Меры по снижению токсичности двигателей

К эффективным мерам, направленным на снижение токсич­ности двигателей, относятся:

• совершенствование рабочих процессов и смесеобразования.
Так, конструкция камеры сгорания существенно влияет на обра­зование углеводородов: их выделение ослабляется при уменьше­нии отношения поверхности к объему камеры сгорания. Однако
концентрация оксидов углерода и азота в этом случае снижается
незначительно;

• осуществление рециркуляции отработавших газов, поступа­ющих во впускной трубопровод двигателя. Количество газов, добавляемое к топливу, регулируют в соответствии от нагрузкой дви­гателя. Так, при его полной нагрузке, когда рециркуляция состав­ляет 10... 12 %, концентрация оксидов азота уменьшается почти в 2 раза;

• использование водобензиновых смесей. С помощью этих сме­сей можно значительно снизить токсичность двигателей. Так, при
работе бензинового двигателя на эмульсии, содержащей 12 % воды,
выброс оксида углерода с отработавшими газами уменьшается в
2 раза. При этом отсутствует детонация топлива. Однако возника­ют сложности с хранением запасов воды (эмульсии) при эксплуатации автомобилей в условиях низких температур, а также под­готовкой и обеспечением стабильности водобензиновой эмуль­сии.

Учитывая особенности дизелей, снижение их токсичности и дымности может быть достигнуто также следующим образом:

• проведением рециркуляции отработавших газов, часть кото-рых (до 20 % объема подаваемого воздуха) направляется во впуск-

ной трубопровод двигателя, что уменьшает количество образую­щихся оксидов азота и снижает их концентрацию в отработавших газах на 40...50%;

• подачей воды во впускной трубопровод или в цилиндры дизеля в количестве, составляющем 6 % массы топлива, что снижа­ет концентрацию оксидов азота в 2 раза;

• использованием дизельного топлива с повышенным цетано-
вым числом для уменьшения содержания в отработавших газах
оксидов азота и углеводородов. Однако при больших нагрузках в
некоторых случаях может увеличиться дымность выпуска;

• применением антидымных присадок на основе бария, мар­ганца и др. Так, добавка к дизельному топливу антидымных присадок (до 1 %) снижает дымность выброса при больших нагрузках в несколько раз;

• поддержанием дизеля в технически исправном состоянии,
обеспечением стабильности регулировок топливной аппаратуры
и периодического контроля токсичности и дымности отработав­ших газов. Эти меры приводят к снижению общего выброса ток­сичных веществ на 30...40% и значительному уменьшению ин­тенсивности дымления дизеля.

Токсичность выбросов бензиновых двигателей и дизелей мож­но снизить и за счет применения рациональных приемов вожде­ния автомобилей, что позволяет к тому же экономить топливо.

Установка на автомобилях (перед глушителем) каталитических нейтрализаторов, в которых токсичные вещества отработавших газов превращаются в продукты, не оказывающие отрицательно­го влияния на окружающую среду, позволяет снизить токсичность отработавших газов по оксиду углерода на 80 %, по оксидам азота — на 30 % и по углеводородам — на 70 %.

Рис. 14.1. Схема нейтрализатора отработавших газов: 1 — камера для нейтрализации оксидов азота; 2 — камера для нейтрализации оксида углерода и углеводородов

На рис. 14.1 показана схема двухкамерного каталитического нейтрализатора, окисляющего углеводороды и оксид углерода, а также разлагающего оксиды азота. В качестве катализаторов в ней­трализаторах могут использоваться палладий, радий, рутений, оксиды меди, хрома, никеля, марганца и другие вещества.

Снижению токсичности двигателей способствует применение более совершенных и менее токсичных антидетонаторов бензина. Так, антидетонатор ЦТМ на марганцевой основе в 50 раз менее токсичен, чем тетраэтилсвинец. Добавление этого антидетонатора (2%) повышает октановое число бензина А-76 на 5 —7 единиц.

Перспективно применение в качестве топлива сжатых и сжи­женных газов. Сжатые — природные — газы (метан и др.) сохра­няют газообразное состояние при нормальной температуре и вы­соком давлении (до 20 МПа). Сжиженные — нефтяные — газы (бутан, пропан и др.) переходят из газообразного состояния в жидкое при нормальной температуре и небольшом давлении (до 1,6 МПа). Газообразное топливо в 2,5 — 3 раза дешевле бензина. Оно отличается более высоким октановым числом, меньшим на-гарообразованием, не разжижает масло в картере двигателя и бо­лее экологично. В выбросе газовых двигателей содержится значи­тельно меньше токсичных веществ, чем в отработавших газах бензи­новых двигателей: оксида углерода — в 4—5 раз, оксидов азота — в 1,2 — 2 раза и углеводородов — в 1,1 — 1,4 раза. Срок службы газового двигателя в 1,5 — 2 раза больше, чем у бензинового, но мощность меньше на 7... 12 %, он сложнее в эксплуатации и тре­бует строгого соблюдения техники безопасности.

Практический интерес представляет применение новых видов топлива: синтетических спиртов (особенно метанола и этанола), аммиака и водорода.

Метанол (метиловый спирт) получают из каменного угля, слан­цев и древесины. Он несколько тяжелее бензина, имеет в 2 раза меньшую энергоемкость и в 1,5 —2 раза более высокую стоимость. Вместимость бака для метанола должна быть в 2 раза больше, чем у бензинового. Однако при использовании метанола токсичность отработавших газов снижается в 2 — 3 раза. Кроме того, примене­ние метанола позволяет повысить степень сжатия двигателя до 14. На метаноле могут работать и дизели. Но в этом случае потребует­ся совершенствовать системы подачи, смесеобразования и каме­ры сгорания, чтобы обеспечить надежное воспламенение горю­чей смеси, особенно при пуске холодного двигателя.

Этанол (этиловый спирт) при такой же плотности, как у ме­танола, имеет на 25... 30 % более высокую энергоемкость и требу­ет пропорционально менее вместительного бака. У двигателей, ра­ботающих на этаноле, содержание углеводородов в отработавших газах меньше, чем при работе на метаноле.

Аммиак — токсичный газ с резким запахом. При его сгорании токсичные компоненты (только оксиды азота) образуются в зна­чительно меньших количествах, чем при сгорании других видов углеводородного топлива.

Водород является высокоэнергетическим, практически не за­грязняющим окружающую среду топливом. Его можно получать

из воды термическим или электролитическим способами. Приме­нение водорода требует изменения фаз газораспределения и углов опережения зажигания, уменьшения степени сжатия двигателя идр. Кроме того, при использовании водородного топлива возмож­но некоторое ухудшение тягово-скоростных свойств автомобиля, однако уменьшаются износ двигателя и расход масла.

Водород значительно дороже бензина, чрезвычайно пожаро- и взрывоопасен. Вместимость бака с жидким водородом будет в 3 — 4 раза больше, чем бензинового. К тому же очень трудно обнару­жить утечку водорода, так как он не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Несмотря на указанные недостатки, водород является топ­ливом будущего.

Весьма перспективным направлением в обеспечении высокой экологичности автомобилей является применение малотоксичных и нетоксичных двигателей, а также электромобилей.