Снижение загрязнений окружающей среды

Автотранспорт является одним из основных загрязнителей атмосферного воздуха. С отработавшими газами транспортных средств в воздух попадают NOx, СО, СНх (от метана до полициклических ароматических углеводородов), альдегиды, кетоны, перекисные соединения, сажевый аэрозоль (сажа), SO2 и т.д. К веществам, вносящим основной вклад в загрязнение воздушного бассейна относятся:

- оксид углерода,

- диоксид азота,

- углеводороды суммарно,

- сажа,

- диоксид серы,

- соединения свинца (при использовании этилированных сортов бензина).

Выбросы двигателей внутреннего сгорания делятся на выбросы от карбюраторных (КД) и дизельных двигателей (ДД). Такое разделение связано с тем, что для КД характерно поджигание однородной топливно-воздушной смеси электрической искрой, а для ДД — самопроизвольное зажигание гетерогенной смеси вследствие сильного сжатия и возникающего нагрева.

К основным методам снижения выбросов ЗВ в атмосферу от автотранспорта относятся:

- повышение качества используемого топлива,

- использование альтернативных видов топлива,

- использование термических реакторов и каталитических нейтрализаторов,

- использование сажевых фильтров,

- улучшение процессов смесеобразования и горения топлива в двигателях внутреннего сгорания,

- использование присадок,

- обеспечение качественного технического обслуживания и контроля транспортных средств.

Рассмотрим более подробно эти методы:

Методы внутреннего подавления выбросов ДВС.

Существуют разные режимы работы двигателей и разнообразие конструкций, которые оказывают влияние на выбросы в выхлопных газах и могут быть использованы в разных комбинациях для подавления выбросов двигателей.
Эти варианты режимов работы и конструкций классифицируются как «методы внутреннего подавления выбросов двигателя.
Карбюраторные двигатели. Для КД такими методами являются регулирование температуры воздуха в карбюраторе, использование клапана задержки зажигания и т.д.
Одним из методов снижения выбросов является улучшение полноты сгорания топлива. Полнота сгорания топлива определяется, в основном, составом топливной смеси и качеством ее приготовления (т.е. макро- и микросмешением). Если макросмешение полностью определяется коэффициентом избытка воздуха, то микросмешение сводится к обязательной и полной гомогенизации заряда, исключающей наличие капель. Производителями автомобильных двигателей разрабатываются устройства, позволяющие усовершенствовать системы топливоподачи и улучшить процесс смесеобразования. В результате увеличения полноты сгорания топлива, помимо снижения выбросов, наблюдается экономия топлива и улучшение технико-экономических показателей. В зависимости от технического решения снижение выбросов ЗВ может достигать 15-20%.

Дизельные двигатели. Для ДД снижение выбросов может достигаться такими методами, как турбонаддув, системы рециркуляции выхлопного газа, совершенствование замкнутой системы вентиляции картера и т.д.
1) Использование малотоксичных рабочих процессов. Снижения выбросов ЗВ с ОГ дизелей может быть достигнуто использованием малотоксичных рабочих процессов.  Общий принцип таких процессов состоит в том, что для снижения выбросов NOx первая стадия сгорания должна осуществляться при обогащенной рабочей смеси в условиях недостатка атомарного кислорода за фронтом пламени, а вторая стадия — при обеднении смеси и интенсивной турбулизации топливно-воздушной смеси (ТЕС).
Снижение содержания сажи достигается торможением предпламенных процессов, гомогенизацией топливного заряда в КСг и снижением количества топлива, достигающего холодных стенок камеры и турбулизацией смеси с период сгорания топлива. С уменьшением времени задержки воспламенения и турбулизации ТВС во второй период диффузионного сгорания снижается выброс углеводородов.
Таким образом, при малотоксичных рабочих процессах в начальный период необходимо    снижение    интенсивности   тепловыделения    при   условии интенсификации скорости сгорания и турбулизации, смеси в конечной фазе сгорания.
В максимальной мере это реализуется в разделенных и вихревых КСг при организации двойной или ступенчатой топливоподачи, в полуразделенных КСг, а также при применении ряда мероприятий.
2) Подача воды в цилиндры. Подача воды в цилиндры для снижения выбросов загрязняющих веществ может осуществляться в виде эмульсии, пара или жидкости. Наибольшее применение нашли подача водно-топливных эмульсий (ВТЭ) с помощью стандартных топливных аппаратов и подача воды во впускной трубопровод с помощью карбюратора и форсунки.
При использовании ВТЭ улучшается процесс смесеобразования и сгорания топлива, снижается дымность и выбросы оксидов азота. Использование ВТЭ не требует значительных конструкторских переделок двигателя. В дизельных двигателях используются эмульсии типа»вода в масле«. Для облегчения образования эмульсии и повышения стабильности добавляют ПАВ-эмульгаторы (мазут, низшие спирты и их сложные эфиры). Установками для получения ВТЭ служат механические мешалки, коллоидные мельницы, струйные диспергаторы и другие устройства, позволяющие получить эмульгацию достаточной дисперсности.
Подача воды во впускной трубопровод приводит к снижению выбросов оксидов азота и сажи. Данный метод требует лишь установки карбюраторов, дополнительного бака для воды и при необходимости системы регулирования. Он может с успехом использоваться на уже эксплуатируемых дизелях.
3) Рециркуляция отходящих газов. Под рециркуляцией понимается такой способ работы ДВС, при котором искусственно увеличивается доля остаточных газов. Это достигается либо регулированием фаз газораспределения, либо соединением впускного и выпускного трубопроводов рециркуляционным. При этом снижаются выбросы оксидов азота, СО, углеводородов без ухудшения экономических показателей. Применение рециркуляции облегчает пуск двигателя в условиях низких температур, при пониженных степенях сжатия, связанных с форсированием двигателя. После пуска дизеля система рециркуляции может быть отключена.
Основной проблемой, которую необходимо решить при оборудовании дизеля системой рециркуляции является разработка автоматически регулируемого привода, изменяющего управление перепуском ОГ в зависимости от режима работы дизеля.
В качестве привода могут быть использованы различные механические, гидравлические, пневматические, электронные системы регулирования и их комбинации.
4) Регулирование топливоподачи. С точки зрения экономических и экологических показателей автомобильного дизеля наиболее благоприятно, по сравнению с всережимным регулированием, трехрежимное и гиперболическое регулирование. Благодаря тому и другому увеличивается топливная экономичность, снижается эмиссия оксидов азота и углеводородов. Переход же на 2-режимное регулирование повышает эмиссию СО. Однако, в случаях, когда необходимо движение транспортного средства с постоянной скоростью (например, в колонне, при выполнении ряда технологических операций и др.) лучше всего подходит всережимное регулирование. Обеспечить все это могут только адаптивные САУ (системы автоматического управления), позволяющие формировать различные характеристики топливоподачи, выбирать их форму в зависимости от конкретных условий эксплуатации.


Методы внешнего подавления выбросов ДВС.

Карбюраторные двигатели. Термические реакторы устанавливаются для того, чтобы доокислить углеводороды и СО посредством некаталитических гомогенных газовых реакций. Они не приводят к удалению оксидов азота. Такие реакторы поддерживают повышенную температуру выхлопных газов (до 9000С) в течение периода времени доокисления, так что окислительные реакции продолжаются в выхлопных газах и после того, как они покинут цилиндр.
Каталитические реакторы устанавливаются в выхлопной системе вместо глушителя. Действие их основано на беспламенном поверхностном окислении продуктов неполного сгорания и восстановлении оксидов азота в присутствии катализаторов. При очистке газов с применением распространенных в настоящее время трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов используются такие драгоценные металлы, как палладий и платина, служащие для окисления углеводородов и СО. Для снижения оксидов азота в качестве катализатора используется радий.
Дизельные двигатели.

1)    Сажевые фильтры. Основным токсичным элементом в отработавших газах ДД является сажевый аэрозоль. Для снижения его выбросов используются сажевые фильтры, устанавливаемые на автомобиле вместо глушителя. В настоящее время используются фильтры с полимерным наполнителем, керамические гофрированной металлической пленкой. Наиболее эффективным является использование сажевых фильтров в комплексе с нейтрализаторами, позволяющими снизить выброс в атмосферу других ЗВ. Снижение выбросов сажи в результате использования сажевых фильтров достигает 85%. Основным недостатком сажевых фильтров является требование к периодической регенерации и очистке. Кроме того, использование сажевых фильтров допускается при работе двигателя на малосернистом дизельном топливе с высоким цетановым числом. Использование топливных добавок приводит к засорению фильтра.
2)    Термические реакторы. Термические реакторы предназначены для догорания СО, углеводородов, альдегидов и других продуктов до конечных безвредных веществ (СО2 и H2O). В термическом нейтрализаторе установлена реакционная камера, температура ОГ в которой должна быть 650-850°С. Для сгорания этих веществ используется кислород, находящийся в ОГ.
3) Жидкостные нейтрализаторы. Очистка с помощью жидкостных нейтрализаторов (ЖН) включает в себя улавливание мелкодисперсных частиц, абсорбцию, конденсацию и фильтрацию.
I стадия — улавливание обеспечивается жидкостью, которая поглощает эти частицы.
II стадия — поглощение жидкостью газовых компонентов.
III стадия — конденсация и фильтрация наблюдается в ЖН при снижении температуры ОГ ниже критической температуры рассматриваемого компонента (в случае насыщенных паров этого компонента), коагуляции (слипания жидких и твердых частиц ОГ) и дальнейшего их задерживания с помощью фильтров.
В ЖН может использоваться не только вода, но и химические растворы. Наиболее эффективно использование 10% водного раствора сульфита натрия с добавкой 0.5% гидрохинона.
4) Каталитические нейтрализаторы. Каталитические нейтрализаторы также применяются в ДД.
5) Системы очистки. Эффективного снижения выбросов ЗВ можно добиться путем применения систем очистки.
Окислительные системы очистки ОГ состоят из каталитических нейтрализаторов и системы подачи дополнительного воздуха для обеспечения дожигания продуктов неполного сгорания (СО, углеводороды, альдегиды). Системы подачи дополнительного воздуха, в основном, изготовлены в виде пульсаров. Для этой цели используются также воздушные насосы и эжекторы. Малоинерционные обратные клапаны (пульсары) устанавливаются в выпускном трубопроводе и срабатывают от импульсов разрежения, образующихся в пульсирующем потоке ОГ двигателя за выпускными клапанами. Недостатками данной системы являются ограниченная пропускная способность и небольшая долговечность. Эжекторы обладают высоким газодинамическим сопротивлением и через них могут частично выбрасываться ОГ. Воздушные насосы обеспечивают удовлетворение всех требований, но для них нужен привод, усложняющий компоновку двигателя на автомобиле и имеющий высокую стоимость.

6) Использование присадок. Заметного экологического эффекта могут добиться сами владельцы автотранспорта при помощи присадок различного назначения, например для КД:
моющие присадки для автобензинов — служат для поддержания оптимального режима работы двигателя за счет предотвращения образования отложений в карбюраторе, а также на впускных клапанах двигателей с непосредственным впрыском. Достигаемый эффект — снижение выбросов СО на 15-50% и углеводородов. Наблюдается экономия топлива до 3%, связанная с повышением эффективности рабочего процесса. За рубежом такие присадки используются очень широко. Особенностью применения моющих присадок является то, что топливная система должна быть чистой, иначе присадка, обладая высокими моющими свойствами, смоет загрязнения из бака и трубопроводов, унося их с топливом в карбюратор и далее в камеру сгорания. Поэтому их использование должно быть постоянным, чтобы загрязнения не успевали образоваться.
октан-бустеры — это высокооктановые добавки, которые вводятся в бензин в количестве до 10%. Чаще всего это кислородсодержащие соединения — спирты и эфиры, так называемые оксигенаты. Они корректируют октановое число бензинов на 4-8 пунктов в зависимости от условий для обеспечения бездетонационной работы двигателя. В частности, добавка к бензину 5% метанола увеличивает октановое число и позволяет заменить этилированный бензин на неэтилированный. Добавка 15% метанола и 7% изобутилового спирта снижает на 30-35% выбросы NO2 и углеводородов и обеспечивает экономию топлива на 14%. Введение метилтетбутилового эфира (МТБЭ) повышает октановое число, снижает выбросы СО на 20-30%. Повышение октанового числа бензина при помощи бустера обходится дорого, что же касается легкой корректировки октанового числа для нормальной работы двигателя, то она целесообразна и необходима. Однако, в частности, добавка МТБЭ повышает токсичность паров бензина, что связано с высокой упругостью ее паров.
депрессоры — снижают температуру застывания топлива и, следовательно, уменьшают продолжительность холодного пуска, который характеризуется повышенной токсичностью выброса. Температура применения топлива с присадкой, характеризуемая показателем»предельная температура фильтруемости«, может быть снижена на 10-15°С. При этом на 20-25°С снижается температура застывания. Таким образом, летнее дизельное топливо можно применять при 15-20-градусных морозах. Продолжительность холодного пуска снижается в несколько раз. Действие депрессоров основано на предотвращении роста кристаллов парафинов, которые и являются причиной застывания топлива. На уже образовавшиеся кристаллы депрессоры не действуют, поэтому присадку вводят в топливо до его помутнения. Чем выше температура, при которой топливо смешивают с присадкой, тем вьше достигаемый эффект.
Для ДД присадками являются:
•    антидымные присадки — увеличивают полноту выгорания сажи в камере сгорания за счет переноса кислорода с начальных стадий горения, где наблюдается его избыток, на последние, характеризующиеся его недостатком. Присадки снижают дымность отработавших газов в несколько раз и уменьшают эмиссию бенз(а)пирена в 2-3 раза. Характерно, что в процессе стендовых испытаний эффект от антидымных присадок составляет 15-40%, а в эксплуатации может достигать 90%. Их применяют в тех случаях, когда двигатель работает в форсированных режимах, при неблагоприятных выгодных условиях, плохой организации рабочего процесса. Антидымные присадки обычно содержат барий, реже — кальций.
•    антисажевые присадки — снижают температуру выгорания сажи с 550 до 250-350»С, т.е. до температуры отработавших газов, повышают срок службы сажевых фильтров и каталитических дожигателей. Наиболее эффективные и практически доступные присадки базируются на соединениях меди и железа.
Присадку можно вводить непосредственно в топливный бак автомобиля или в емкость, откуда проводится раздача топлива. Если присадка вводится в емкость, то это делают в процессе перекачки, подмешивая присадку к топливу. Удобно также расчетное количество присадки заливать в бензовоз при заполнении eгo топливом. При этом перемешивание присадки в топливе происходит в процессе перевозки.
Повышение качества моторного топлива

Одним из основных методов подавления выбросов ,3В является повышение качества моторного топлива. Под повышением качества моторного топлива понимается:
производство и использование высокооктановых неэтилированных сортов бензинов,
производство и использование малосернистого дизельного топлива с повышенным петановым числом.
Использование высокооктановых неэтилированных сортов бензинов позволяет:
исключить выбросы свинца и его соединений с отработавшими газами КД,
улучшить полноту сгорания топлива, в результате чего снизятся выбросы СО и СНх,
приступить к широкомасштабному использованию каталитических нейтрализаторов.
Использование малосернистого дизельного топлива позволяет увеличить эксплуатационное время работы двигателя между ремонтами и снизить выбросы диоксида серы. Например, снижение содержания серы в топливе с 0.04 масс.% до 0.05 масс.% позволяет увеличить эксплуатационное время работы на 30% и снизить выбросы SO2 на 85%.

Использование альтернативных видов топлива.

Снижения загрязнения атмосферы от автотранспорта можно добиться и с помощью внедрения альтернативных видов топлива, к которым относятся водород, метанол, спирт, сжатый природный газ (СПГ) и сжиженный нефтяной газ (СНГ). Евросоюз, озабоченный проблемами экологии, к 2020   году планирует 23% транспорта перевести на альтернативны источники энергии. На долю биодизеля придется 8%, а водорода 5%. Оставшиеся 10% машин будут приводится в движение метанов (природным газом).
Организационные мероприятия.

Снижение выбросов ЗВ в атмосферу может достигаться путем обеспечения качественного техобслуживания и контроля транспортных средств. Периодичный контроль токсичности и технического состояния, а также качественная регулировка и техобслуживание позволяет снизить выбросы ЗВ в атмосферу, уменьшить расход топлива и увеличить межремонтный период эксплуатации автомобиля. Мероприятия по контролю и техобслуживанию транспортного средства являются наиболее доступными и снижение выбросов ЗВ с отработавшими газами может достигать 10%. У предельно изношенных двигателей выбросы увеличиваются на 50-70%, а расход топлива на 25%.
Одним из способов снижения загрязнения от автотранспорта является оптимизация дорожного движения, включающая:
разработку схемы движения транспортных потоков, позволяющей до минимума снизить образование автомобильных пробок,
внедрение технических средств и автоматизированных систем регулирования дорожного движения в городе,
вывод крупных автопредприятий за территорию населенного пункта,
вывод междугородних транспортных потоков за территорию города и строительство кольцевых магистралей в крупных городах [95].
Снижение выбросов автотранспорта на территории АТП достигается внедрением нового технологического оборудования, например, конвейеров для перемещения автомобилей на линиях ТО.