Развитие современного автомобильного двигателестроения происходит во время постоянно ужесточающихся экологических требований. Наряду с ограничением выбросов токсичных составляющих отработавших газов (ОГ), изданы европейские директивы по сокращению выбросов диоксида углерода. Выполнения требований этих директив потребует сокращения использования в автомобильных двигателях бензина. Это может быть проиллюстрировано рисунком 1.
Рис. 1. Европейские директивы по сокращению выбросов CO2
Применительно к российским условиям серьезной проблемой является возраст автомобильного парка, который, несмотря на заметный в последнее время рост продаж новых автомобилей, остается весьма солидным. Например, в Волгоградской области зарегистрировано значительное количество автотранспортных средств, находящихся в эксплуатации более 10 лет: легковых автомобилей – 50 %, автобусов – 39 %, грузовых автомобилей – 67 % от их общего количества (данные на 01 января 2010 года). Эти автотранспортные средства заведомо не удовлетворяют современным требованиям к токсичности отработавших газов ДВС, что во многом определяет неблагоприятную экологическую обстановку в Волгоградской области.
Одним из возможных направлений повышения уровня экологической безопасности автомобильного транспорта может стать перевод автомобильных ДВС к работе с традиционных топлив на горючие газы.
Существенное влияние используемого для движения топлива на выбросы CO2 наглядно изображено на рисунке 2, составленном по данным АвтоВАЗа. Из него видны возможности, открывающиеся с началом использования горючих газов.
Как следует из рисунка 2 при работе серийных двигателей ВАЗ на природном газе эмиссия CO2 снижается на 23-38%.
Рис. 2. Влияние вида топлива на выбросы СО2 автомобильными ДВС
При работе на природном газе в смеси с синтез-газом, получаемым из основного топлива, можно обеспечить снижение эмиссии CO2 на 52% при снижении токсичности ОГ до уровня требований Евро-5.
Преимущества синтез-газа как топлива связывают с наличием в нем свободного водорода. Положительное влияние последнего на процесс сгорания в ДВС хорошо известно: добавки водорода к углеводородному топливу увеличивают скорость и полноту сгорания, способствуя тем самым росту индикаторного КПД и уменьшению доли несгоревших углеводородов в отработавших газах.
Существенно повышается при наличии в топливовоздушной смеси свободного водорода предел эффективного обеднения, что позволяет перейти частично к качественному регулированию нагрузки, увеличить термический КПД цикла и снизить потери на газообмен.
В классическом понимании синтез-газ в основном состоит из смеси водорода с оксидом углерода. Он может быть получен из метана с применением катализаторов, на поверхности которых протекают необходимые химические превращения. Таким образом, смесь метана с синтез-газом близка по своим свойствам к смеси метана с водородом. Достигаемый при этом указанный выше экологический эффект определил актуальность развития работ по исследованию работы двигателей как на метане, так и на смесях метана с водородом и синтез-газом.
Существуют технологии получения синтез-газа с большим содержанием водорода не только из метана, но и из сжиженного углеводородного газа, метанола и бензина. По зарубежной информации устройства для получения синтез-газа на борту автомобиля представляет собой компактное устройство, включающее катализаторный блок и блок управления бортовым генератором синтез-газа. Возникающие возможности получения на борту автомобиля водородосодержащего синтез-газа из сжиженного углеводородного газа и бензина расширяет эффективность использования этих топлив в смеси с водородом и с синтез-газом. Добавка к бензину 6-10% водородосодержащей добавки позволяет обеспечить устойчивую работу двигателя на обедненных топливовоздушных смесях, что приводит к следующим положительным результатам [1, с.72-77]:
расход топлива при испытаниях по городскому циклу сокращается на 20-25%;
содержание токсичных веществ в ОГ уменьшается до норм Евро-4;
до 40% сокращается расход топлива на холостом ходу.
Сжиженный углеводородный газ все шире используется в качестве моторного топлива для ДВС, являясь удобным для транспортировки, хранения и распределения на автомобиле. При обеспечении грамотного подбора газобаллонного оборудования, соответствующего корректирования регулировок систем зажигания и питания двигателей при переводе на газ могут быть значительно улучшены их экологические характеристики [2, с. 29-31].
Авторами сделана прогнозная оценка годовых выбросов вредных веществ от автотранспортных средств, использующих в качестве топлива бензин и сжиженный углеводородный газ. В основу расчета была положена расчетная методика по инвентаризации выбросов загрязняющих веществ от автотранспортных средств на территории крупнейших городов [3]. Расчет проведен для легковых автомобилей с бензиновым ДВС, зарегистрированных в Волгоградской области и находящихся в эксплуатации более 10 лет (их количество на 1 января 2010 года составило 213 766 единиц).
Расчёт проводился как для нормируемых веществ, так и для так называемых. «нетрадиционных» выбросов вредных канцерогенных веществ. Как видно из приведенных на рисунке 3 и на рисунке 4 графиков углеводородные газы обеспечивают сокращение выбросов вредных веществ в атмосферу.
Рис. 3. Снижение выбросов вредных веществ при переводе бензиновых ДВС на сжижженный углеводородный газ
Рис. 4. Относительное снижение выбросов вредных веществ при переводе бензиновых ДВС на сжижженный углеводородный газ
Перевод рассмотренной группы автотранспорта заметно уменьшит долю выбросов канцерогенных веществ, т.к. при сгорании углеводородных газов, эти вещества выделяются в пренебрежительно малых количествах. Поэтому для оценки эффективности предлагаемого мероприятия было рассчитано изменение количества выбросов по всему автопарку г. Волгограда, при условии что на сжиженный углеводородный газ будет преведена только рассматриваемая группа автомобилей. На рисунке 5 приведен график относительного снижения выбросов данных веществ автопарком г. Волгограда при переводе на газ только бензиновых ДВС старше 10 лет.
Рис. 5. Относительное снижения выбросов «нетрадиционных» вредных веществ автопарком г. Волгограда при переводе на газ только бензиновых ДВС старше 10 лет
Полученные данные говорят о перспективности использования углеводородных газов в качестве топлива для автомобильных ДВС. Даже если обеспечить в крупных городах перевод к работе на углеводородные газы только рассмотренной выше группы автотранспорта, это, безусловно, благоприятно скажется на экологической обстановке.
Литература:
Автомобильный двигатель, работающий на смесевом топливе бензин-водород/ В.М. Фомин, В.Ф. Каменев, Н.А. Хрипач // АГЗК + Альтернативные топлива. - 2006. - №1.- С.72-77.
Злотин, Г. Н. Регулировка бензинового ДВС при переводе его на сжиженный нефтяной газ / Г. Н. Злотин, Е. А. Захаров, А. В. Кузьмин // Двигателестроение. – 2007. – № 2. – С. 29-31.
Расчетная инструкция (методика) по инвентаризации выбросов загрязняющих веществ от автотранспортных средств на территории крупнейших городов. – М.: Автополис-плюс, 2008. – 80 с., табл.
