CC BY
49
где У„ - ущерб, нанесенный при выбросе 1 г загрязняющих веществ, руб./г; М,, Д1, - массы выбросов до и после проведения различных мероприятий, г, К , — коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состоянии атмосферного воздуха территории.
Таким образом, рассмотренные математические модели, охватывающие большое число аспектов работы дизельных днигателей. состава выбрасываемых отработавших газов, а также влиянии жизненного цикла двигателя и характера движения на загрязнение окружающей среды позволяет разрабатывать такие дизельные двигатели, которые способны обеспечить качественную очистку отработавших газов, до отвечающего требованиям ЕЭК ООН уровня.
Ьиблиоірафнчсскнй список
I П.тчнишыЛ Н И Сястомы комплвхгмой очистки отрабо-тлвшнх rAjou дн-іслсій / В.И. Пличиншый //Автомобильная промышленность. — 2004. — Ne I - С. 2Ь — 2/
2. Коротков Nt В Вондлрскко Е В Пробег и экологическли безопасность аитпмпбилм / М И Короткой, l-.ll Вшіллр<чмм) // Лотомобвльнля ПрОМЫШАСИВОСГЬ. - 2003. — Nt I — С, 8— 10.
МИНИТАЕВА Алина Мажнтовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Прикладная математика и информационные системы».
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступили и редакцию 30.09.2009 г.
® Л. М. VIими tiu'ua
УДК 629.424.1:502.1
Д. М. МИНИТАЕВА Ю. Б. ГРИШИНА М. В. ТАРУТА С. И. АХМЕТОВ
Омский государственный технический университет
Омский государственный университет путей сообщения
АНАЛИЗ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ__________________________
В представленной статье рассмотрены экономия энергоносителей нефтяного происхождения, ужесточение норм выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей, а также ограничение эмиссии диоксида углерода заставляют большинство стран искать пути снижения опасности влияния тепловых двигателей на окружающую среду. Ключевые слова: вредные выбросы, отработавшие газы, дизель, двигатель.
Экономия энергоносителей нефтяного происхождения, ужесточение норм ныбросоп вредных веществ с отработавшими газами дизелей, а также ограничение эмиссии диоксида углерода заставляют большинство стран искать пути снижения опасности влияния тепловых двигателей на окружающую среду. В последнее время псе более широкое распространение получают альтерна тивные биотоплива па основе масел и животных жиров Интенсивные работы по переводу дизельных дпигателей на биотопливо ведутся как в странах с ограниченными топлипно-энергетическими ресурсами, так и в высокоразвитых странах, имеющих возможность приобретения жидких энергоносителей.
Мировое доигателестроение уже более 26 лет занимается разработкой систем очистки отработавших газов от содержащихся в них вредных компонентов. За эти годы для двигателей с искровым зажиганием созданы так называемые трехкомпонентные, ней трализаторы, высокая эффективность которых не
вызывает сомнения, предназначенные для снижения или удаления из продуктов сгорания трех основных нормируемых соединений — монооксида углерода (СО), углеводородов (С1|НШ) и оксидов азота (КО, N0.,) Экологические проблемы до последнего времени решались в основном за счет совершенствования рабочих процессов рабочего цикла двигателя, применения каталитических нейтрализаторов окисли тельного типа и, в небольших объемах, фильтров дли улавливания дисперсных частиц.
В конце 1990-х годов в странах Европы, США и Японии были введены стандарты, заставившие изменить взгляд на необходимость физико-химической обработки отработавших газов дизеля. Например, стало очевидным, что если требования норм «Евро-1» и «Евро-2» за счет совершенствования рабочего процесса и конструкции дизеля выполни ть можно, то при переходе к «• Евро-3», а тем более к «Евро-4» без нейтрализатора оксидов азота и фильтра дисперсных частиц как обязательных элементов конструкции
двигателя не обойтись, если учесть, что экологические показатели дизеля должны сохраняться неизменными в течение веет его ресурса, или наработки между капитальными ремонтами.
Европейский союз ввел в 2000 г. нормы «Евро-3», кроме того, ряд запланировали снижение нетольки компонентой, перечисленных в нормах «Евро-3», но и выбросов углекислого газа (СО.,) на 25%, чего невозможно достичь без коренного поворота в области транспорта. Очевидно, что выбросы диоксида углерода непосредственно зависит от расхода топлива; так, при полном сгорании 1 л бензина образуется 2,32 кг СО-, газа, а I л дизельного топлива — 2,63 кг, и никакие нейтрализаторы и фильтры эти цифры не изменят. Нормы «Евро-1» - «Евро-4» усганавливаюттак-же, предельные значения на выброс твердых частиц и долю бензола в выбросах несгоревших углеводородов. Так, в отработавших газах карбв^раторных двигателей она не должна превышать 6,7 %, а в продуктах сгорания дизельные двигателей — 1.9 процента
В настоящее время экологические стандарты во всем мире ужесточаются. В Европе принято решение что продукция, не отвечающая требованиям стандарта 1ЯО 14000. на территории сообщества распространяться не может. На основе этого стандарта в России разрабатываются свои стандарты, которые но жесткости не ус тупают мировым Решением правительства РФ от 21 марта 2002 г. определены сроки введения в стране норм токсичности «Евро-4» с 01 январи 201 1 г (1.2).
Одним из путей снижения токсичности отработавших газов |ОГ) дизелей является использование каталитических нейтрализаторов, которые позволяют уменьшить содержание продуктов неполного сгорании топлива на 85 - 90 %.
Наряду с выполнением норм на выбросы вредных веществ дли снижения диоксида углерода, необходимо обеспечить достаточно высокий уровень такого конъюнктурного показатели, как топливная экономичность, это в еще большей степени усложняет задачу создания экологически чистых двигателей. Например, нормы, действующие в США, устанавливают, что в отработавших газах дизеля легкового автомобили содержание диоксида углерода должно быть не более 200 г/км, а европейские нормы не более 135 г/км. Выполнигь их возможно, если расходы топлива будут равны соответственно 7,4 и 5,3 л/100 км В перспективе ожидается, что нормой станут 90 г/км СО,, а это означает, что расход топлива придется снизить до 3.4 л/100 км. Повышение доли транспортных двигателей в загрязнении окружающей среды приводит к введению постоянно ужесточаемых норм на выброс токсичных веществ во всех странах
В настоящее время нот единого универсального метода очистки продуктов сгорания для всех загрязнителей, Эффективный метод очистки отходящих газов от одного загрязняющего вещества может оказаться бесполезным по отношению к другим загрязни гелям Возможно, что метод, хорошо оправдавший себя в конкретных условиях (например, и строго ограниченных пределах изменения концентрации или температуры), в других условиях оказывается малоэффективным. По этой причине приходится использовать комбинированные методы, сочетать несколько способов одновременно. Все это определяет высокую стоимость очистных устройств, снижает их надежность при эксплуатации.
Вредные примеси в отходищих тазах могут быть представлены либо в виде аэрозолей, либо в газообразном или парообразном состоянии. В первом слу-
чае задача очистки состоит в извлечении содержащихся в отработавших газах взвешенных твердых и жидких примесей — пыли, дыма, капелек тумана и брызг. Во втором случае — нейтрализация газо- и парообразных примесей.
Очистка от аэрозолей осуществляется применением электрофильтров, методом фильтрации через различные пористые материалы, гравит ационной или инерционной сепарацией, способами мокрой очистки Очистка выбросов от газо- и парообразных примесей осуществляется методами адсорбции, абсорбции и химическими методами. Абсорбционный способ очистки основан на различной растворимости компонентов газовой смеси в жидкости - абсорбенте. Кдостоинствам абсорбционной очистки относятся, прежде всего, высокая степень очистки, непрерывность процесса, возможность извлечения большого количества примесей и возможность регенерации абсорбента, а к недостаткам - громоздкость оборудования, сложность технологических схем очистки.
Химические методы очис тки газообразных отходов заключаются в том, что к отходящим промышленным газам добавляют различные реагенты. Основное достоинство химических методов очистки - высокая степень очищения отработавших газов. Одним из видов химических методов может служить термическая очистка — дожигание отработавших газон
Все другие альтернативные стратегии по снижению вредных выбросов н отработавших газах нацелены. в первую очередь, на решение одной из наиболее сложных для перспективного двигателя проблем — снижения вредных выбросов за счет улучшения топливной экономичности на основных эксплуатационных режимах. Ясно, что в краткосрочном плане наибольшие шансы у стратегии стехиометрического сгорания, она наиболее технологически подплтжлена и позволяет наиболее эффективно снижать выбросы вредных веществ на всех режимах работы двигателя.
Опыттаких фирм, как «Форд» и «Тойота», свидетельствует, что данная стратегия дает возможность выполнить нормы «Евро-4», практически не меняя конструкцию двигателя Однако дли этого необходимо иметь систему управления, способную поддерживать стехиометрический состав рабочего тела на частичных нагрузках, обеспечивая тем самым эффективную работу цикла, наименьшие выбросы загрязняющих веществ и наименьшие расхода топлива. Разбавление рабочего тела отработавшими газами (метод рециркуляции) уменьшает скорость сгорания топливовоздушной смеси, что, в свою очередь, делает рабочу двигателя нестабильной, особенно на малых нагрузках, поэтому рециркуляцию приходится ограничивать 8 - 12 %. Если применять рабочий цикл с быстрым сгоранием, то степень рециркуляции можно повысить до 25 %, уменьшив тем самым выбросы оксидов азота еще на 20%. использование природного газа в качестве топлива для транспор тного двигателя имеет преимущества лишь но сравнению с бензиновым двигателем. 11 о это му в программах конвертировании двигателей на газовое топливо предусматривается применение 3-ступенчатых каталитических ней трализаторов со степенью очистки газов: ог N0, — 35...80 %. от СО - 85...95%,отСН - 50 . 80%.
Снижения количества выбросов СО и СН. при работе двигателя на диметнловом эфире (ДМЭ) можно добиться путем оп тимизации топливоподлчи и воз-духосиабжении. Применение каталитического нейтрализатора при работе двигателя на ДМЭ приведе т к полному устранению вредных выбросов
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИ* Ч> 3 (»3, 700* МАШИНОСЖНИИ1 И МАШИНОИЛГИИ1
<i>intiKO-xitviii<ie< кис с mun i u.i альтернативных топлив
Топами» Во лоОновл** масть ресурсом Экологичность Адан ги poiia i шость Парниковый эффеКТ
при ПрОИЭПОДСТВО при сгорании к транспорт!»* ропанню и хранению дизеля
Ли я.-лыюо топливо _ — +/- + + -
Сжатый природный гад — + + - - -
Сжиженный нвфтмной raj — + + — - -
Диметилоаый эфир - * - - -
Мотоиол — — f + — —
1'апсоное млело + 1 + » +/- »•
Мегнлэфир рапсовиго масла + + /- + > »■
Примечание знаком « + » обозначено наличие преимуществ по сравнению со штатным дизольным топливом, «паком « - их отсутстшис, а « + / — » — сочетание и того, и другого
Следует отметит»., «п о ужесточение экологических требований вынудят производителей перейти на альтернативные виды топлива, включай водородный синтез-газ. Не случайно ЕЭК ООН приняла резолюцию о переводе к 2020 г. 23% европейского автотранспорта именно на альтернативные виды топлива, в том числе 10% - па природный гаи, 8 на биогаз и 6 % — на водород. 11а более далекую перспективу самыми потребляемыми будуттонлина и ч возобновляемых ресурсов. При этом и теоретически, и экспернмен-галыю доказано, что наиболее перспективны растительное, хлопковое, соевое, льняное, пальмовое, арахисовое, сурепное и др. масла |3|.
Достоинства и недостатки альтернативных топлив, а также особенности их применения и дизелях обусловлены их составом, физико-химическими свой* с I вами и возможностью получения из возобновляемого сырья. Главное достоинство топлив, получаемых из рапсового масла. - практически полная биоразлагаемость. Содержащиеся в них 10 12 % масс,
кислорода позволяют заметно уменьшит», выбросы в атмосферу таких вредных веществ, как углеводород, сажа, оксиды азота - из-за снижения температур сгорания. Кроме того, рапсовое масло не содержит соединений серы, полнциклических ароматических углеводородов, обычно содержащихся в отработавших газах дизелей (табл. 1|.
Перспективными считаются не сами масла, а получаемые из них эфиры, которые отличаются от самого масла меныпими плотностью, вязкостью и температурой воспламенения, более высоким цетановым числом, поэтому они м о гут подаваться и н цилиндры двигателя штатнойтопливоподающей аппаратурой.
I фактика показала, что для всех режимов расход биотоплива оказывается несколько, примерно на 12 %, больше расхода дизельного топлива. Это связан» > с меньшей геилогпорной способностью. При работе па биотопливе дизель, работающий на таком топливе.
отличается более низкой токсичностью отработавших газов.
В целом опыт зарубежных фирм и результаты отечественных исследований гопорято том. что смесовые биотоплива на базе рапсового масла способствуют не только экономии нефтяных топлив и улучшению экологических показателей дизелей, но и решению ряда социальных проблем.
Библиографический список
1 Панчншнмй В.И. Системы комплексной очистки отрдбо тавших газом дизелей /ПИ Панчишный //Автомобильная промышленность, - 2004. - N4 1 - С. 25-27
2. Короткой М.В., Вондлрс'ини Е.В Пробег и экологическая безопасность автомобиля / М.В. Короткой. 1л.В. Вондаргнко // Автомобильной промышленность. — 2003. - N9 I - С. 8- 10
3. Коплоп Л. В. Экологическая мпдольДВС с искровым нажи-
ганием / А.В. Козлов // Автомобильная промышленность. 2003 №4-0.12-15.
МИНИТАЕВА Алина Мажитовна, кандидат технических паук, доцент кафедры «Прикладная математика и информационные системы» Омского государственного технического университета.
Адрес для переписки: e-mail: [email protected] ГРИШИНА Юлия Борисопна, аспирантка кафедры «Локомотивы» Омского государственного университета п у гей сообщении (ОмГУПС).
ТАРУТА Мария Викторовна, аспирантка кафедры «Локомотивы» ОмГУПС.
АХМЕТОВСерикИмаигалиевич, аспират ка»|>едры «Локомотивы» ОмГУПС
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступили в редакцию 05.10.2001 г.
© Л. М. MiuiiiTdcua.lO. Ь. Гришина, М. В.Тарута.С. И. Лхмстон
