Совершенствование двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием. Известно, что наибольшее влияние на токсичность отработанных газов оказывают изменения, вносимые в систему питания и зажигания ДВС, поскольку они определяют процесс воспламенения и сгорания рабочей смеси.
В настоящее время автомобили ведущих зарубежных фирм выбрасывают в атмосферный воздух в 10–16 раз меньше вредных веществ, нежели в 80-х гг. XX в., когда развернулись крупномасштабные и дорогостоящие исследования по созданию экологически приемлемых автомобилей. В значительной степени этому способствовали такие нововведения, как двигатели, работающие на переобедненных смесях, многоклапанные системы перераспределения, впрыск топлива вместо карбюраторного смесеобразования, электронное зажигание. При запуске холодного двигателя в современных карбюраторах используются автоматы пуска и прогрева. На режимах торможения двигателя применяют экономайзер принудительного холостого хода – клапан, отключающий подачу топлива.
Большое внимание уделяется подбору обедненных смесей, регулировке дозирующих систем карбюратора. На двигателях с впрыском топлива появились электронные системы корреляции состава горючей смеси в зависимости от температуры, климатических и других условий. Система термостатирования воздуха, поддерживающая его температуру на входе в двигатель, создает оптимальные условия для приготовления горючей смеси. Система зажигания с высокой энергией распада свечи повышает надежность воспламенения смеси, особенно на режимах холостого хода.
Стремительно растет число автомобилей с двигателями прямого впрыска топлива, которые обеспечивают уникальное сочетание характеристик: расход топлива на уровне дизелей и скорость спортивных машин на бензиновом топливе. Известная компания «Мицубиси моторс» уже несколько лет выпускает машины с двигателями нового класса. Однорядный, 4-цилиндровый двигатель с рабочим объемом 1,8 л, не имеющий камеры предварительного смешения, отличается от аналогов с предкамерным впрыском вдвое большей степенью сжатия (20:1), способен работать при соотношении в смеси 40:1, более стабилен на малых оборотах. Благодаря этому на 25% повышается экономия топлива в городских условиях, на 8% снижается потребление топлива при движении со скоростью свыше 120 км/ч по сравнению с обычными бензиновыми двигателями и на 85% увеличивается мощность по сравнению с дизельными аналогами
Фирма «Ауди» показала экспериментальную модель «А2-2», изготовленную из легкого алюминиевого сплава с 3-цилиндровым двигателем с рекордно низким потреблением бензина (3 л на 100 км пути), что достигнуто установкой двигателя с прямым впрыском топлива. В США разработан карбюратор с раздельным смесеобразованием.
Экологичность автомобиля можно повысить, если установить электронные системы управления, которые оптимизируют работу не только двигателя, но и тормозов и других агрегатов. Заметного сокращения расхода энергии, а значит, количества сжигаемого топлива и уменьшения загрязнения воздушной среды можно достичь, если использовать энергию, затрачиваемую на торможение. Указанная рекуперация была впервые успешно реализована на электрическом транспорте. Ныне построены и успешно используются в автобусах маховичный и гидропневматический рекуператоры. При этом экономия топлива составила 27–40%, объем выхлопных газов снизился на 39–49%.
Совершенствование дизельных двигателей. Как известно, в бензиновом двигателе рабочая (топливно-воздушная смесь) воспламеняется от постороннего источника (электрической искры), в дизельном – под действием температуры, повышающейся при сжатии смеси.
В последние годы во всем мире наблюдается тенденция возврата к дизельным двигателям. И этому есть веские причины. Во-первых, потребление топлива дизелем на 20–30% меньше. Во-вторых, токсичность выхлопных газов (по сумме компонентов) примерно в три раза ниже, чем у бензиновых двигателей.
Однако и применение дизелей не свободно от экологических проблем, поскольку в процессе работы выбрасываются твердые и газообразные вещества: несгоревшее топливо, сажа, аэрозоли, масла, диоксид серы и т. д. Поэтому для очистки выхлопных газов на дизелях устанавливают перед окислительным нейтрализатором сажевый фильтр. Последний представляет собой монолитный блок (пенокерамика, пенометалл) с несколькими заглушёнными с одного конца параллельными каналами с пористыми стенками. Очистка выхлопных газов от сажи происходит при их прохождении через пористые стенки из одного канала в другой.
Успехи в области создания жаропрочной и ударопрочной керамики позволяют применять такие материалы в газотурбинных и так называемых адиабатических дизельных двигателях. Большая теплоемкость керамики позволяет отказаться от водяного охлаждения. Тем самым эффективность использования топлива в таких двигателях повышается на 30–35%, соответственно возрастает и экологичность.
Японские ученые предложили использовать в качестве горючего «кухонное» масло, являющееся бытовым отходом. Технологически эта операция состоит из двух этапов: на первом отработанное масло фильтруют от остатков пищи, а на втором производят химическую реакцию с участием метанола и катализаторной смеси. Получается горючее, которое годится для любого дизельного двигателя и в выхлопе дает меньший объем вредных примесей (прежде всего окиси азота) в сравнении со стандартным топливом.
В Швеции увеличивается потребление экологически чистого дизельного топлива, которое производится из рапсового масла. На нем работает общественный транспорт (автобусы), например, Стокгольма.
Для уменьшения загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами необходим повседневный технический контроль состояния автомобиля. Все автохозяйства обязаны следить за исправностью машин, выпускаемых на линию. Низкий уровень технического обслуживания, отсутствие контроля приводят к расстройству узлов и систем автомобиля, и выбросы вредных веществ в атмосферный воздух возрастают. В результате все усилия автомобильной промышленности по совершенствованию двигателей для обеспечения требований экологических стандартов сводятся на нет.
В Финляндии разработана специальная добавка к бензину которая не содержит свинца. Бензин с присадкой имеет октановое число 95; она эффективно очищает двигатель, уменьшает загрязнение клапанов, защищает топливную систему от коррозии, повышает морозостойкость карбюратора, обеспечивает равномерный режим сгорания топлива и уменьшает выбросы вредных веществ.
Разработано большое число присадок и к дизельному топливу, снижающих содержание в выхлопных газах сажи. Наиболее эффективными оказались барийсодержащие присадки. Сравнительные испытания их показали, что добавление к топливу 1% (по объему) присадок снижает концентрацию сажи в выхлопных газах при всех режимах работы двигателя примерно на 70— 90%. При этом уменьшается также на 60–80% выброс канцерогенных веществ. Одновременное применение присадок с различным механизмом воздействия на процесс сажеобразования позволяет резко снизить уровень ее выделения дизельными двигателями. Присадки снижают в выхлопных газах дизельных двигателей содержание сажи на 85–90%, а также концентрацию такого сильнейшего канцерогена, как бенз(а)пирен.
Большое внимание уделяется выпуску новых сортов автомобильного топлива. Так, в России найден способ изготовления порошкового бензина. По качеству он соответствует современным маркам, но с более низким содержанием оксида углерода в выхлопе.
Перевод автомобилей на природный газ. Природный газ хорошо смешивается с воздухом, полнее сгорает в двигателе, не содержит практически серы, свинца и других нежелательных примесей. В отличие от бензина газ не нарушает масляную пленку между трущимися деталями, и они меньше изнашиваются, что продлевает эксплуатацию двигателя. Наконец, газовое топливо не требует различных присадок. Октановое число у него достигает 110, в то время как у высокосортного бензина 96. Перевод автомашин на газовое топливо позволит почти в 100 раз снизить выбросы в атмосферу канцерогенных веществ. Сократится и расход нефтепродуктов: каждая тысяча газобаллонных автомобилей сэкономит на грузовых перевозках 12 тыс. т, на таксомоторных – 6 тыс. т, на пассажирских (автобусах) – 30 тыс. т в год. Значительно сократятся затраты и на охрану окружающей среды и воздушного бассейна. Если учесть, что газ дешевле бензина, то достоинства газобаллонного автомобиля становятся еще более наглядными.
Сейчас из почти 800 млн. автомашин, эксплуатируемых в мире, более 100 млн. работают на природном газе. Наиболее активно переводятся на использование природного газа автомобили в Канаде, Италии и США. Их эксплуатация показала, что в выхлопных газах резко снижается содержание сажи, оксида углерода и многих вредных органических соединений.
В то же время имеются и существенные недостатки газового топлива: 1) необходимость установки на автомобиле баллонов для сжиженного газа, находящихся под давлением 1,6 МПа; 2) опасность растекания смеси (она тяжелее воздуха) в местах нахождения человека (салоне автомобиля, гараже и т. д.), что может привести к взрыву; 3) необходимость создания разветвленной сети автомобильных газонаполнительных компрессорных станций, время заправки на которых одного автомобиля составляет 10—15 мин. Очевидно, что затраты на устранение указанных недостатков с лихвой окупаются экологическими преимуществами, которые обеспечивают широкое применение автомобильного газового топлива.