Забруднення атмосферного повітря

Багато конструкторiв  вважають газову турбiну бiльш перспективною  для важких вантажних автомобiлiв i автобусiв, хоча є випадки створення також i легкових автомобiлiв. Так, ще на виставцi 1969 року в Чiкаго фiрма “Шевроле” демонструвала легковий автомобiль “Астра-111” з газотурбiнним двигуном потужнiстю 230 кВт при масi турбiни 70 кг.

У 70-х роках компанiя “Вiльямс” (США) розробила газову турбiну для масового легкового автомобiля потужнiстю 60 кВт. До переваг цього двигуна слiд вiднести вiдсутнiсть вiбрацiї, низький рiвень шуму, мож.ливiсть роботи без системи водяного охолодження i достатньо чистi вiдпрацьованi гази. Тоді ж було опублiковано прогнози, згiдно з якими в США у 1980 роцi намiчався випуск 50 тис. автомобiлiв, обладнаних такими двигунами. Проте цi сподiвання не виправдалися — основна причина цього полягає в меншiй економiчностi газових турбiн у порiвняннi з карбюраторним двигуном, а особливо - з дизелем.

Недостатнiй ККД газової турбiни пов’язаний з вiдносно невисокою температурою робочого процесу. Пiдвищення цiєї температури вимагає застосування дорогих жаромiцних металiв i складних конструкцiй турбiнних лопаток. Великий iнтерес становили випробування в Швецiї експериментального автомобiля з газовою турбiною, в конструкцiї якої використано жаромiцну керамiку, однак на даний час газотурбінний двигун ще залишається складним по конструкцiї i дорогим [71].

Паровий двигун. Вимога збереження в чистотi повiтряного басейну змусила деяких конструкторiв знову повернутися до майже забутої iдеї створення парового автомобiля, що з’явився у Францiї та рядi iнших країн бiльш нiж 100 рокiв тому. Тихохiднi, але працездатнi паровi “омнiбуси” в Парижi їздили ще у 1873 роцi. Тодi ж було створено i легковi автомобiлi з паровими двигунами. Один екземпляр такого чотиримiсного автомобiля, побудованого французькою фiрмою “Жардне-Серполле”, можна бачити зараз в Нацiональному музеї в Празi. Парова машина, розмiщена пiд пiдлогою автомобiля, дозволяла йому розвивати швидкiсть 65 км/год. Паровi автомобiлi продовжували випускатися i працювати впродовж довгого часу навiть після створення двигуна внутрiшнього згоряння i були остаточно знятi з виробництва на початку 30-х рокiв.

У США, Японiї, Австралiї та деяких європейських країнах зробленi спроби створення зразків сучасних парових автомобiлiв рiзних категорiй. Їх конструкцiя включає водотрубний парогенератор, двигун — парову машину високого тиску, допомiжну машину низького тиску (для приведення в дiю водяного насоса i вентилятора радiатора) i допомiжне устаткування. Пiсля запуску автомобiль готовий до руху вже через 30—45 с, оскiльки пара готується малими порцiями. На одному з автомобiлiв марки “Понтiак”, переобладнаного на паромобiль, пара має тиск 5,6 МПа (56 кг/см²) i температуру 370°С. Чотирицилiндровий автомобiль розвиває швидкiсть до 160 км/год.

У США випущено чотирицилiндровий автобус мали мiсткостi з паросиловою установкою. Вiн розвиває потужнiсть 50 кВт при 1000 об/хв (максимальний режим 2000 об/хв). Максимальна швидксть становить 106 км/год. Витрата палива — 21,3 л на 100 км пробiгу [71].

У Австралiї побачив свiт паровий вантажний автомобiль вантажопiдйомнiстю 5 т для руху зi швидкiстю 88 км/год. Час на пуск складає 2 хв 15 с. Паливом є гас. Витрата води на 100 км — 13 л.

Там же було сконструйовано експериментальний легковий автомобiль з паросиловою установкою. Парогенератор (котел) вмiщає лише 2,2 л води i забезпечує пiдготовку пари для руху через 45 с пiсля вмикання. Основний запас води мiститься в окремому баку мiсткiстю 22,7 л. Робочий тиск пари складає 1,4—8,5 МПа (14—85 кг/см2). Двоцилiндрова парова машина при 4000 об/хв розвиває потужнiсть 33 кВт. Автомобiль може розвивати швидкiсть до 152 км/год. Витрата палива (гасу або спирту) скяадає 9,5—11, 3 л на 100 км пробiгу. Маса силової установки 158 кг.

Паралельно з випуском малогабаритних поршневих автомобiлiв, зроблено спроби використання в якостi двигуна парової турбiни. Створено, зокрема, парову турбiну потужнiстю 60 кВт для легкового автомобiля.

У США проводилося  випробування парової турбiни з одним колесом дiаметром 140 мм на автобусi. При тиску пари 63,3 кГ/см²i температурi 510°С турбiна розвивала потужнiсть 160 кВт при 60 тис. об/хв.

Сам по собi паровий двигун екологiчно абсолютно чистий. Вiн або дає викид водяної пари, або не дає нiякого. Якщо робочий цикл замкнений, вiдпрацьована пара конденсується i потiм, у виглядi живильної води, знову поступає в котел. Однак атмосфера забруднюється вiдпрацьованими газами пальника котла.

Двигун Стирлiнга. Останнiм часом, при пошуцi перспективних технiчних рiшень, вiдродився iнтерес до двигуна зовнiшнього згоряння, iдею якого запропонував Р.Стирлiнг ще у 1816 роцi. Використавши цю iдею, iнженери голландської фiрми “Фiлiпс” пiсля 20 рокiв працi створили цiлком працездатну конструкцiю такого двигуна.

Повiтрянi двигуни досить широко застосовувалися в ХIХ та на початку ХХ сторiччя в шахтах, на пiднiманнi води, в друкарнях, в якостi суднових машин та у рядi iнших областей. Принцип дії таких двигунiв був простим: дно великого цилiндра з поршнем нагрiвалося пальником, нагрiте повiтря пiднiмало поршень, виконуючи корисну роботу, а пiсля випуску теплого повiтря поршень опускався в початкове положення. Чергова порцiя нагрiтого повiтря знову пiднiмала його [71].

Сучасний двигун зовнiшнього згоряння є герметично закритим цилiндром, заповненим над поршнем стислим гелiєм або воднем. У процесi згоряння палива газ через стiнку цилiндра нагрiвається i опускає поршень. Вiдпрацьований газ прямує в камеру охолоджування, а поршень повертається в початкове положення. Пiсля цього порцiя холодного газу надходить у камеру розширення (над поршнем) для нагрiвання i робочого ходу.

Двигун зовнiшнього згоряння може працювати на будь-якому паливi i дає мiнiмальне забруднення повiтря оксидами вуглецю i вуглеводнями, оскiльки пальник працює в стабiльному режимi з оптимальним спiввiдношенням палива і повiтря. Вiн є практично безшумним.

Вважають, що при використаннi тепла, наприклад, розплавленого лiтiю, такий двигун може взагалi обходитися без пального, що є важливим i реальним при роботi в межах мiста. Фiрма “Фiлiпс” розробила акумулятори тепла енергоємнiстю до 23 кВт-год. На даний час побудовано досить багато дослiдних зразкiв двигуна Стирлiнга потужнiстю вiд 7 до 265 кВт, призначених для автомобiлiв, автобусiв, суден, а також стацiонарних.

До важких i ще не повнiстю розв’язаних проблем вiдносяться складнiсть конструкцiї i необхiднiсть забезпечення протягом термiну експлуатацiї двигуна повної герметичностi для збереження робочого тiла (гелiю або водню). Проблемою є також висока вартiсть двигуна. Тому двигун Стирлiнга поки що не може конкурувати з двигунами внутрiшнього згоряння.

Iнерцiйний двигун (Маховик) є найдавнiшим типом двигуна. Гончарний круг, вiк якого становить бiльше 5 тисяч рокiв, по сутi є маховиком.

Ідея використання кiнетичної енергiї маховика для руху машини не є новою, проте реалiзацiю вона одержала лише в серединi ХХ столiття, коли у Швейцарiї було випущено 17 мiських автобусiв, що приводилися в рух саме за допомогою iнерцiйних двигунiв — так званих жиробусiв (гiробусiв). Жиробуси експлуатувалися протягом 16 рокiв [71].

Основу двигуна на цих машинах становив маховик  масою 1,5 т (10% вiд маси жиробуса), який перед початком руху протягом 25 хвилин розкручувався електродвигуном  до 3000 об/хв i “запасав” 9 кВт-год енергiї. Пiсля розкручування оборотний електродвигун, сполучений з маховиком, працював вже як динамо - машина i живив тяговi двигуни жиробуса, який внаслiдок цього мiг розвивати швидкiсть до 50 км/год i проходити шлях до наступного заряджання (розкручування) до 5 км. Фактично швидкiсть жиробуса складала 20—25 км/год. На шляху 2,5 км вiн витрачав 60% запасу енергнi i вимагав зарядки. Тому заряднi пристрої розмiщувалися через 1,0—1,2 км, що вiдповiдало i вимогам розмiщення зупинок для пасажирiв. Великою перевагою маховика є його екологiчна чистота, вiдсутнiсть токсичних викидiв i шуму, а також високий ККД.

Найголовнiшим недолiком  даного двигуна слiд визнати його малу енергоємнiсть, і , як наслiдок, незначний пробiг мiж заряджаннями. Проте дослiдження i експерименти над ним продовжуються. В США, наприклад, спроектовано супермаховик масою 100 кг, який, згiдно з розрахунками, при 30 000 об/хв може забезпечити пробiг легковому автомобiлю 160 км. Хоча реалiзацiя такого проекту принципово можлива, слiд вирiшити чимало складних науково-технiчних задач i визначити економiчну доцiльнiсть його масового впровадження [71].

Оригiнальний легковий автомобiль розроблено i випущено наприкiнцi 70-х рокiв в США. Ця машина є шестимiсною з економiчним двигуном потужнiстю 44 кВт. У багажнику змонтовано важкий сталевий маховик дiаметром 950 мм масою 231 кг. Обертаючись на магнiтних пiдшипниках у вакуумi, маховик при 15000 об/хв розвиває потужнiсть 100 кВт. Через електрогенератор ця потужнiсть передається тяговому електродвигуну, а потiм — на ведучi переднi колеса. Початкове розкручування маховика вiдбувається за рахунок зовнiшньої електромережi. Цей автомобiль може працювати в наступних режимах: як звичайний — на двигунi внутрiшнього згоряння при зупиненому маховику, i як електромобiль вiд маховика, що забезпечус запас ходу 36 км при швидкостi 48 км/год; можливий також варiант i сумiсної роботи машини в обох режимах: у межах населених пунктiв водiй може використовувати тiльки енергiю маховика, а за їх межами — економiчний двигун внутрiшнього згоряння, рiзко пiдвищуючи потужнiсть силової установки за рахунок пiдключення енергiї маховика при короткочаснiй необхiдностi прискорити розгiн або пiдняти швидкiсть руху на крутому пiдйомi, при обгонi i в iнших ситуацiях до 151 км/год.

Незважаючи на такий  досить строкатий за принципом дiї асортимент альтернативних автомобiльних двигунiв, не слiд забувати, що переважна бiльшiсть свiтового автопарку укомплектована бензиновими двигунами i одним з напрямкiв подальшого підвищення ефективностi їх роботи є пошук шляхiв модернiзацiї. На даний час дослiдницькi i практичнi роботи із удосконалення iснуючих двигунiв проводяться за наступними основними напрямами: полiпшення системи запалення, змiна процесiв подачi палива в цилiндри двигунiв, влаштування додаткових приладiв, що зменшують вміст шкiдливих компонентiв у вiдпрацьованих газах.

Система запалення чинить істотний вплив на процеси згоряння палива.

Безконтактне електронне запалення забезпечує бiльш потужний розряд на свiчах i вiдрiзняеться бiльшою стабльнiстю роботи. Останнiм часом система електронного запалення набуває все бiльшого поширення. На деяких новiтнiх моделях зарубiжних автомобiлiв ця система доповнюється мiкро-ЕОМ, що автоматично змiнює момент випередження запалення сумiшi залежно вiд навантаження на двигун i швидкостi руху, оптимiзує витрату палива i склад вiдпрацьованих газiв.

Для полiпшення процесу згоряння палива у цилiндрах широко застосовується так зване форкамерне, або факельне, запалення. Сутнiсть його полягає в тому, що у малiй форкамерi збагачена сумiш пiдпалюється електричною iскрою, а потужний факел полум’я, що утворюється при цьому, запалює основну частину бiльш бiдної робочої сумiшi в цилiндрi, чим призводить до iнтенсивнiшого згоряння палива. Такi двигуни дозволяють зменшити викид всiх токсичних компонентiв, включаючи оксиди азоту, i досягати при цьому 10% економiї палива [71].

Змiна процесiв подачi палива в цилiндри досягасться кiлькома способами. Перший з них — це спроба влаштування на двигунi двох карбюраторiв замiсть одного. Вище наголошувалося що при роботi двигуна у режимi холостого ходу вмiст токсичних речовин у викидi збiльшується. Задля зменшення їх кiлькостi при роботi двигуна потрiбно вiдрегулювати карбюратор на збiднену або бiдну сумiш (1 частина бензину приблизно на 20 частин повiтря), але тодi двигун не розвиватиме необхдної потужності при роботi з навантаженням i не забезпечить належної тяги i швидкостi. Вихiд з цього положення дає встановлення другого карбюратора, який регулюється на нормальну сумiш (1 частина палива на 15 частин повiтря) i живить двигун на робочих режимах. Пiзнiше були розробленi новi, складнiшi конструкцiї карбюраторiв, здатних в одному блоці сумiщати вказанi функцiї i готувати необхiдний склад робочої сумiшi на будь-який режим роботи двигуна.

Другий спосiб полягає у змiнi клапанного механiзму з метою бiльш тонкого розпилювання i кращого перемiшування сумiшi пiд час надходження її до цилiндрiв. У рядi нових конструкцiй передбачається регулювання висоти пiдйому клапанiв впуску залежно вiд навантаження, що покращує процес заповнення цилiндрiв сумiшшю i згоряння.

Третiй спосiб — це вiдмова вiд традицiйного карбюратора i замiна його приладами (форсунками) для безпосереднього впорскування палива в трубопровiд впускання або в цилiндри. Ця система , вперше застосована в 1934 р. на спортивних автомобiлях, забезпечує найкраще розпилювання палива i перемiшування його з повітрям, а також рiвномiрний розподiл сумішi по окремих цилiндрах. При цьому способi не спостерiгається осiдання палива у виглядi крапель на стiнках трубопроводу впускання.

Система безпосереднього  впорскування особливо ефективна в поєднаннi з електронним керуванням, яке автоматично дозує паливо залежно вiд режиму роботи двигуна. Встановлено не тiльки зниження токсичностi газiв i економiю палива, але пiдвищення потужностi двигунiв на 10—20% [71].

Деякi пристрої впорскування дозволяють утворювати в зонi запалювальної свiчки легко запалювану вiд iскри збагачену сумiш. Таке пошарове сумiшеутворення забезпечує надійну роботу двигуна при результуючiй збiдненiй сумiшi. Вказане пошарове роздiлення одержують рiзними конструкцiйними рiшеннями, але найчастiше застосовується направлене впорскування палива в камеру згоряння. Система знаходить широке застосування на нових автомобiлях.

Методи знешкодження вiдпрацьованих газiв почали розроблятися ще в 30-х роках, але у практичний вжиток нейтралiзатори надiйшли лише 30 рокiв по тому.

Нейтралiзатор — це невеликий прилад, призначений для зниження токсичностi вiдпрацьованих газiв шляхом допалювання продуктів неповного згоряння i розкладання оксидiв азоту на складовi елементи — азот i кисень.