Экологическая безопасность автомобилей с двигателями внутреннего сгорания

ЭКОНОМИЧНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ СОВРЕМЕННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

В последние десятилетия остро встала проблема защиты окружающей среды. Известно, что основным источником загрязнения воздуха является автотранспорт, выхлопные газы которого, попадая в атмосферу, делают её небезопасной для живых существ. С каждым годом количество автомобилей только растет, поэтому актуальность данной проблемы остаётся высокой, несмотря на то, что производители автомобилей делают всё возможное для того, чтобы их машины были максимально безопасными для окружающей среды.

В данной исследовательской работе я преследую следующие цели:

изучить от чего же зависит экологичность двигателей внутреннего сгорания (ДВС);

узнать современные методы борьбы с токсичностью выхлопных газов;

рассмотреть альтернативные пути решения проблемы;

попытаться предложить собственные идеи для снижения вредности автомобилей;

сделать выводы о том, что же нужно делать, чтобы обезопасить себя окружающую среду от вредных выбросов.

Более подробно изучив зависимость расхода топлива от стиля вождения, можно получить наиболее полную информацию о том, что же представляет собой эта проблема, и исходя из результатов исследований подвести итоги работы.

2. Экономичность и экологичность современных автомобилей

2.1 Виды двигателей

При полном сгорании углеводородов конечными продуктами являются углекислый газ и вода. Но в поршневых ДВС полное сгорание не происходит из-за конструктивных особенностей, и через выхлопную трубу в атмосферу выбрасывается более 200 различных химических веществ. Среди них:

-соединения неорганических веществ, которые входят в состав топлива

-продукты термических реакций азота с кислородом — оксиды азота

-продукты неполного сгорания в виде оксида углерода, альдегидов, кетонов, углеводородов, сажи и т.д

В данной работе мы рассмотрим три самых распространённых вида двигателей для автомобильного транспорта и выясним, какой же из них наиболее вреден для природы. Очевидно, что главным фактором экологичности двигателя является его расход топлива, ведь чем меньше сжигается топлива, тем меньше вредных веществ выбрасывается в атмосферу. В настоящий момент на автомобилях наиболее распространены три вида двигателей:

3)гибридные двигатели (электрическая тяга +ДВС)

Каждый из этих силовых установок имеет свои эксплуатационные характеристики, в которые, конечно же, входит и расход топлива. Если сравнивать бензиновый и дизельный ДВС, то наиболее экономичным по отношению к горючему окажется дизельный. Так, например, дизельный двигатель такого же объёма, как и бензиновый, потребляет примерно в 1,5 раза меньше топлива, чем двигатель, работающий на бензине. Однако ,это вовсе не означает, что дизельный двигатель менее вреден для человека. Для наглядности обратим внимание на таблицу:

Исходя из этой информации, видим, что содержание сажи в выхлопных газах дизельного ДВС намного выше, бензинового. Получается, что нельзя делать выводы о вреде двигателя только по его расходу топлива. Есть еще множество факторов влияющих на содержание вредных веществ в отработавших газах. К ним вернемся чуть позже, а теперь более детально рассмотрим, что же представляют собой гибридные автомобили.

2.2 Гибридные двигатели, их преимущества и недостатки

Гибридные автомобили — транспортные средства, использующие для движения более одного двигателя. Современные производители автомобилей часто прибегают к совместному использованию двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателя. Основной причиной для начала производства таких автомобилей стало увеличение цен на нефть и ужесточение экологических норм. Гибриды в несколько раз меньше сжигают топливо и меньше выделяют вредных веществ при эксплуатации. Объясняется это тем, что ДВС в гибридном автомобиле, в общей сложности, работает меньшее количество времени и нагрузка на него меньше, чем в обычном автомобиле и вследствие этого меньше выхлопных газов. Так же некоторые гибриды в городских условиях могут двигаться исключительно на электротяге, что способствует уменьшению загазованности в мегаполисах во время дорожных пробок.

Несмотря на все преимущества гибридных автомобилей, их количество на дорогах невелико. Это говорит о том, что они имеют ряд недостатков и автолюбители еще не готовы приобрести экологичные автомобили. Так какие же недостатки существуют у гибридных автомобилей?

Во-первых, гибриды имеют больший вес, относительно обычных автомобилей, что сказывается на маневренности и управляемости транспортного средства.

Во-вторых, гибридная установка является сложной конструкцией, и из-за этого увеличивается стоимость её ремонта и обслуживания.

В-третьих, если встает вопрос об утилизации аккумуляторов, то все экологические преимущества перечёркиваются, ведь в батареях для питания электродвигателя содержатся опасные химические вещества.

Ко всему этому добавляется ещё и более высокая рыночная стоимость гибридных автомобилей. Именно по этим причинам доля таких машин на дорогах мала.

2.3 Зависимость экологичности автомобилей от системы зажигания

Вернёмся к бензиновым и дизельным двигателям. Было сказано, что кроме топливной экономичности существуют множество факторов, влияющих на природу. Среди них первое место занимает приготовление качественной горючей смеси. Поясню, что это значит. Для того чтобы полностью сгорел 1 кг бензина, нужно 14,7 кг атмосферного воздуха. Это и называется нормальным качеством смеси. Если количество воздуха для 1 кг бензина будет больше 14,7 ,то смесь называется бедной. Если же воздуха будет меньше 14,7 кг, то смесь будет богатой. Для регулировки качества смеси на двигателях могут устанавливаться две различные системы питания: карбюраторная и инжекторная. Подробнее рассмотрим каждую из них и узнаем, какая из них более экономичная.

Карбюраторная система является более простой по конструкции и менее эффективной в отношении рационального использования топлива. Она состоит из топливного бака, фильтров, самого карбюратора, топливного насоса, топливных проводов. Качество смеси, приготовляемое карбюратором, регулируется один раз, и не может меняться без участия человека в зависимости от режимов работы двигателя. И зачастую происходит так, что двигатель расходует больше топлива, чем хотелось бы. Именно это является главным недостатком этой системы.

Почти все современные автомобили оборудованы инжекторной системой подачи топлива. Преимущества её в том, что на любых режимах работы двигателя она обеспечивает качественное смесеобразование. Происходит это за счёт более точной дозировки топлива, в зависимости от температуры окружающей среды, температуры двигателя и режима его работы, а также других факторов, которые влияют на процессы, происходящие в ДВС. Контролирует все это электронный блок управления (ЭБУ), который считывает и обрабатывает информацию с датчиков и корректирует качество смеси. В совокупности, инжекторная система делает двигатель экономичнее, мощнее, экологичнее карбюраторного. Благодаря всем этим преимуществам двигатели, оборудованные электронными системами, почти полностью вытеснили карбюраторные версии.

2.4 Современные методы борьбы с токсичностью выхлопных газов и альтернативные пути решения проблемы

С каждым годом конструкция современных двигателей все усложняется новыми системами ,которые снижают уровень выделяемых вредных веществ. Вот уже несколько лет существуют эффективные методы снижения токсичности выхлопа автомобилей, которые хорошо зарекомендовали себя на практике:

Каталитический нейтрализатор. Он состоит из носителя, заключенного в корпус. Носитель представляет собой керамический материал (сотовой конструкции или в виде шариков), покрытый тонким слоем катализатора из благородных металлов, например, платины, палладия, родия. При температуре поверхности катализатора свыше 250-300°С содержащиеся в отработавших газах окислы углерода СО эффективно окисляются, а их концентрация в выхлопных газах снижается во много раз. Окисление углеводородов СН происходит при более высокой температуре (400°C). Окисление СО и СН происходит в присутствии свободного кислорода воздуха, небольшое количество которого образуется в результате сгорания.

Рециркуляция отработавших газов. Эта система направляет небольшую часть выхлопных газов обратно в двигатель. Повторное сжигание снижает количество оксидов азота в выхлопе.

Система старт-стоп. Эта функция автоматический выключает двигатель во время остановки на светофорах, пробках и включает его перед началом движения.

Так же улучшается качество топлива в заправочных станциях, что тоже помогает развитию экологичности двигателей.

Существуют и альтернативные способы уменьшения вреда двигателей. Например, использование в качестве топлива водорода. Известно, что водород можно получить путём пропускания электрического тока через воду. По этому принципу построены автомобили ,оборудованные водородными генераторами. Но высокая взрывоопасность таких конструкций пока ещё не позволяет получить широкое распространение данной идеи.

Нельзя не упомянуть двигатели, работающие на метане. Относительно невысокая стоимость и экологичность данного вида топлива создают потенциал для развития данной отрасли.

2.5 Исследование зависимости расхода топлива от стиля вождения

В этой работе было проведено исследование зависимости расхода топлива от стиля вождения.

Испытания проводились следующим образом: на одном и том же автомобиле замерялся расход топлива при различных условиях движения. Результаты снимались со штатного бортового компьютера автомобиля.

Опыт 1.Движение в городских условиях с интенсивными ускорениями и торможениями. Бортовой компьютер показал значение расхода топлива: 12,5 литра на 100 километров пути.

Опыт 2. Движение в городских условиях с плавным ускорением и торможением. Показания бортового компьютера: 11,2 литра на 100 километров пути.

Опыт 3.Движение по загородной трассе со скоростью 80 км/ч. Расход топлива составил: 10,2 литра на 100 километров пути.

Опыт 4.Движение по загородной трассе со скоростью 100 км/ч. Расход топлива равнялся: 10,5 литров на 100 километров пути.

3.Заключение, выводы

Таким образом, проделанная работа позволяет сделать выводы о том, что проблема загрязнения окружающей среды автомобильным транспортом может решаться силами не только учёных и инженеров, но и силами обычных водителей. Проведенные опыты показали, что даже манерой своего вождения можно снизить расход топлива, тем самым сэкономить деньги и уберечь природу от вредных веществ.

4.Использованная литература

Источник статьи: http://school-science.ru/4/11/1016

Что вреднее для экологии: электродвигатели или ДВС?

Статья о том, так ли экологически безопасны электромобили: вред и польза электрических машин, интересные нюансы. В конце — видео про электрокары против авто с классическими ДВС.

Содержание статьи:

Поменяли шило на мыло
Система впрыска
Аккумуляторная катастрофа
Электродвигатель или ДВС
Преимущества и недостатки
Видео про электрокары против авто с классическими ДВС

Когда в 2012 году появился первый электромобиль Tesla Model S, это был настоящий фурор в автомобильной сфере. Основной акцент делался на экологичность нового типа автомобиля, который спасет Землю от парниковых газов, а граждан – от вредных выхлопов.

Но так ли на самом деле электрические двигатели превосходят классические ДВС?

Поменяли шило на мыло

Главное отличие электромобилей состоит в конструкции силового агрегата, который работает от энергии подзаряжаемых аккумуляторов. Хотя электродвигатели способны использовать энергию, например, от солнечных батарей или топливных элементов, они все равно предполагают наличие АКБ.

Из-за того, что подобные двигатели не нуждаются в бензине, дизеле, масле, антифризе, они не производят выхлопов, загрязняющих атмосферу. Однако ученые все больше приходят к выводу, что общий уровень экологической безопасности следует рассчитывать не по одним лишь последствиям его функционирования. Необходимо учитывать куда больше факторов, начиная от производства, обслуживания, зарядки и до финальной утилизации.

Так объективно ли автопроизводители заявляют о снижении выхлопов? Экологи говорят, что нет.

Главными источниками электроэнергии служат теплостанции, 40% которых работают на угле и торфе, четверть — на газе и буквально единицы — на нефтяных фракциях. То есть уровень экологической опасности таких станций существенно выше от всего современного автотранспорта.

Ученые всего мира, изучая влияние на атмосферу электрического транспорта, пришли к мнению, что при наличии столь большого числа станций, сжигающих уголь и нефть, распространение электромобилей абсолютно бессмысленно.

Система впрыска

Второй показатель, по которому проигрывают современные двигатели — система непосредственного впрыска. По итогам исследования одной из наиболее уважаемых немецких ассоциаций, уровень сократившихся выбросов CO2 несопоставим с возросшим количеством опасных канцерогенов.

Эти мельчайшие частицы наносят большой вред здоровью, всасываясь в кровеносную систему, которая разносит их по всему организму.

Технология прямого впрыска впервые применили в 1920-е годы в авиации и лишь в 1950-е годы — на автомобилях. Система GDI оказалась куда более экономичной и мощной, хотя и требует высококачественного топлива. Она вынуждает двигатель работать при более высокой компрессии, что вызывает усиленный выброс вредных субстанций.

Экологи полагают, что проблему легко решить с помощью требования установки особых фильтров, причем цена вопроса составит порядка 50 евро за штуку. Однако автопроизводители почему-то не идут на это простое решение, ограничиваясь сомнительными тестами.

Технический регламент, обязывающий производителей разрабатывать машины с выбросами, не превышающими 95 г углекислого газа на километр дороги, вступит в силу в 2021 году, хотя изначально планировалась на 2020 год. Эта задержка оказалась на руку немецким компаниям, чьи модели премиум-сегмента отличаются чрезмерным уровнем вредных выбросов.

Аккумуляторная катастрофа

Еще один фактор, вызывающий опасения, заключается в мощных аккумуляторах, используемых для электрокаров.

Как показали исследования, предприятия, производящие электрический транспорт, осуществляют токсичные выбросы в разы большие, чем классическое автопроизводство. Они выпускают вдвое больше парниковых газов из-за технологической потребности в высоком энергопотреблении.

Так, расчеты наглядно показывают, что выпуск одного электромобиля требует энергии, равноценной сжиганию 10 тыс. литров бензина — такого объема хватит на многолетнюю эксплуатацию обычного автомобиля с ДВС.

Мощные батареи содержат в себе высокотоксичные элементы: литий, соединения никеля, меди и алюминия, кобальта, которые в разы опаснее обычных выхлопных газов.

Не меньшую проблему представляет последующая утилизация аккумуляторов, которая является процедурой очень дорогостоящей и трудоемкой. Если пользование электромобилями выйдет на массовый уровень, то даже при соблюдении всех экологических и технологических норм утилизации вероятность загрязнения окружающей среды слишком велика. Кроме того, извлечение металлов из аккумуляторов в процессе утилизации потребует в 10 раз больше энергозатрат, чем при самом производстве.

Наконец, владельцы отметили, что на электрокарах гораздо быстрее изнашиваются покрышки. Это объясняется тем, что вес аккумуляторной батареи существенно больше, чем обычного двигателя. Следовательно, увеличивается общий вес машины и оказывается большее давление на всю ходовую часть.

Электродвигатель или ДВС

Об экологичности электрокаров можно говорить лишь в том случае, если они будут получать энергию от «чистых» электростанций. Однако станций, использующих возобновляемые источники, пока слишком мало, да и доля выработки АЭС едва достигает 10%. К тому же последние все чаще становятся «жертвами» природоохранных организаций и закрываются по всему миру.

Таким образом, на сегодняшний момент «чистой» энергетики в мире недостаточно для массового перехода к электрическому транспорту. А саму идею улучшения экологической ситуации в мире с помощью подобной меры многие считают абсолютно бесперспективным направлением.

Первыми миф об экологичности электромобилей развеяли китайские исследователи, изучив города с преобладанием такого транспорта. В некоторых китайских районах все государственные и полицейские службы пересели на электрокары, для чего дополнительно открыли 800 тысяч зарядных станций.

При крайне высоких ценах на нефть Китай располагает большими литиевыми запасами, из которого быстро и бюджетно производят аккумуляторы.

Однако тотальная замена ДВС двигателей на электрические не помогла стране избавиться от экологических трудностей, а том числе и от колоссального смога, накрывающего весь Пекин.

Дело в том, что почти вся электроэнергия создается на применяющих уголь тепловых электростанциях, которые активно загрязняют воздух. Объем сжигаемого угля, требуемый для получения энергии для поездки длиной в один километр, в разы превышает загрязняющие вещества от ДВС мотора.

Преимущества и недостатки

Если рассмотреть самые важные аспекты выбора автомобиля, складывается следующая картина:

Надежность

По данному пункту электрические агрегаты выигрывают, так как имеют незначительно количество подвижных, а потому изнашиваемых деталей.

Обслуживание

Высокая надежность новых двигателей позволяет владельцам ощутимо экономить на их обслуживании и ремонте. Американская ассоциация автомобилистов подсчитала, что даже при пробеге свыше 200 тысяч километров водитель потратит на содержание автомобиля на 2 тысячи долларов меньше, чем поехав столько же на классическом двигателе.

Стоимость

Это единственный неоспоримый недостаток электромобилей, который обуславливается высокой ценой аккумуляторной батареи. Поэтому в данное время электрический транспорт преимущественно приобретают в тех странах, где имеются субсидии или налоговые льготы на такие покупки.

Запас хода

Еще один показатель, по которому ДВС превосходят конкурентов. Редкие силовые агрегаты, имеющие соответственную стоимость, могут преодолеть на одном заряде свыше 500 км.

Если же поездка происходит в зимний период, сопровождающийся низкими температурами, эффективность батареи существенно снижается, вследствие чего запас хода падает как минимум на четверть.

Заключение

Есть ли преимущество электрических двигателей по сравнению с классическими ДВС, с учетом описанного несовершенства параметров и вызывающей дороговизны? Единственным неоспоримым достоинством можно назвать отсутствие выхлопов.

При прочих равных условиях, а тем более в свете проводимых исследований относительно вреда электромобилей они могут ощутимо сдать столь быстро завоёванные позиции, вернув прежнюю популярность бензиновых автомашин.

Видео про электрокары против авто с классическими ДВС:

Источник статьи: http://fastmb.ru/autonews/autonews_mir/3785-chto-vrednee-dlya-ekologii-elektrodvigateli-ili-dvs.html