нодорожный транспорт, а также дизель-генераторы обеспечивает при температуре отработавших газов выше 250 °С снижение выбросов по:

- оксидов углерода и углеводородов на 80–90 %;

- твердых частиц (в том числе и сажи) на 80–90 %;

- оксидов азота на 10–15 % и до 40 % с применением рециркуляции отработавших газов).

Ресурс фильтра-нейтрализатора в це­лом — не менее 2000 моточасов. На всех режимах работы двигате­ля при температуре отработавших газов выше 250 °С осуществля­ется режим саморегенерации фильтра от сажи (фильтр сам очища­ется от сажи, накапливающейся в нем при температурах ниже 250 °С).

Сегодня практически все ведущие автопроизводители Европы заявили об их применении на своих дизельных моделях, чтобы обеспечить соответствие нормам Евро-4. Переход к полному осна­щению сажевыми фильтрами в Германии будет проходить в не­сколько этапов. К 2006 г. 25 % всех допускаемых к эксплуатации дизельных автомобилей должны иметь сажевые фильтры, через год их доля увеличится до 75 %, а к 2008—2009 гг. до 100 %. Прави­тельство Германии намерено стимулировать своих граждан пре­доставлением льгот при покупке дизельных автомобилей с саже­выми фильтрами: льготы при уплате ежегодных налогов могут со­ставлять до 600 евро.

4.5. Яркий пример современного механизма очистки выхлопа дизелей – электронная система управления дизельным двигателем EDС (electronic diesel control), разработанная компанией Bosch. Ее конструкция включает в себя многокомпонентную систему выпуска отработавших газов, в которой предусмотрено семь датчиков – два лямбда-зонда, два температурных, два давления и один уровня сажи в выхлопе, а также три очистительных элемента – каталитический нейтрализатор, катализатор-накопитель и сажевый фильтр накопительного типа. Датчики в системе выхлопа позволили оптимизировать процессы смесеобразования и сгорания. Кстати, для этого под контроль «мозгу» EDС передали и многие системы двигателя – топливо- и воздухоподачи, рециркуляции отработавших газов, электронную дроссельную заслонку и турбонаддув. С помощью датчиков давления на входе и выходе из сажевого фильтра EDС контролирует степень его загрязнения. Эффективность работы катализаторов оценивается по показаниям двух лямбда-зондов (на входе и выходе). Корректировка работы систем двигателя осуществляется на основании показаний лямбда-зондов, датчиков температуры и уровня сажи на выходе. Каталитический нейтрализатор «перерабатывает» токсичные составляющие выхлопа – NO, NO₂, CO, CН – в нетоксичные и малотоксичные соединения – H₂O, N₂, CO₂, а катализатор-накопитель выполняет функции дополнительной очистки от окиси азота (NO₂) и предварительной – от частиц сажи.

5.2. Использование альтернативных видов топлива. Среди альтернативных типов топлив в настоящее время привлекает внимание целый ряд продуктов различного происхождения. Это в первую очередь сжатый природный газ, сжиженные газы нефтяного происхождения и сжиженные природные газы, различные синтетические спирты, газовые конденсаты, водород, топлива растительного происхождения и т.д.