Современная экология и ее проблемы

Автомобильный транспорт загрязняет атмосферу  отработанными газами, картерными и  углеводородами. Происходит испарение  топлива из бака, карбюратора и  трубопровода. В отработанных газах  в процентах к объему содержатся: окись углерода (0,5-10%), окислы азота (до 0,8%), углеводороды (до 3%), альдегиды (до 0,2%), сажа.

Количество загрязняющих веществ пропорционально расходу  топлива, поэтому более экологичны двигатели, расходующие меньше топлива. Сокращение расхода топлива можно добиться уменьшением массы автомобиля. Легко рассчитать, что расход топлива автомобилем прямо пропорционален его массе. Особенно сильно масса влияет на расход топлива при разгоне и торможении. На многих моделях автомобилей сталь и чугун заменяют легкими сплавами, композитами и пластмассами. Даже блоки цилиндров делают сейчас из легких сплавов. Другой резерв экономии топлива — более полный учет аэродинамического сопротивления автомобиля. Наиболее существенная экономия топлива может быть получена для большегрузных автомобилей и автопоездов. Другая проблема (не только экономическая, но и сугубо экологическая) — сокращение холостого пробега. Автомобиль, "возящий воздух", не только зря "сжигает деньги", но и отравляет атмосферу.

В повышении  экологичности автотранспорта важно следить за его техническим состоянием. Одна неработающая свеча карбюраторного двигателя повышает расход топлива на 15 — 20%, неисправность одной форсунки дизельного двигателя увеличивает расход топлива еще больше — до 28%. Плохо отрегулированный карбюратор ведет к росту образования окиси углерода до 15%.

Значительная  перспектива в повышении экологичности  двигателей внутреннего сгорания связана  с поиском принципиально новых технических решений. Эти усовершенствования и поиски идут по целому ряду направлений. На них следует остановиться особо.

Изменения в системе зажигания должны значительно повысить экологичность автомобильного транспорта. Одна из основных причин загрязнения воздуха автомобильными двигателями — несовершенство системы зажигания. Разрабатываются новые принципы и схемы зажигания:

— бесконтактное  электронное зажигание (оно ставится на многих двигателях, в том числе  и советских) обеспечивает стабильность работы при более интенсивном разряде на свечах;

— форкамерное (или факельное) зажигание позволяет  уменьшить выброс в атмосферу  всех токсичных компонентов, экономит до 10% топлива. Работа форкамерного зажигания  основана на том, что в малой форкамере  обычной электрической искрой поджигается богатая бензиновая смесь. Факел, образующийся при возгорании, зажигает остальную, более бедную часть смеси. Сгорание топлива улучшается при таком зажигании.

Улучшение систем подачи топлива осуществляется следующими путями:

— изменением клапанного механизма для лучшего распыления и перемешивания смеси при ее поступлении в цилиндры;

—установкой двух карбюраторов (вместо одного) на двигателе. Один карбюратор обеспечивает работу двигателя на обедненной смеси в  холостом режиме, другой работает при возрастании мощности на рабочих режимах. Существуют модели карбюраторов, совмещающие в едином блоке устройства, обеспечивающие оба режима работы;

— заменой карбюратора  системой форсунок, осуществляющей впрыскивание топлива во впускной трубопровод или в цилиндры. Такая система позволяет достаточно равномерно распределить топливо внутри цилиндра, так как идет хорошее перемешивание топлива с воздухом.

Сложность внедрения  этих систем состоит в том, что  они могут быть установлены только на вновь выпускаемых автомобилях.

Усовершенствование  ими старых двигателей практически  нереально.

Нейтрализация выхлопных газов заключается в установке небольших приборов, обеспечивающих дожигание и разложение продуктов неполного сгорания (нейтрализаторов) на выхлопную трубу. Такие нейтрализаторы, как правило, обеспечивают разложение окислов азота NOx на составные элементы — азот и кислород. Существуют два основных вида нейтрализаторов — термические и каталитические.

Термические нейтрализаторы осуществляют пламенное дожигание окиси углерода СО, превращая ее в двуокись углерода СО2, а также тех альдегидов и углеводородов, которые не сгорели в цилиндре. Это сгорание происходит при температурах 500 — 600°С.

Каталитические  нейтрализаторы дожигают СО, альдегиды, углеводороды, а также N02 Выполняются они по двухкамерной схеме с дополнительной подачей воздуха. Лучший, но очень дорогой катализатор — платина. Окись алюминия используется в нейтрализаторах, производимых в нашей стране. Эти нейтрализаторы ставятся на карбюраторные и дизельные двигатели. На схеме 1 показана схема каталитического нейтрализатора.

Схема 1 

В мировом автомобилестроении достаточно широко используются найтрализаторы. Здесь  есть свои недостатки: удорожание автомобиля, неполное (даже в  очень хороших  нейтрализаторах) сгорание отработавших газов, некоторое ухудшение характеристик двигателя (при некоторых схемах нейтрализаторов). Но требования чистоты воздуха заставляют все шире использовать их для очистки выхлопов автомобилей, несмотря на многие недостатки.

Кроме доработки существующих схем карбюраторного двигателя, осуществляются разработки новых  типов двигателей, прежде всего для  легкового автомобильного транспорта.

Дизельные двигатели, традиционно  применяемые на грузовых автомобилях и  автобусах, все шире находят применение в легковом автомобилестроении. Их преимущества: меньшая по сравнению с карбюраторными двигателями суммарная токсичность выхлопных газов (хотя по ряду показателей — сажа, сернистые соединения — дизельные двигатели более токсичны), более высокий КПД (до 35%), возможность работы на более дешевом топливе.

Газотурбинный двигатель давно  испытывается на автотранспорте и, прежде всего, на грузовиках и автобусах. Преимуществами этого типа двигателей являются существенно  меньшая токсичность  отработанных газов, малая масса, высокая удельная мощность (т.е. мощность на единицу массы), плавность работы, низкий уровень шума. Однако распространение этого типа двигателей сдерживают два основных недостатка: низкая топливная экономичность, т.е. относительно большой расход топлива при той же мощности двигателя, плохие эксплуатационные характеристики, например сложности остановки и торможения.

Электрические двигатели проходят испытания во многих странах. Первые образцы  электромобилей были созданы еще в  конце XIX в. Считается, что электромобиль — это экологически чистое транспортное устройство. Он идеален в эксплуатации в условиях города. Строго говоря, абсолютно чистого экологически технического устройства быть не может. Что касается электромобиля, то неясной проблемой во многих отношениях остается воздействие создаваемых им электрических полей на организм человека, что касается и вообще всех электрических приборов, окружающих нас. Очевидны и многократно доказаны экологические достоинства электромобиля: отсутствие выхлопов, очень малый шум. Есть и чисто технические и эксплуатационные преимущества: легкость управления, хорошие тяговые характеристики, отсутствие сложных трансмиссий. Но в реальной практике все эти плюсы электромобиля перечеркиваются его существенным недостатком — низкой энергоемкостью электрических батарей (для сравнения: энергоемкость свинцово-кислотной батареи — 40 Вт-ч/кг, а бензина — 11 тыс.Вт-ч/кг). Для пробега без подзарядки около 400 км масса батареи должна быть порядка 1,0 — 1,5 т. Обычному легковому автомобилю для такой поездки нужно от 25 до 40 л бензина.

Создано несколько десятков различных видов  аккумуляторов:

никель-железные, никель-цинковые, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые и др. Они имеют  различные сроки  службы, измеряемые в количестве циклов зарядки — от 200 до 3000. После этого батарею необходимо менять. Важным показателем является время зарядки: для свинцово-кислотной батареи оно равно приблизительно 6 ч, а для никель-кадмиевой — несколько минут.

Все действующие модели электромобиля работают в городе, расстояние их пробега между двумя подзарядками — от 60 до 100 км. Существуют гибридные автомобили, включающие как двигатели внутреннего сгорания, так и электродвигатели. Несмотря на все очевидные преимущества, широкое внедрение таких автомобилей ограничивается их очень высокой стоимостью.

Еще один вариант —  электромобиль, работающий от солнечных батарей. Такие автомобили интересны в настоящее  время с исследовательской  стороны. Реальное их транспортное использование  ограничено малой  мощностью, небольшим пробегом (10 — 20 км), высокой стоимостью.

Другая  альтернатива автомобилю — транспорт на магнитной подвеске. В ФРГ и Японии уже работают подобные линии. Но у автомобиля в его традиционном понимании в сравнении  с транспортом  на магнитной подвеске есть немаловажное преимущество:

гораздо более высокая  относительная автономность. Так что транспорт  на магнитной подвеске — это скорее альтернатива железнодорожному транспорту, метро, трамваю и  др.

Но  не только в изменении  конструкций двигателей, поиске их новых типов заключается прогресс автомобилестроения. Надежды (прежде всего экологические) связаны с разработкой новых видов топлива. Первое направление — использование примесей и присадок, снижающих токсичность двигателя. Токсичность существующих видов топлива определяется тем, что большинство применяемых бензинов являются этилированными, т.е. содержащими тетраэтил-свинец (0,4 — 0,8 г/л). Это соединение свинца позволяет поднять степень сжатия смеси в цилиндре, т.е., избежав взрыва, увеличить мощность двигателя. Свинец, являющийся антидетонатором, —одно из самых вредных веществ в выхлопных газах, поэтому ведется поиск новых смесей и присадок. Одна из них —антидетонатор на основе марганца, имеющий существенно меньшую токсичность. Добавление этого антидетонатора в бензин значительно повышает октановое число.

Еще одно направление  в повышении экологичности  двигателя — поиск  новых смесей, например водобензиновых. Добавление воды в бензин приводит к некоторому росту  мощности двигателя  и существенному  снижению токсичности выхлопных газов (особенно окисей углерода и азота). Возможно использование газового топлива (первые модели автомобилей в XIX в. работали на газе, лишь затем предпочтение было отдано более энергоемкому бензину).

Используются  разные газы, наиболее распространена смесь пропана и бутана (октановое число более 100). Два безусловных преимущества есть у газовых автомобилей: достаточно чистые выхлопные газы, возможность применения более высоких степеней сжатия (за счет более высокого октанового числа). Еще один, правда, существенно менее распространенный вид топлива — природный газ (смесь метан-этан), имеющий октановое число также больше 100. Но трудность использования природного газа в больших масштабах определяется необходимостью охлаждать сжиженный газ при хранении. Создание криостатов удорожает и усложняет использование природного газа. Идеальным же газом для двигателей (с точки зрения экологии) является водород.

Наконец, последнее (из наиболее разрабатываемых) направление  в повышении экологичности  двигателей — использование синтетических спиртов (метилового и этилового). Их применение также снижает токсичность выхлопных газов. Метанол, как правило, используется в качестве добавки к бензину. Он ядовит, что заставляет при его использовании быть предельно осторожным. Кроме того, его ресурсы весьма ограниченны. Этанол имеет более высокую энергоемкость по сравнению с метанолом. Отработавшие газы двигателей, работающих на этаноле, содержат меньше углеводородов (по сравнению с метиловым спиртом). В последние годы шире используется топливо из сахарного тростника (особенно в Бразилии).

Важной  экологической проблемой, связанной с развитием  различных транспортных средств, является высокий  уровень шума. Сейчас транспорт — основной источник шума на планете. Наиболее шумны дизельные автопоезда: до 95 дБ(Л), железнодорожные поезда: до 100 дБ(А), самолеты на взлете: до 150 дБ(Л). Рост мощности и скоростей транспортных средств приводит к еще большему росту шума: наружный шум растет по закону квадрата, шум под колесами — по закону куба. На городских транспортных магистралях шум постоянно в течение дневного времени составляет (в среднем ) 90 дБ(Л).

Наиболее  эффективные направления  снижения "шумового загрязнения", создаваемого транспортом, таковы: правильное техническое  содержание транспорта (неисправный двигатель шумит в несколько раз сильнее исправного), снижение шума исправных транспортных средств, например разработка малошумных трансмиссий, создание малошумящих дизелей, применение амортизирующих материалов. В метрополитене все шире применяют пути со сварными рельсами.

Энергетическая  проблема

Многие  глобально-экологические  проблемы могли бы получить успешное разрешение, если бы удалось устранить  самый главный  дефицит — энергетический.

Преобразующая деятельность человеческого общества в своем историческом развитии сопровождалась непрерывным ростом потребления энергии. Смена источников энергии — древесина, уголь, нефть, природный газ, энергия атома — это по существу вехи технического прогресса. В XX в. широкое использование электрической энергии и двигателей внутреннего сгорания привело к быстрому росту добычи ископаемых топлив и в первую очередь нефти и газа.

Пользуясь ископаемыми источниками  энергии, человек  фактически расходует  энергию Солнца, аккумулированную растительным миром нашей планеты в течение миллиардов лет. Запасы этих источников велики, но не безграничны. Человечество уже почувствовало это, когда в 1973—1974 гг. разразился энергетический кризис и цены на нефть на мировом рынке поднялись в 15 раз, а на природный газ — в 10 раз. Расчеты ученых свидетельствуют о том, что если темпы добычи и потребления нефти и газа сохранятся, то их запасов хватит только на 30 лет. А ведь нефть и природный газ являются ценным сырьем химической промышленности, из которого получают полимерные материалы, красители и др.