Забруднення атмосферного повітря

Спочатку вважалося, що такi прилади мають бути дешевими i простими у виготовленнi та експлуатацiї. У Калiфорнiї (США) в 1959 роцi було навiть прийнято штатний закон, що встановлював термiни комплектацiї всiх дiючих автомобiлiв цими приладами. Подiбнi пропозицiї пiзнiше розроблялись i у рядi iнших штатiв США, а також у деяких країнах Європи, проте їх реалiзацiя виявилася непростою й iстотно пiдвищила вартiсть автомобiлiв та експлуатацiйнi витрати.

Розрiзняють два типи нейтралiзаторiв: термiчнi та каталітичнi.

У термореакторi, встановлюваному за випускним трубопроводом, здiйснюється процес допалювання оксиду вуглецю СО i перетворення його на вуглекислий газ СО² а також спалювання незгорiлих у цилiндрi вуглеводнiв i альдегiдiв. для iнтенсифiкацiї процесу допалювання, в камеру термореактора подається додаткове повiтря. Реакцiя окислення проходить при температурi 500—600°С i знижує наявнiсть вуглеводнiв приблизно в 2 рази, а оксидів вуглецю в 2—З рази.

На нових автомобiлях термореактори стали вмонтовувати у випускну систему двигуна з відповiдними змiнами в цiй частинi конструкцій двигуна. Каталiтичнi нейтралiзатори, крiм окислення С i СН, можуть здiйснювати ще i розкладання оксидiв азоту NО_х [71].

Процес окислення С i СН є безполуменевим i протiкає при проходженнi вiдпрацьованих газiв через шар носiя (наприклад, керамiчних гранул) каталiзатора. Найкращим каталiзатором виявилася платина, але цей дорогий i дефiцитний матерiал не може широко застосовуватися. Дослiдженнями встановлено, що платину певним чином можуть замiнити паладiй, радiй, рутенiй, а також оксиди мiдi, хрому, нiкелю, дiоксид марганцю тощо.

Ефективнiсть дiї каталiтичного нейтралiзатора iстотно залежить вiд температури в реакторi. Низькотемпературнi реактори працюють при 100—300°С, а високотемпературнi — при 300—600°С i бiльше. На перших моделях вiд високої температури корпус реактора досить швидко прогоряв i вимагав замiни. Пiзнiше дефект було усунено цiною ускладнення i дорожчання реактора.

Роботи зi створення нових типiв i конструкцiй нейтралiзаторiв продовжуються у багатьох країнах, але вимоги надiйностi i довговiчностi привели поки лише до ускладнення подiбних приладiв.

Ще один з варiантiв полягає у зниженнi токсичностi вiдпрацьованих газiв у результатi їх рециркуляцiї, тобто повторного засмоктування в цилiндри (разом з порцiєю нової горючої сумiшi) з метою допалювання С i СН i зниження кiлькостi оксидiв азоту безпосередньо в цилiндрах двигуна. Однак використання даного процесу веде до деякого погiршення характеристик двигуна, якщо навiть вже не вести мову про ускладнення його конструкцiї.

5.3. Альтернативні види палива

Водень. Першi дослідження стосовно використання водню як палива для теплових двигунiв були проведенi ще в 20-х роках ХХ столiття. Характеристики водню як моторного палива такi: нижча теплота згоряння - 120 Мдж/кг, що перевищує теплоту згоряння рiдкого палива в 2,7—2,9 разу. Енергiя запалювання водню дуже низька i приблизно в 10 разiв нижча за вуглеводневе паливо. Швидкiсть згоряння водневоповтряної сумiшi висока, особливо збагачено воднем. Межi запалювання сумiшi за коефiцiєнтом надмiру повiтря дуже широкi становлять 0,15—10. За таких широких меж запалювання можливо регулювати потужнiсть двигуна лише зміною складу сумiшi.

Пд час згоряння водневоповiтряної сумiші утворюється водяна пара, тобто виключається можливiсть утворення шкiдливих продуктiв неповного згоряння. Таким чином, водень як паливо для теплових двигунів має низку переваг перед вуглеводневим паливом. Проте є причини, як стримують широке використання водню в теплових двигунах, пов’язанi вони з його добуванням, зберiганням i особливостями роботи двигунiв.

Отримують водень, в основному, при переробцi природного газу і нафти, якi безпосередньо можна використовувати для живлення теплових двигунiв або отримувати з них моторне паливо. Тому проводяться iнтенсивнi пошуки iнших ефективних методiв отримування водню. Найперспективнішим є метод газифiкацiї вугiлля під тиском на парокисневому дуттi. Винчається питання використання надлишкової енергiї електростанцiй у перiоди мiнiмальних завантажень або з альтернативних джерел енергiї для отримування водню електролiзом води.

Вiдомi три способи зберiгання водню: в балонах високого тиску, в крiогенних баках i у звязаному станi у складi металогiдридiв.

Зберiгання водню у стиснутому станi здiйснюється в балонах високого тиску. Проте навiть за тиску 10-40 МПа маса водню становить лише 0,7-1,3% маси балонiв. Запас водню в 10 кг, необхiдний легковому автомобiлю середнього класу для пробiгу 400—500 км, потребує використання балонiв масою 1200 кг. Крім того, зберiгання на борту транспортної машини водню за високого тиску неприпустиме з огляду технiки безпеки, тому що може призвести до вибуху пiд час аварiї [12].

Зберiгання водню в  кріогенних баках також небезпечне. Температура зріження водню за нормального  тиску становить 20К, тому його охолодження  потребує значної витрати енергiї. Маса i габарити кріогенних бакiв також  не задовольняють вимоги щодо їх установлення на автомобiлях. За такого способу збергання водень випаровується, внаслiдок чого тиск у середині бака підвищується, i якщо водень не використовується, то, щоб запобiгти надмiрному пiдвищенню тиску, його випускають крiзь перепускний клапан, тобто втрачають, використовують непродуктивно. Тому крiогеннi баки повиннi мати надiйну теплоізоляцiю. Як правило, їх виготовляють iз подвiйними стiнками й iзоляцiєю мiж ними. Але i це не виключає втрат водню, що становить у кращих системах 1 % за добу.

Найперспективнiшим вважається зберiгання водню у зв’язаному станi у складi металогiдратiв. Цей спосiб зберiгання грунтується на властивостi гідридiв деяких металiв за низьких температур поглинати водень, а за високих— виділяти його. Для зарядження металогідридного акумулятора крізь гiдрид пропускають водечь i відводять теплоту. Пд час роботи двигуна гiдрид нагрівається гарячою водою або вiдпрацьованими газами i водень вивiльнюється. Вiдомо багато гiдридiв металiв i їх сплавiв, що мають властивiсть поглинати i вивiльнювати водень. Найбiльш легкими, здатними адсорбувати до 8 % водню за масою є магнiєві гiдриди. Проте водень з цих гiдридiв видiляється за температури, близької до 300 ˚С, i тиску 0,15 МПа. Залiзотитановi гiдриди поглинають водню до 2 % за масою, вивiльнення його вiдбувається за температури 7 ˚С, але вони мають велику масу.

Недоліки, якi пов’язанi з особливостями роботи двигуна, що живиться чистим воднем. Потужнiсть такого двигуна зменшується на 20—З0 % внаслiдок малої густини водню в газоподiбному станi, що спричиняє зменшення наповнення двигуна. Велика швидкiсть згоряння водневоповiтряної сумiшi веде до рiзкого пiдвищення тиску, жорсткої роботи з детонацiйноподiбними явищами. Через те, що водневоповiтряна сумiш легко запалюється, вона в процесi впуску може запалитися вiд нагрiтих деталей камери згоряння i вiдпрацьованих газiв, якi залишилися в цилiндрi, а це може призвести до зворотних спалахiв. Щоб позбутися спалахiв, у впускну систему водневого двигуна подають воду. При додаваннi 4—5 кг води на 1 кг водню зворотнi спалахи зникають.

Застосовують й iнші способи запобігання зворотним спалахам: рециркуляцiю вiдпрацьованих газів, подавання водню безпосередньо до впускного клапана. Повнiстю запобiгти зворотним спалахам можна безпосередньою подачею водню в цилiндр.

При згорянні водневоповiтряної сумiшi не відбувається утворення продуктiв неповного згоряння, властивих згорянню вуглеводневих палив, хоча у вiдпрацьованих газах у незначнiй кiлькості мiстяться СО якi утворилися в результатi згоряння оливи, що потрапила в камеру згоряння.

Основна шкідлива речовина, що мiститься у вдпрацьованих газах водневого двигуна, — оксиди азоту. Найбiльше їх утворюється при згоряннi дещо збiднечої воднево повітряної сумiшi (α 1,2). Із збагаченням чи збiдненням сумiшi вмiст NО_x рiзко зменшується. При α = 1,8 вони практично відсутні. Через те, що водневий двигун стало лрацює при досить збiднених сумішах, зменшити викиди оксидiв азоту можна регулюванням складу сумiшi. Проте енергетичнi показкики двигуна у цьому разі знизяться. Зменшити викид NО_x можна також рециркуляцiєю відпрацьованих газів, подаванням води у впускну систему та зменшенням кута випередження запалювання [71].

Спецiалiсти вважають, що в найближчому майбутньому, через названі недолiки, двигуни, що працюють на водні, широкого застосування не набудуть.

Ацетилен. В останні роки за кордоном вивчається можливiсть використання ацетилену (С₂Н₂) як моторного палива. Ацетилен має високi енергетичнi показники, i його можна виробляти з нафтової сировини.

Проводились поодинокi експериментальнi дослідження роботи поршневих ДВЗ на ацетиленi, які, окрiм того, виконанi переважно на одноциліндрових установках СFR.

Токсичні показники двигуна, який живиться ацетиленом, покращуються переважно завдяки зниженню вмiсту у ВГ оксиду вуглецю i сумарних вуглеводнiв. Так, в режимах максимальної потужностi викиди СО зменшилися в 2—2,5 рази, порiвняно з мiнiмальними значеннями викидiв цих компонентів у ВГ бензинового двигуна. Разом з тим, внаслідок високої температури згоряння ацетилену, вмiст оксидiв азоту у ВГ перебуває на рівнi найбiльших викидiв NО_x бензинових двигунiв. За однакового складу паливних сумiшей (α = 1,43) перехiд з бензину на ацетилен пiдвищу вмiст майже втричi. Проте з подальшим збiдненням ацетиленоповiтряно сумiшi викиди оксидiа азоту швидко эменшуються таким чином, що при α = 2,2 вони практично вiдсутні.

Основним недолiком  ацетилену i ацетиленоповiтряної сумшi є їх висока вибухонебезпечність. Це єдиний газ, що використовується у промисловостi, горiння вибух якого можливе  без присутностi окислювача. Щоб користування було безпечним, найпоширенiшим став спосiб зберiгання та транспортування ацетилену, розчиненого в ацетонi в сталевих балонах, якi заповненi активованим деревним вугіллям або iншими поруватими масами пiд тиском до 2,4 МПа [71].

Азотовмiснi палива. Азотоводневе паливо складається з водню й азоту. Основними видами азотоводневого палива є гiдрозин (N₂H₂) й амiак (NH₃).

Амsак (NH₃) характеризується простотою виробництва, вiдносно низькою вартiстю i, як паливо, задовольнили термодинамiчними показниками. Характерними властивостями аміаку є низький стехiометричний коефiцієнт — теоретично необхiдна кiльксть повiтря (6,15 кг/кг), висока температура займання амiачноповiтряних сумiшей (650 ˚С) та їх повільне, мляве згоряння. Його цетанове число близьке до нуля, в той же час вiк має високу антидетонаційну стійкість (ОЧ визначає дослiдницьким методом — 110 од.).

Внаслiдок незадовiльних  моторних якостей амiаку для роботи двигуна необхiдко суттєво пiдвищити енергетичний рiвень запалювання використанням високотемпературних свiчок з широким іскровим проміжком потужною котушкою запалювання. Iнтенсифiкувати займання згоряння амiаку можна впорскуванням запальної дози палива, додаванням активуючих присадок, оптимiзацею форми камери згоряння тощо.

За термохiмiчними розрахунками, в продуктах згоряння амiаку присутнiй тiльки один токсичний компонент — оксид азоту NO. Кількiсть його мiнiмальна через низькi температури i швидкостi згоряння амiачноповiтряних сумiшей. У розрахунках на одиницю транспортної роботи викиди NO для амiаку нижчi в 1,5—2 рази порiвняно з воднем i в 2,5—З рази — порівняно з бензином. У той же час, в експериментах отримано значно нижчi (майже на порядок) рiвні викидiв NO у разi спалювання амiачного палива. Цi обставини пов’язанi з перебiгом (при певних умовах органiзацiї робочого процесу двигуна, що живиться амiаком) реакцiї взаємодiї оксиду азоту з амiаком, який не згорів, у результатi чого вiдбувається відновлювання азоту.

Недолiком аміаку як моторного  палива є його корозiйна агресивнiсть та отруйнiсть.

Швидкiсть згоряння гiдрозину в повiтрi вища за швидкість згоряння амiаку i вуглеводнiв. За повного згоряння i пiсля видалення оксидiв азоту, що мають утворюватися, азотоводневе паливо не буде забруднювати навколишнє середовище.

Гідрозин має не лише властивiсть згорати, як бензин, але i розкладатися (за відсутності повiтря) в регульованому режимі, що разширює можливiсть його використання.

Температурнi межi рiдкого стану гiдрозину дуже близькi до меж рiдкого стану води. Температура замерзання гiдрозину дорiвнюе 17 °С, що виключає обмеження його використання в рiзних географiчних зонах.

Через високу температуру  замерзання гiдрозину та iншi його експлуатацiйнi властивостi до нього доцiльно додавати антифриз. Це необхідно для того, щоб використовувати гідрозин як автомобільне паливо. Вибір антифризу обмежується рiдинами, якi можуть перемiшуватися з гiдрозином. Ефективними антифризами для гідрозину є вода або аміак. Найбільш ефективна потрiйна сумш ТF - 1, що складається з 64 % гiдрозину, 10 % амiаку і 26 % води.

Зараз гідрозин отримують з амiаку, який, у свою чергу, добувають з вуглеводневої сировини [71].

Висновки

1. Дослідження літературних джерел показало, що склад повітря складається із таких газів N₂ – 78,1%; О₂ – 20,9%; Аr – 0,95%; СО₂ – 0,032% . Вони необхідні для нормальної життєдіяльності людини. Однак склад повітря може змінюватись під впливом різних чинників, зокрема від викидів автомобільного транспорту. Викиди містять наступні шкідливі речовини: оксид вуглецю (СО); діоксид сірки (SO₂); оксиди азоту (NO_x); аерозолі; озон (О₃); свинець (Pb); діоксид вуглецю (СО₂ ); сірководень (H₂S).

Як зазначають дослідники - склад повітря має суттєвий вплив на здоров’я людини. Вміст деяких домішок є негативним, або ж не прийнятним. На разі, окис свинцю послаблює розумові здібності, сповільнює рефлекси; свинець впливає на кровоносну систему, відкладається в кістках; озон подразнює слизову оболонку органів дихання, викликає кашель, порушує роботу легень.