§ 1. АВТОМОБИЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ

Автомобильный транспорт относится к основным источникам загрязнения окружающей среды. В крупных городах на долю автотранспорта приходится более половины объема вредных выбросов в атмосферу. В мегаполисах эта величина еще больше: Санкт-Петербург - 71 %, Москва - 88%. Несоответствие транспортных средств экологическим требованиям при продолжающемся увеличении

138

транспортных потоков и плохих дорожных условиях приводит к постоянному возрастанию загрязнения атмосферного воздуха, почв и водных объектов. Уровни загрязнения воздуха оксидами азота и углерода, углеводородами и другими вредными веществами на большинстве автомагистралей в 5-10 раз превышают предельно допустимые концентрации.

Большинство сортов применяемого ныне бензина содержит в качестве антидетонационной присадки тетраэтилсвинец (0,41 - 0,82 г/л). Бензин с такой присадкой называют этилированным. Применение этой присадки позволяет сократить потребление топлива, но загрязняет атмосферу соединениями свинца.

В России в 1997 г. эксплуатировалось 22,5 млн единиц автомобильной техники, в том числе более 17,6 млн легковых автомобилей. В стране насчитывается около 4 тыс. крупных и более 200 тыс. мелких предприятий, занятых непосредственно перевозками.

Низкий технический уровень отечественных автомобилей и эксплуатацию, не соответствующую требованиям национальных стандартов, подтвердили результаты операции "Чистый воздух", проведенной в 1997 г. Практически во всех субъектах Российской Федерации отмечено, что доля автомобилей, эксплуатируемых с превышением действующих нормативов по токсичности и дымности, в среднем составляет 20 - 25 % и в отдельных регионах страны достигает 40%.

Основными причинами сложной экологической обстановки в городах, связанной с эксплуатацией автотранспорта, являются:

  • отсутствие надлежащего контроля на предприятиях за соблюдением нормативов государственных стандартов по токсичности и дымности отработавших газов транспортных средств;
  • выпуск этилированных автомобильных бензинов, не позволяющих исключить выбросы соединений свинца и использовать каталитические нейтрализаторы;
  • слабый контроль за качеством реализуемого моторного топлива;
  • недостаточное внимание, уделяемое переводу автотранспорта на менее токсичные виды топлива;
  • въезд на территорию городов большегрузного транспорта;
  • отсутствие достаточной нормативной базы, низкий эффект экономического механизма управления охраной окружающей среды на транспорте.

В 1992 г. Россия присоединилась к международному Соглашению по экологическим требованиям Правил ЕЭК ООН. Это создало правовую основу для того, чтобы требовать от промышленности их выполнения, а также для разработки транспортного законодательства. Но одних законодательных актов недостаточно. Дело в том, что изготовляемая в России автомобильная техника не соответствует Правилам ЕЭК по техническому уровню, и прежде

139

всего по топливной экономичности и экологическим показателям. Для выхода из этого тупика необходимы новые технические решения и новые организационные мероприятия.

Решение экологических проблем автотранспорта требует значительных финансовых средств, изыскать которые на предприятиях-изготовителях сейчас практически невозможно. Поэтому необходимо создать и запустить экономические механизмы, стимулирующие приобретение и эксплуатацию экологически чистых транспортных средств, мобилизацию средств на их производство.

Для решения задач экологической безопасности на автомобильном транспорте в автомобильных, автомобилестроительных, автомеханических, автомобильно-дорожных, автотранспортных техникумах и колледжах организована подготовка специалистов по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов. Программой подготовки по этой специальности предусмотрено изучение таких дисциплин, как "Промышленная экология", "Мониторинг загрязнения природной среды", "Экологическая безопасность автомобильного транспорта", "Экологическая экспертиза" и др.

В 2000 г. мировой парк автомобилей достиг примерно 1 млрд единиц, из которых 83 - 85 % приходится на легковые автомобили, а 15-17% - на грузовые автомобили и автобусы. Из общего числа легковых автомашин примерно 40 % сосредоточено в США, 10% - в Японии и 20% - в четырех европейских странах: ФРГ, Франции, Италии и Великобритании. На каждую 1000 жителей в 2001 г. в среднем приходилось: в США - 534 автомобиля, Франции - 454, в Великобритании - 322, в России - 167 автомашин.

Если поставить все существующие сегодня в мире автомобили бампер к бамперу, они составят ленту в 4 млн км, которой 100 раз можно обмотать земной шар по экватору. Специалисты Массачу-сетского технологического института (США) считают, что и после 2000 г., несмотря на развитие сети общественного транспорта, личные автомашины будут составлять примерно 75% всего транспортного парка.

Влияние на человека отработавших газов автомобилей

По воздействию на организм человека компоненты отработавших газов (табл. 4) подразделяются на:

  • токсичные - оксид углерода, оксиды азота, оксиды серы, углеводороды, альдегиды, свинцовые соединения;
  • канцерогенные - бенз(а)пирен;
  • раздражающего действия - оксиды серы, углеводороды.

Влияние перечисленных компонентов отработанных газов на организм человека зависит от их концентрации в атмосфере и продолжительности воздействия.

140

Таблица 4

Состав отработавших газов (ОГ)
Двигатели Состав отработавших газов, %
N2 O2 H2O
(пар)
CO2 CO NxOy CxHy Сажа
Бензиновые 74 - 77 0,3 - 0,8 3 - 5,5 5 - 12 5 - 10 До 0,8 0,2 - 3 До 0,8
Дизельные 76 - 78 2-18 0,5-4 1-10 0,02-5 До 0,5 До 0,5 До 1,1
Состав
выбросов
75 3 5 11 5 0,15 0,5 -
Масса
выбросов
при пробеге
15 000 км
за год
15 т 0,6 т 1 т 2,275 т 1 т 30 кг 100 кг -

Оксид углерода - газ без цвета и запаха. При вдыхании проникает в кровь и образует комплексное соединение с гемоглобином - карбоксигемоглобин. Оксид углерода реагирует с гемоглобином в 210 раз быстрее, чем кислород, что приводит к развитию кислородной недостаточности. Признаками кислородной недостаточности являются нарушения в центральной нервной системе, поражение дыхательной системы, снижение остроты зрения. Увеличенные среднесуточные концентрации оксида углерода способствуют возрастанию смертности лиц с сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Оксид углерода в воздухе в зависимости от степени концентрации вызывает:

  • слабое отравление через 1 ч (С = 0,05 об. %);
  • потерю сознания через несколько вдохов (С = 1 об. %).

Оксиды азота - смесь различных оксидов: NO2, N2O3, N2O4.

Наибольшую опасность представляет NO2.

Воздействие оксидов азота на человека приводит к нарушению функций легких и бронхов. Воздействию оксидов азота в большей степени подвержены дети и люди, страдающие сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Оксиды азота в воздухе в зависимости от концентрации вызывают:

  • раздражение слизистых оболочек носа и глаз (С = 0,001 об.%);
  • начало кислородного голодания (С = 0,001 об. %);
  • отек легких (С = 0,008 об. %).

Сернистый ангидрид - бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворяется в воде, образуя сернистую кислоту. Длительное воздействие даже относительно низких концентраций сернистого ангидрида увеличивает смертность от сердечно-сосудистых заболеваний,

141

способствует возникновению бронхитов, астмы и других респираторных заболеваний.

Сернистый ангидрид в воздухе в зависимости от степени концентрации вызывает:

  • раздражение слизистой оболочки глаз, кашель (С = 0,001 % об.);
  • раздражение слизистой оболочки горла (С = 0,002 об.%);
  • отравление через 3 мин (С = 0,004 об. %);
  • отравление через 1 мин (С = 0,01 об.%).

Углеводороды - группа соединений типа СХНУ. Обладают неприятным запахом. В результате фотохимических реакций углеводородов с оксидами азота образуется смог.

Бензапирен - полициклический и ароматический углеводород (ПАУ). При нормальных атмосферных условиях - кристаллический продукт, плохо растворимый в воде. Попадая в организм человека, ПАУ постепенно накапливается до критических концентраций и стимулирует образование злокачественных опухолей.

Сажа - твердый фильтрат отработавших газов, состоящий в основном из частиц углерода. Непосредственной опасности для человека не представляет. Влияние сажи проявляется в неприятном ощущении загрязненности воздуха. Сажа является адсорбентом канцерогенных веществ (ПАУ до 2%) и способствует усилению влияния других токсических компонентов, например сернистого ангидрида.

Соединения свинца появляются в отработавших газах в случаях применения тетраэтилсвинца - антидетонационной присадки к бензинам. Свинец способен накапливаться в организме, попадая в него через дыхательные пути, с пищей и через кожу. Поражает центральную нервную систему и кроветворные органы.

В табл. 5 представлено содержание вредных веществ в отработавших газах дизелей и бензиновых двигателей. В первую очередь воздействию токсических составляющих отработавших газов подвергается водитель автомобиля. Анализ воздуха в кабинах транспортных средств показал, что концентрация оксида углерода (особенно в кабинах грузовых автомобилей) может превышать предельно допустимые нормы.

Для многих крупных городов характерно превышение предельно допустимой концентрации оксида углерода в 20 - 30 раз, с чем врачи связывают высокую смертность от инфаркта миокарда.

Концентрация оксидов азота в городах увеличивается в 10 - 100 раз. Поступающие в атмосферу оксиды азота сохраняются в ней в течение 3 - 4 дней. В результате фотохимических реакций на солнечном свету оксида азота образуется диоксид азота NO2, который вместе с углеводородами является причиной образования токсических туманов, называемых смогами.

Продолжительность существования сернистого газа в атмосфере - в пределах 10 ч. Выбросы SO2 являются причиной выпадения

142

Таблица 5

Содержание вредных веществ в отработавших газах

Вредное вещество ОГ Содержание в ОГ ДВС
Дизели Бензиновые
Оксид углерода 0,005-0,5 об.% 0,25-10 об. %
Оксиды азота в пересчете на азот 0,004-0,5 об.% 0,01-0,8 об.%
Сернистый ангидрид 0,003-0,05 об. % -
Углеводороды в
пересчете на углерод
0,01-0,5 об.% 0,27-0,3 %
Бенз(а)пирен До 10 мкг/м3 До 20 мкг/м3
Сажа До1,1г/м3 До 0,4 г/м3
Соединения свинца - Выбрасывается до 85 %
соединений свинца
(от количества введенного
в бензин с ТЭС)

сернокислотных осадков, способствующих закислению почвы, воды и разрушению облицовки зданий.

Содержание углекислого газа в воздухе не нормируется. Продолжительность существования CO2 в атмосфере 4 года. Возрастание концентрации оксида углерода опасно возникновением парникового эффекта, который приводит к возрастанию температуры воздуха у поверхности Земли (см. главу 10).

Высокое содержание свинца в организме человека приводит к хроническому отравлению свинцом.

Влияние пыли на здоровье человека

Основными источниками поступающей в атмосферу Земли пыли являются: тепловые станции (выбрасывают 25 % пыли от общего ее количества), промышленность (50%), сжигание мусора (8%), прочие источники, включая автомобильный транспорт (17%).

Пыль подразделяется по степени ее дисперсности на крупнодисперсную (размеры частиц выше 10 мкм), среднедисперсную (от 10 до 0,25 мкм) и мелкодисперсную (не менее 0,25 мкм). Пыль является разновидностью аэрозолей. Аэрозоли с твердыми частицами, образовавшиеся в результате горения топлива, называют дымами, а с жидкими частицами - туманами. Пылевые частицы и аэрозоли постоянно находятся в движении в окружающей среде. Скорость осаждения взвешенных в воздухе частиц зависит от их размера.

Степень запыленности воздуха при движении автомобильного транспорта зависит от следующих факторов: времени года,

143

типа покрытия дороги и вида почвы, направления ветра, интенсивности движения, грузоподъемности автомобиля, типа шин.

Основной частью пыли является кварц. На городских магистралях в уличной пыли обнаруживаются также примеси кальция, кадмия, свинца, хрома, цинка, меди, железа. Присутствие перечисленных примесей определяется функционированием автомобильного транспорта и обработкой магистралей антиобледенительными составами. Увеличивают выбросы пыли шины, оснащенные шипами. Износ дорожного полотна при их использовании составляет 2 - 4 мм за зимний сезон. В целом ряде стран использование шипованных шин запрещено, за исключением ограниченного числа автомобилей специального назначения.

Воздействие пыли увеличивает скорость изнашивания машин и механизмов и оказывает вредное влияние на организм человека. Из анализа отказов двигателей внутреннего сгорания известно, что 50% происходит по причине загрязнения топлива взвешенными частицами неорганического происхождения. Содержание их находится в прямой зависимости от степени запыленности воздуха и сезона эксплуатации и колеблется от нескольких граммов до 300 г на тонну топлива.

Вредное воздействие пыли на организм человека зависит от ее дисперсности, твердости частиц, формы пылинок, их электрического заряда и т.д. Мелкодисперсная пыль наиболее опасна, так как оседает в легких и бронхах и при длительном вдыхании приводит к возникновению профессиональных заболеваний.

К средствам и методам борьбы с запыленностью воздуха городов следует отнести:

  • снижение выбросов твердых частиц при работе ДВС;
  • разработку новых и улучшение существующих твердых покрытий дорог;
  • уборку и увлажнение улиц города;
  • применение антиобледенительных веществ, не содержащих вредных примесей;
  • насыщение городов зонами зеленых насаждений.

Особенно опасны для организма кислотосодержащие аэрозоли, адсорбирующие канцерогенные вещества. Первые нарушают кислотное равновесие тканевых клеток; вторые, постепенно накапливаясь в организме, могут явиться причиной возникновения злокачественных опухолей.

Отходы автотранспортных предприятий

Использование, техническое обслуживание и ремонт автомобилей приводят к образованию на автотранспортных предприятиях (АТП) отходов, которые оказывают вредное влияние на окружающую среду.

144

Нефтепродукты (отработанные моторные, трансмиссионные и индустриальные масла, консистентные смазки) представляют опасность в связи с их подвижностью при попадании в почву или воду. При концентрации нефтяных загрязнителей более 0,05 мг/л портятся вкусовые качества воды.

Источниками загрязнения окружающей среды нефтепродуктами на АТП могут быть сточные воды от установок для наружной мойки автомобилей, а также сами автомобили при подтекании масла из агрегатов. Подтекание масел из автомобилей на открытых стоянках и розлив заправляемых масел приводят к смыву их с территории АТП и попаданию в почву с ливневыми водами.

С полотна дороги дождевыми стоками в прилегающие почвы приносятся различные загрязнения, в том числе топливо, масла, водорастворимые соли и грязь с большим содержанием тяжелых металлов (свинец).

Осадки, накапливающиеся в отстойниках моечных установок (песок, глина, ил, нефтепродукты), образуют вредную для окружающей среды массу. Один автомобиль за год при многократных прохождениях через моечную установку в среднем оставляет вредных веществ: легковой до 50 кг и грузовой - до 250 кг.

Электролит аккумуляторных батарей является весьма вредным для окружающей среды веществом. На дно аккумуляторных банок выпадают свинцовая пыль и кусочки свинцовых пластин. Поэтому мойка аккумуляторных банок в местах, где возможно попадание в сточные воды или почву остатков отработавшего электролита и свинцового шлама, недопустима.

Этиленгликоль является составляющей антифризов, при нарушении правил их использования может попадать в почву и сточные воды. Этиленгликоль ядовит, имеет большую проникающую способность и при малейших неплотностях в системе охлаждения двигателей попадает в окружающую среду.

Резиновая пыль и пыль с асфальтовых покрытий дорог содержат вредные вещества, попадающие в почву и атмосферу. Ежегодно с колес одного автомобиля стирается до 10 кг резины, а с асфальтовых покрытий дорог - слой в 1 мм. Это значит, что на шоссе шириной 10 м на каждом отрезке в 100 км образуется в год 100 т пыли.

Отходы тормозной жидкости, образующиеся при техническом обслуживании и ремонте гидравлических приводов тормозной системы автомобиля, также требуют утилизации.

Практика показала, что АТП имеет реальную возможность собирать до 20 % отработанных масел от расхода свежих. Отработанные нефтепродукты сдаются организациями раздельно по трем группам:

  • масла моторные отработанные, в том числе моторные масла, применяемые в трансмиссиях в смеси с индустриальными маслами;

145

  • масла индустриальные отработанные, в том числе смеси индустриальных масел, турбинные, компрессорные, гидравлические, трансформаторные и смеси их с индустриальными;
  • смеси нефтепродуктов отработанные, применяющиеся в качестве промывочных жидкостей, - бензин, уайт-спирит, керосин, дизельное топливо, трансмиссионные масла (типа ТАД-17 и др.).

Основу классификации отходов, образующихся на предприятиях автотранспорта, составляет деление их по агрегатному состоянию, источникам образования и направлениям использования. По агрегатному состоянию отходы автотранспортного производства разделяются на пять классов: твердые, жидкие, пастообразные, пылеобразные и газообразные.

На примере эксплуатации грузового автомобиля ЗИЛ-130 (до списания) распределение общей массы вторичных ресурсов и отходов по агрегатному состоянию (%) выглядит следующим образом:

  • газообразные
  • твердые
  • жидкие
  • пылеобразные
  • пастообразные
  • 72,5;
  • 14,2;
  • 8,2;
  • 4,5;
  • 0,6.

Один автомобиль за свой жизненный цикл образует массу вторичных ресурсов и отходов, в 10 раз большую массы самого автомобиля. Если при этом учитывать и применяемую воду (для мойки и систем охлаждения), то масса образующихся отходов превышает собственную массу автомобиля в 100 раз. Например, АТП из 150 автомобилей ЗИЛ-130 за один год эксплуатации ориентировочно образует 1,5 тыс. т вторичных ресурсов и отходов, а с учетом потребления воды - 9 тыс. т.

Создание экологичных конструкций автомобилей

Экологичность автомобилей обеспечивает их топливная экономичность, т.е. чем меньше топлива расходует автомобиль, тем меньше экологический ущерб.

Экономия топлива достигается за счет комплекса конструктивных и эксплуатационных мероприятий для принципиально сохраняемых конструкций автомобилей. Применительно к легковым автомобилям наибольшее влияние на уменьшение расхода топлива оказывают: уменьшение массы и размеров автомобиля, улучшение аэродинамических характеристик, снижение сопротивления качению, применение компьютеризированных систем контроля и управления двигателем и сокращение всех видов механических потерь.

Уменьшение массы и размеров автомобиля достигается за счет применения высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов, пластмасс, стекло- и углепластиков.

146

В конструкции грузовых автомобилей основные источники экономии топлива - дизелизация (54%), регулирование скорости вентилятора (28%), применение радиальных шин (13%), улучшение аэродинамических форм и обтекателей (5%).

Важным является достижение абсолютных значений экономии топлива при постепенной реализации мероприятий научно-технического прогресса. Так, опыт США показал, что эффект от внедрения регулирования скорости вентилятора в 1974 г. составлял всего 68 млн л, а в 1982 г. было сэкономлено 2500 млн л, т.е. в 35 раз больше.

Перспективными направлениями по совершенствованию современного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания являются: повышение коэффициента полезного действия двигателя за счет совершенствования процессов сгорания (турбонаддув, работа двигателя на переобедненных смесях, электронное зажигание); сокращение потерь на трение (уменьшение поверхности поршней, сокращение опорных поверхностей вкладышей, использование керамических покрытий); оптимизация режимов работы двигателя за счет электронных систем управления рабочими процессами двигателя; применение двухтопливных автомобилей (бензин - газ; дизельное топливо - газ).

С целью уменьшения загрязнения атмосферы ужесточаются нормы расхода топлива на 100 км пробега. Так, в США каждой фирме было предписано, чтобы средний расход топлива на один автомобиль в 1985 г. не превышал 8,5 л, а к 1995 г. средний автомобиль, продающийся в стране, расходовал не больше 5,3 л на 100 км пробега. С целью уменьшения массы автомобиля, что приводит к снижению распада топлива при разгоне и замедлении, обычные стальные и чугунные детали автомобиля целесообразно заменить деталями из алюминиевых сплавов, высокопрочных сталей, титана, пластмассы и композитных материалов. Важное значение с рассматриваемых позиций стали придавать и аэродинамике автомобиля. Проведенные исследования показывают, что в целом улучшение аэродинамики может обеспечить сокращение расхода топлива до 15 %.

Еще в 1985 г. компания "Исудзу" (Япония) представила модель с мотором из керамики, которая на 14% легче и на 30% экономичнее, чем существующая ныне. Этот двигатель не имеет системы охлаждения и может работать на любом виде топлива. Компания "Тойота" продемонстрировала сверхэкономичный автомобиль, который при скорости 60 км/ч на 1 л бензина проезжает 54 км, т.е. на 100 км тратит 1,85 л.

Фирма "Рено" в 1987 г. продемонстрировала экспериментальный автомобиль "Веста-2", который проделал путь от Парижа до Бордо (501 км), затратив в условиях средней интенсивности движения 9,75 л бензина, т.е. 1,94 л на 100 км. Но экономичность - не главное достоинство современного автомобиля. Сегодня в цене

147

экологически чистые машины. Самые строгие требования в этом отношении действуют в США, Японии, Швейцарии и Австрии (табл. 6). В США почти все эксплуатируемые автомобили имеют специальные устройства для снижения токсичности выхлопа, а 85 % оснащено каталитическими конвертерами. В ФРГ к категории чистых относится 94 % вновь покупаемых машин.

Мировое автомобилестроение сегодня является главным потребителем роботизированной техники, пионером в освоении систем автоматизированного проектирования. Их внедрение позволило японским фирмам в 2 - 8 раз сократить время конструирования новых моделей, британским - снизить массу отдельных узлов автомобиля на 15 - 45%.

Задача снижения выброса вредных веществ автомобиля решается как путем совершенствования процесса сгорания смеси бензина в моторе, так и за счет устранения вредных частиц выброса благодаря применению бензина без свинцовых присадок и многоступенчатого катализатора.

При применении каталитических преобразователей - нейтрализаторов весь объем отработавшего газа проходит через нейтрализатор, который выполняет следующие функции: дожигание, вследствие чего сокращается количество СН и СО; каталитическое окисление (платина, палладий) при температуре 480°С, в результате чего вредные примеси превращаются в Н2О (пар) и СО2. В ряде схем каталитические преобразователи объединяются с системой подачи воздуха в выхлопной коллектор, что улучшает качество очистки. При преобразовании СН и СО нейтрализатор называется двухступенчатым. При дополнительном воздействии на NOX (с использованием катализатора на основе соединений родия) это соединение разлагается на кислород и азот. Такие нейтрализаторы называются трехступенчатыми и практически обеспечивают безвредный состав отработавших газов. Преобразование NOX

Таблица 6

Нормы токсичности выхлопа автомобилей для европейских стран

Правила ЕЭС Год
введения
Содержание в выхлопе, г/кВт·ч
NOx СО СН Твердые
частицы
ECR R 49.00 1982 18 14 3,5 Не
регламентировано
Euro 0 1988 14,4 11,2 2,5 Тоже
Euro 1 1993 8,0 4,5 1,1 0,36
Euro 2 1996 7,0 4,0 1,1 0,15
Euro 3 2000 5,0 2,0 0,6 0,10

148

возможно только в том случае, если состав рабочей смеси регулируется. При использовании этилированного бензина нейтрализаторы быстро выходят из строя.

Предусматривается также разработка специальных автоматических устройств, которые позволят без участия водителя отключать мотор во время стоянки перед светофором или в заторах.

В зависимости от внешней обстановки современная электроника автомобиля помогает поддерживать почти безопасные для окружающей среды режимы работы двигателя и экономить топливо.

Применение улучшенных и альтернативных видов топлива

Улучшению экологической обстановки на автомобильном транспорте способствует запрещение использования этилированного бензина. Кроме токсичности тетраэтилсвинца использование этилированного бензина быстро выводит из строя каталитические нейтрализаторы отработавших газов из-за обволакивания свинцом поверхности катализатора.

Альтернативные заменители бензина могут быть естественного и искусственного происхождения. При нормальных условиях они могут находиться в жидком (этанол, метанол) или газообразном (пропан, бутан, коксовый и генераторный газы, водород) состоянии. Преимущественное применение в качестве моторного топлива на автомобильном транспорте сжиженного нефтяного газа (ГСН) и сжатого природного газа (ГСП) обусловлено тем, что они имеют физико-химические свойства, близкие к бензину. Это требует лишь незначительного изменения конструкции двигателя и позволяет равнозначно работать на двух видах топлива.

В ряде стран в качестве топлива используются синтетические спирты: метанол, или метиловый спирт, и этанол - этиловый спирт.

Метанол получается из угля, сланцев, древесины. Он несколько тяжелее бензина, а энергоемкость его в 2 раза меньше. Запуск двигателя на чистом метаноле, в первую очередь зимой, затруднен. По некоторым данным, метанол усиливает коррозию металла, особенно в присутствии воды. В настоящее время стоимость метанола выше стоимости бензина. Важное качество метанола состоит в том, что в отработавших газах в 2 - 3 раза меньше токсичных компонентов, чем при использовании бензина. Метанол используют в качестве добавки к бензину в количестве 5 - 30%. При этом концентрация окиси углерода в отработавших газах снижается на 14 - 72%. Смесь метанол - бензин несколько снижает мощностные характеристики двигателей. Но следует иметь в виду, что добавка метанола, например в количестве 15 %, повышает октановое число смеси с 88 до 95,8. При соответствующей переделке двигателя с целью повышения на нем степени сжатия можно получить

149

даже экономию на расходе топлива. В качестве недостатков смеси как топлива отмечают склонность ее к расслоению, в особенности при попадании в смесь воды и при понижении температуры. Метанол ядовит.

Этанол имеет энергоемкость на 25 - 30% выше и, следовательно, требует пропорционально менее вместительного топливного бака. Экологические характеристики этанола близки к метанолу. У двигателей, работающих на этаноле, в отработанных газах еще меньше выделяется углеводородов. Однако в продуктах сгорания спирта содержатся совершенно новые загрязнители атмосферы, в том числе формальдегид.

В Бразилии в 1985 г. уже все автомобили работали на смесях с содержанием метанола 2-10%. Предполагалось, что удельный вес метанола в автомобильном топливе Бразилии будет непрерывно возрастать и к 2000 г. автомобильное топливо на 75 % будет состоять из метанола. Совершенствование технологии и массовость производства должны существенно снизить стоимость метанола, и ожидают, что он станет дешевле бензина. В 1987 г. более 2 млн легковых автомобилей, несколько десятков тысяч грузовых автомобилей, сотни тракторов Бразилии работали на топливном спирте, получаемом из сахарного тростника, маниоки (разновидности картофеля), бамбука, древесины. И в обычных автомобилях чистый бензин не применяется, в обязательном порядке он на 30 % разбавляется спиртом в целях экономии.

Использование газового топлива в виде смеси пропана и бутана позволяет снизить на холостом ходу количество окиси углерода в 4 раза, а в рабочем режиме в 10 раз. Сегодня в мире эксплуатируется уже несколько сот тысяч таких автомобилей. Еще в 1970 г. Япония имела около 300 тыс. автомобилей на газовом топливе, в Италии - 500 тыс.

В нашей стране и в ряде других стран проводятся исследования по использованию природного газа в качестве автомобильного топлива. При этом токсичность отработанных газов уменьшается: по СО - в 2-4 раза; СП - в 1,1 -1,4; NO - в 1,2-2 раза. Мировые запасы природного газа примерно вдвое превышают мировые запасы нефти. Природный газ уже используется в качестве топлива примерно для четверти миллиона автомобилей в Италии, Канаде и Новой Зеландии. Главный недостаток, связанный с этим видом топлива, - громоздкость газового баллона. Он должен примерно в 5 раз превышать объем бензинового бака для эквивалентного пробега.

Идеальное топливо с точки зрения сохранения окружающей среды представляет водород, однако он значительно дороже бензина. Серьезную техническую и экономическую проблему представляет и размещение водорода в автомобиле и пока еще не найдено надежного и экономического пути использования водорода.

150

Альтернативные конструкции автомобилей

Энергетические и экологические кризисы больших городов стимулируют создание электромобилей. Так, в Калифорнии (Лос-Анджелес - родина фотохимического смога) был принят закон об охране воздушного бассейна. Согласно закону к 2003 г. в Калифорнии должно быть 10% автомобилей, не выбрасывающих в атмосферу отработавшие газы. Это позволило инициировать программу разработки электромобилей.

Электромобили должны быть конкурентоспособными современным автомобилям с двигателем внутреннего сгорания. Коммерческий успех электромобиля зависит от первоначальной стоимости, эксплуатационных затрат, запаса хода, времени службы и зарядки аккумуляторных батарей, надежности и безопасности. В настоящее время все эти показатели в основном зависят от качества аккумуляторных батарей.

Аккумуляторные батареи электромобилей должны обладать большой мощностью, высоким запасом энергии, иметь продолжительный срок службы, допускать быструю зарядку, надежно работать в широком диапазоне эксплуатационных температур. Требования по экологичности включают возможность регенерации и утилизации всех элементов батарей по окончании срока их службы.

Наиболее широко распространены в автомобильной промышленности свинцово-кислотные стартерные аккумуляторные батареи. Для электромобилей такие батареи слишком тяжелы, имеют недостаточный срок службы и малую удельную энергию - 25 - 30 (Вт·ч/кг). В настоящее время разработаны и подготовлены к производству новые типы батарей с повышенной удельной энергией: никель-кадмиевые (30 - 40 Вт·ч/кг), никель-гидридные (35 - 50 Вт·ч/кг), натрий-никельхлоридные (90-130 Вт·ч/кг), воздушно-алюминиевые (250 - 300 Вт·ч/кг) и др. Так, испытания натрий-никельхлоридных аккумуляторов показали удельную мощность до 170 Вт/кг, энергетический КПД - 91 %, срок службы - 5 лет или 1500 циклов зарядки - разрядки (соответствует пробегу электромобиля 150 тыс. км).

По прогнозам французской аккумуляторной фирмы САФТ, к 2010 г. начнется серийный выпуск аккумуляторов с удельной энергией 200 Вт·ч/кг, удельной мощностью 300 Вт/кг, сроком службы не менее 1000 циклов разряда.

Для уменьшения энергопотребления автомобиля снижают его сопротивление качению и аэродинамическое сопротивление. Так, французская фирма "Мишелин" создала шины, у которых сопротивление качению уменьшено на 35 % по сравнению со стандартными. Это позволило увеличить запас хода электромобилей на 20 %. Применение высокопрочных сталей, алюминиевых сплавов, стекло- и углепластиков, пластмасс позволяет уменьшить массу легкового

151

электромобиля на 150 - 200 кг и изменить его формы. Это позволяет уменьшить коэффициент аэродинамического сопротивления с обычных значений 0,35 - 0,50 до 0,20 - 0,25.

При торможении обычного автомобиля вся кинетическая энергия безвозвратно теряется (нагрев тормозных устройств). В электромобиле кинетическая энергия регенерируется и направляется на зарядку аккумуляторной батареи, что уменьшает энергопотребление на 10-15%.

В 1985 г. в Великобритании эксплуатировалось свыше 44 тыс. электромобилей, наибольшее распространение получили фургоны грузоподъемностью 2 т для внутригородских перевозок торговых грузов, и в частности для развоза молока. Пробег такого электромобиля 40 - 60 км при скорости 30 - 40 км/ч. Опытные образцы легковых автомобилей имели запас хода 175 - 180 км, у грузовых - 150 - 220 км, у электробусов на 60 - 80 человек - 150 - 170 км. Во всех случаях скорость не превышает 40 км/ч. На отдельных типах электробусов гарантируется запас хода до 330 км. Электромобиль фирмы "Мигрос" в 1987 г. был способен развивать скорость свыше 100 км/ч, дальность его движения без дозарядки 150 км.

В начале 1990 г. концерн "ФИАТ" представил первый серийный электромобиль "Элеттра". Электромобиль рассчитан на двух человек, может перевозить 100 кг груза и развивает скорость 70 км/ч. Он содержит 12 аккумуляторов и бесшумный электродвигатель. Зарядка аккумуляторов осуществляется от обычной электросети в течение 8 ч и стоит 2 дол. Во Франции уже появились электромобили "пежо-205", в Испании - "Феа и Марбелла Торпеда", в США фирма "Дженерал моторе" представила новую модель "импакт".

Еще более экологически чистым является солнцемобиль - автомобиль с солнечными батареями и аккумуляторами, подзаряженными от солнечных батарей. В Австралии в 1988 г. демонстрировался автомобиль "санрейсор", победивший на гонках на расстоянии 3130 км. В начале января в 1990 г. в Базеле (Швейцария) открылось первое в Европе бюро проката солнечных электромобилей. В солнечную погоду пробег такого электромобиля 100 км, в пасмурную 50 км. В 1990 г. фирма "Хонда" (Япония) продемонстрировала солнцемобиль, развивающий скорость 120 км/ч.

В настоящее время практически все крупные автомобильные компании мира готовятся к серийному выпуску электромобилей (табл.7). Так, в Калифорнии для разработки электромобилей нового поколения организована фирма "Калстарт", объединившая предприятия авиакосмического комплекса.

Планируется создание двухместного электромобиля с максимальной скоростью 120 км/ч, пробегом не менее 225 км и временем разгона до 100 км/ч - 11 с. В конструкции ходовой части предусматривается применить алюминиевые сплавы, а в конструкции

152

Таблица 7

Характеристика электромобилей

Тип и модель Фирма, страна Запас хода,
км
Максимальная
скорость, км/ч
Легковой "зум" "Матра" (Франция) 250 120
Легковой "импакт" "Дженерал моторе" (США) 190 160
Легковой "БМВ-Е1" "БМВ" (Германия) 265 125
Легковой "мерседес 190Е" "Мерседес-Бенц" (Германия) 175 115
Легковой "ФЭВ" "Ниссан" (Япония) 240 130
Грузовой "пикап Е" "Шкода" (Чехия) 60-80 80
ВАЗ-21087 "АвтоВАЗ" (Россия) 200-280 120

кузова - пластмассы, поддающиеся регенерации. Электромобиль комплектуется бесконтактным зарядным устройством. Система управления энергообеспечением будет контролировать рабочие характеристики электромобиля с помощью датчиков. Эти данные будут обрабатываться бортовым микрокомпьютером с целью прогнозирования пробега на разных режимах движения и снижения затрат электроэнергии. Шины электромобиля легче стандартных и их сопротивление качению уменьшено на 30%.

Таким образом, развитие электромобильного транспорта показывает, что автомобильная промышленность практически готова к созданию электромобиля, конкурентоспособного современному автомобилю с двигателем внутреннего сгорания.

Федеральные стандарты по экономии топлива и защите окружающей среды оказали в США большое стимулирующее влияние на использование компьютерной техники. Применение указанных стандартов, во-первых, требует соответствующего приборного обеспечения и методов, позволяющих контролировать расход топлива и содержание вредных примесей в отработавших газах. Во-вторых, они вызвали необходимость установки на автомобилях различных систем, в том числе и компьютерных, регулирующих процессы подачи топлива, создания топливовоздушных смесей с учетом экономичности, экологичности и безопасности автомобиля. Стоимость дополнительно устанавливаемого оборудования в среднем на один легковой автомобиль составила около 16% цены на новый автомобиль среднего класса. В-третьих, появилась необходимость в приборах и методах, позволяющих выяснить причины перерасхода топлива или повышенного содержания вредных примесей в отработавших газах и произвести соответствующее регулирование или ремонт.

153

Rambler's Top100
Lib4all.Ru © 2010.