16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/148/11415.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 08 (148) апрель 2010 года

Улучшат ли экологию новые автомобили?

Новые технологии К. т. н. Игорь ДУБРОВИН, к. т. н. Евгений ДУБРОВИН

В марте 2010 года в Женеве прошел автосалон, где ведущие мировые производители представили электрические и «гибридные» транспортные средства.

Их принципиальной особенностью является то, что ДВС выполняет вспомогательную функцию или вовсе отсутствует. Но позволит ли использование таких автомобилей улучшить качество воздушной среды?

Чем опасен традиционный транспорт

Улицы и дороги сейчас невозможно представить без автотранспорта. Его количество постоянно увеличивается. Только за последнее десятилетие мировой автомобильный парк вырос более чем в три раза.

Однако автомобильный транспорт не только удобное средство передвижения, но и мощный источник загрязнения окружающей среды. Повышение количества легковых и грузовых машин, пассажирских автобусов и строительной техники значительно ухудшает и без того плохое качество воздуха – особенно в городах.

По подсчетам, ДВС в мегаполисах дают сейчас более 60 процентов загрязнений атмосферного воздуха. А если учитывать постепенный физический износ двигателей, фактическое количество экологически вредных выбросов еще выше.

В принципе, двигатель каждого автотранспортного средства, независимо от его конструкции, является опасным загрязнителем. Для работы он вынужден потреблять нефтяное топливо, значительное количество атмосферного воздуха (на один литр топлива его требуется 12‑13 килограммов), смазочные материалы и охлаждающую жидкость.

С позиции экологии автотранспорт – это передвижной и периодически действующий источник загрязнения окружающей среды: газообразными, жидкими и даже твердыми (сажей, гарью, копотью) химическими соединениями.

Степень загрязнения определяется типом, мощностью, временем и режимом работы двигателя, качеством применяемого топлива, техническим состоянием двигателя, уровнем эксплуатации средства и т. д. Например, с выхлопными газами в атмосферу сбрасывается до 1‑1,5 процента потребляемого автомобилем топлива.

Наиболее интенсивное загрязнение происходит на оживленных городских магистралях, на автостоянках и в местах образования автомобильных пробок – там, где двигатели вынуждены работать на переходных и холостых режимах. А также – в пунктах технического обслуживания и диагностики транспортных средств.

Известно, что выхлопные газы автомобилей, сжигающих жидкое топливо, имеют в своем составе более 200 высокотоксичных и ядовитых химических элементов, соединений и веществ, причем токсичность некоторых из них (например, бензапирена) сопоставима с боевыми отравляющими веществами. Главными составляющими автомобильных газов являются оксиды углерода и углеводороды (бензолы, формальдегиды, бензапирен) – до 70 процентов, оксиды азота – до 55 процентов, вода – до 5,5 процента, сажа (тяжелые металлы), гарь, копоть и др.

Кроме того, работающие автомобильные двигатели – это мощные источники теплового излучения. В современных автотранспортных двигателях до 60 процентов тепловой энергии сгораемого топлива сбрасывается в атмосферу в виде тепла и горячих газов. Учитывая постоянное увеличение суммарного количества автотранспортных средств, их негативное влияние на качество воздуха в городах ощутимо и неуклонно возрастает.

Следует отметить, что негативное воздействие на окружающую природную среду двигателей внутреннего сгорания автомобилей было замечено уже с началом их эксплуатации, поэтому одновременно начались работы по созданию альтернативных экологически более чистых двигателей для транспортных средств.
Сначала такими автомобилями стали электромобили, а позднее – так называемые «гибридные» автомобили.



Электромобили

В начале ХХ века электромобили использовались в Западной Европе и США в качестве такси, почтовых фургонов, коммунальных машин, а также как легковые автомобили. Максимальная скорость, достигнутая электромобилем, составляла 100 км/ч.

В 1960‑х в связи с увеличением загрязнения воздуха и усилением шума от автомобилей с ДВС ученые снова вспомнили об электромобилях – транспортных средствах с тяговым электродвигателем, получающим питание от аккумуляторных батарей, – разработанных еще в конце ХIХ века.

Наиболее широкое распространение электромобили получили в качестве городского транспорта, чему способствовал небольшой средний суточный пробег в городе (до 100 километров), ограничение скорости до 60 км/ч и возможности организации сети зарядных станций для аккумуляторных батарей.

Основными достоинствами электромобилей являются:
• отсутствие газовых выбросов;
• минимальная вибрация и низкая шумность;
• хорошая управляемость и высокая маневренность;
• простота конструкции и управления.

Однако ограниченные скорость и запас хода, низкая энергоемкость и большая масса аккумуляторов, малая полезная нагрузка, невозможность длительного хранения электрической энергии в батареях, сложное техническое обслуживание, необходимость наличия развитой инфраструктуры, ограниченная автономность и невозможность хранения дополнительного запаса энергоносителя не позволили электромобилям занять ведущее место в системе городского транспорта. Кроме того, с их внедрением появилась реальная опасность поражения человека электротоком и электролитными жидкостями, а также загрязнения городского воздуха парами кислот и щелочей из аккумуляторных батарей.

К сожалению, электромобили по целому ряду эксплуатационных свойств все же уступают транспортным средствам с ДВС. Поэтому они так и не стали их полноценной заменой. Отдельные недостатки электромобилей до сих пор сдерживают их дальнейшее развитие и широкое внедрение в качестве основных транспортных средств.



«Гибридные» автомобили

Для повышения экологической чистоты транспортных средств на рубеже 1960-70‑х стали разрабатываться и внедряться «гибридные» автомобили, представляющие собой транспортные средства с комбинированной силовой (энергетической) установкой, включающей дизельный или бензиновый двигатель и электрический мотор.

Комбинированная силовая установка современных «гибридных» автомобилей может иметь разные конструктивные решения.

Например, в одном исполнении они оснащены двигателями внутреннего сгорания с небольшой мощностью, работающими на постоянном малотоксичном режиме и приводящими в действие электрический генератор, от которого подзаряжаются аккумуляторные батареи, питающие тяговый электромотор (электродвигатель).

В другом исполнении «гибридные» автомобили имеют более мощные ДВС, которые на определенных режимах работы приводят в движение ходовую часть и одновременно являются приводом генератора (непосредственно или через газовую турбину от выхлопных газов), заряжающего аккумуляторы тягового электродвигателя.

К сожалению, «гибриды» не всегда сочетают в себе наилучшие свойства комбинируемых его частей, в связи с чем им присущи не только достоинства автомобиля с ДВС и электромобиля, но и их недостатки. Наряду с уже перечисленными недостатками указанных транспортных средств «гибридные» автомобили обладают специфическими отрицательными свойствами, к которым следует отнести:
• наличие газовых и тепловых выбросов;
• зависимость от нефтяного топлива и его качества;
• сложность конструкции;
• повышенную взрывопожаро-опасность;
• невысокий коэффициент полезного действия и др.



Экологическая чистота

электроприводных автомобилей
В природе существует всеобщая взаимосвязь процессов и явлений, при этом изменение хотя бы одного из показателей экосистемы вызывает количественные и качественные перемены других.

Работа электрического транспорта сопровождается электрическим, магнитным и электромагнитным излучениями, а также испарением электролита из аккумуляторов – все это вредно для экологии. Использование электромобилей и «гибридных» автомобилей вызывает не только проблемы, связанные с работой электрооборудования, но и загрязнение атмосферы опосредованно через работу электрической станции.

Следует напомнить, что в настоящее время более 77 процентов энергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого топлива, поэтому основным производителем ее являются сейчас тепловые электростанции (ТЭС). Очевидно, что зарядка большого количества аккумуляторных батарей неизбежно потребует значительного увеличения производства электроэнергии, что повлечет за собой повышение расхода топлива и, как следствие,
рост объемов вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, при передаче электроэнергии от производителя к потребителю обязательно появятся дополнительные потери, которые необходимо компенсировать, а значит, фактическое газовое и тепловое загрязнение воздуха в районе расположения ТЭС будет еще выше. Кроме того, широкое внедрение электромобилей и «гибридов» потребует решения целого ряда других вопросов. Например, безопасной утилизации отработавших аккумуляторных батарей и электролита.

Таким образом, с позиций экологии электромобили и «гибридные» автомобили не следует относить к абсолютно экологически чистым транспортным средствам. Можно лишь говорить о более или менее высокой степени их экологической чистоты по сравнению с автомобилями, оснащенными двигателями внутреннего сгорания, и об изменении характера и видов загрязнений воздушного бассейна.

Необходимо также помнить, что длительный опыт эксплуатации таких автомобилей в реальных условиях, в том числе в условиях высоких и низких температур, отсутствует. Для объективной оценки воздействия автомобилей нового поколения на окружающую природную среду необходимы статистические данные за более длительный период их работы.



Выход из замкнутого круга

Очевидно, что с увеличением количества электромобилей и «гибридных» транспортных средств их негативное воздействие на окружающую природную среду, включая и атмосферу, будет неуклонно возрастать.

Возникает своего рода замкнутый круг: стремление улучшить качество воздуха в отдельно взятом городе неизбежно приведет к увеличению объемов вредных выбросов в атмосферу в районах расположения предприятий – производителей электроэнергии. Ввиду близости электростанций к населенным пунктам при определенном направлении и силе ветра загрязнители снова попадут в воздушную среду города. Поэтому экологические проблемы, связанные с эксплуатацией различных видов транспорта, нельзя будет считать решенными.

Это еще раз подтверждает, что проблема загрязнения атмосферы не имеет однозначного решения, а значит необходимо искать новые способы оздоровления воздуха в городах и промышленных центрах.

Сегодня, по мнению авторов, целесообразно параллельно с дальнейшей доработкой водородных двигателей и совершенствованием автомобилей с электрическим приводом продолжить работы по повышению экологической чистоты всех без исключения топливосжигающих установок, включая и двигатели внутреннего сгорания.

Одним из перспективных направлений этой деятельности является повышение энергетической эффективности использования углеводородного топлива, то есть достижение такого уровня его сжигания, при котором с единицы веса топлива получается максимально возможное количество полезной энергии.

При существующих сейчас способах подготовки горючего и воздуха к сжиганию, схеме их смешения и уровне организации процесса горения из углеводородного топлива извлекается далеко не вся тепловая энергия, которой оно потенциально обладает. Так, по оценке специалистов, в настоящее время максимальный коэффициент энергетической эффективности сжигания топлива не превышает 80-85 процентов – остальная часть энергии безвозвратно теряется.

Тепловая эффективность топлива зависит от многих факторов, и в первую очередь – от качества горючего, способа подготовки топлива и воздуха к сжиганию, схемы смешения и соотношения компонентов в горючей смеси, определяющих уровень организации процесса сгорания.

К сожалению, за все годы использования жидкого топлива технология его подготовки к сжиганию, включающая очистку (фильтрацию), подогрев (при необходимости) и распыл, так и не претерпела существенных изменений. Принципиально новые способы подготовки и обработки топлива так и не нашли широкого внедрения в технологический цикл.

Повышение энергетической эффективности сжигания углеводородного топлива, в конечном итоге, способно при получении требуемого количества тепловой энергии значительно сократить расходы горючего и воздуха для организации цепной реакции окисления. Это позволит не только уменьшить объем и температуру сбрасываемых в атмосферу газообразных продуктов сгорания, но и изменить их качественный состав.

Повышение энергоэффективности сжигания решается авторами с помощью нескольких направлений. Одним из них стало внедрение в технологический цикл топливоподготовки дополнительных процессов, в частности струйно-кавитационной и роторно-пульсационной обработки исходного топлива, динамического хранения тяжелых топлив, обеспечения постоянной циркуляции топлива по малым контурам и т. д. Результатом практической реализации этого направления явились экономия 9-10 процентов нефтяного топлива, сокращение на 20 процентов расхода воздуха, подаваемого на горение, и, как следствие, снижение на 25-30 процентов тепловых и газовых выбросов в атмосферу.

Другим направлением является изменение схем смешения и подачи топлива с воздухом в зону горения. Замена раздельной, традиционно применяемой схемы подачи горючего и окислителя в зону горения на совместную, переход от внешнего способа смешения компонентов горючей смеси к внутреннему, позволили:
• более чем на 15 процентов сократить расход топлива;
• подавать в зону горения гомогенную воздушно-топливную смесь оптимального состава;
• сократить на 25 процентов потребление воздуха на горение;
• добиться бездымного горения даже при сжигании сырой нефти и т. д.

На сегодняшний день указанные направления реализованы практически в действующих котельных установках.



Как снизить загрязнения

Проблема снижения загрязнения воздуха автомобилями с ДВС вряд ли потеряет актуальность в течение нынешнего столетия, то есть пока не иссякнут разведанные запасы природных углеводородов. Однако эту проблему надо решать безотлагательно уже сегодня.

Повысить экологическую чистоту бензиновых и дизельных автомобилей авторы предлагают путем внедрения в работу двигателей топливных систем нового поколения, способных обрабатывать, смешивать и подавать топливо и воздух в камеру сгорания таким образом, чтобы при минимально возможных расходах горючего и окислителя вырабатывалось максимально возможное количество полезной энергии.

Топливная система нового поколения, созданная авторами, уже функционирует в составе котельных установок, снижая качественное и количественное загрязнение атмосферы продуктами сжигания углеводородного топлива.

Представляется своевременным внедрение топливных систем нового поколения и на ДВС транспортных средств. Уместно предположить, что экономия топлива, полученная за счет использования принципиально новых топливных систем, не только снизит загрязнение воздуха, но и увеличит пробег автомобилей на одной заправке.

Кроме того, с целью уменьшения газовых выбросов автомобилей целесообразно дополнительно оборудовать их выхлопные трубы газовоздушной эжектирующей насадкой, способной за счет прокачки ее внутренней полости отработавшими выхлопными газами всасывать воздух и многократно разбавлять и снижать температуру продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу.

Интересные факты

Первый электромобиль в виде тележки с электромотором был создан еще в 1841 году.

В начале XX века в Нью-Йорке в качестве такси работало до 70 тысяч электромобилей. Значительное распространение тогда получили также грузовые электромобили, а также элек­три­ческие омнибусы (электробусы).

По прогнозам, к 2015 году мировое производство электромобилей вырастет до 500 тысяч в год. Причем некоторые европейские страны (например, Ирландия, Германия, Франция) планируют довести количество электромобилей до 10 процентов от общего числа транспортных средств.

Мировой лидер по производству электрического транспорта в настоящее время – Китай.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 08 (148) апрель 2010 года:

  • МРСК Сибири намерено увеличить инвестпрограмму
    МРСК Сибири намерено увеличить инвестпрограмму

    Инвестиционная программа ОАО «МРСК Сибири» в 2010 году будет увеличена на 31 процент – до 4,2 миллиарда рублей. ...

  • На Северо-Западе соревновались диспетчеры
    На Северо-Западе соревновались диспетчеры

    Команда Архангельского РДУ победила в региональных соревнованиях диспетчеров РДУ операционной зоны ОДУ Северо-Запада. ...

  • Энергия для газопровода
    Энергия для газопровода

    Корпорация Rolls-Royce, международный производитель энергетических установок, вы- играл второй за два года контракт с индийской компанией Gas Authority India Limited (GAIL) на поставку энергосистем для главного газопровода страны. Стоимость нового контракта составляет 90 миллионов долларов США. ...

  • Магнитно-электрический активатор топлива
    Магнитно-электрический активатор топлива

    Проблема экономии топлива и снижения токсичности выхлопов тепловых двигателей остается одной из самых актуальных в мире. ...

  • На СевЗапТЭЦ испытали теплофикацию
    На СевЗапТЭЦ испытали теплофикацию

    На Северо-Западной ТЭЦ в Санкт-Петербурге завершились тепловые испытания, в рамках которых специалисты станции совместно с коллегами из ГУП «ТЭК СПб» провели испытания теплофикационной установки блока № 1. ...