Проблема создания экологически чистых автомобилей

Введение

В настоящее время трудно представить себе человеческую жизнь без автомобиля. В развитых странах он стал не только основным транспортным средством, но и частью быта людей. Естественное стремление человека к свободе передвижения, усложнение функций в производственной деятельности и сфере услуг, жизнь в больших городах все это обуславливает рост числа легковых автомобилей индивидуального пользования [1].
Создание экологически чистых автотранспортных средств – является одним из наиболее перспективных направлений современного автомобилестроения. Внедрение экологически чистых технологий на автомобилях позволит повысить их топливную экономичность и снизить выбросы вредных веществ в атмосферу.
Несмотря на то, что популярные и не очень популярные автомобильные компании не останавливаются в создании новых и новых машин, другие дизайнеры не останавливаются в создании альтернативных транспортных средств. Все чаще и чаще новые транспортные средства направлены на использование электричества, а не топлива. Это правильно, так как топливо не останавливается дорожать, и в скором времени ездить за рулем обычного Жигуля станет роскошью.
 К тому же, все больше и больше людей становятся обладателями автомобилей, поэтому, в больших городах пробки – чуть ли не глобальная проблема, особенно в час «пик». Еще одним последствием огромного количества автомобилей является отсутствие места для парковки. Все эти составляющие приводят к эмоциональному вреду автомобилей. Не стоит забывать о том, что автомобили вредят окружающей среде, озоновому шару и, в конце концом, человеку лично.
Экологически чистый автомобиль, наряду с повышением экономичности, обретает новый качественный уровень – движение на электроприводе, со всеми вытекающими из этого положительными характеристиками: снижение себестоимости проезда, повышение КПД силовой установки, снижение, или полное отсутствие, вредных выбросов в атмосферу, высокий уровень интерфейса и другими позитивными качествами. Анализ исследований и публикаций. Во всех развитых странах мира реализуются государственные программы по развитию экологического и экономического транспорта. Это связано с тем, что в настоящее время растет потребность в эффективных и экологически чистых автомобилях [2].
К таким автомобилям относятся: электромобили и гибридные автомобили. Альтернативой традиционному автомобилю с двигателем внутреннего сгорания в будущем станет экологически чистый автомобиль с нулевыми выбросами вредных веществ (Zero Emission Vehicle).
Цель данной работы – всесторонне охарактеризовать проблему создания экологически чистых автомобилей.


1.Проблема загрязнения окружающей среды автомобилями

Пока не ясно, как долго будет длиться активное использование невозобновляемых ресурсов Земли, приводящее к глобальному загрязнению вредными веществами (ВВ) окружающей среды, в которой мы живём. В качестве выхода из сложившейся ситуации, учитывая ограниченность углеводородных ресурсов, всё большее распространение, особенно в автомобильной индустрии, находят альтернативные виды топлива.
Однако на протяжении следующих нескольких десятилетий нефть останется основным сырьём для производства топлива на все виды транспорта. Таким образом, дальнейшее развитие двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и повышение их эффективности будет оставаться основным направлением его совершенствования и развития. Прогнозируется, что электрические и комбинированные энергетические установки (КЭУ) пока останутся основными решениями по уменьшению использования невозобновляемых ресурсов в ближайшей перспективе. В связи с этим представляется весьма важной поддержка создания новых, менее затратных производственных мощностей по выработке электроэнергии со сниженными выбросами парниковых газов (ПГ) — СО2 в окружающую среду. С середины ХХ века требования по выбросам вредных веществ (ВВ) в атмосферу постоянно ужесточаются, во многих областях экономики возникает несоответствие между этими требованиями и необходимым качеством топлива (энергоносителей). Автопроизводители вкладывают много инвестиций, чтобы решить эту проблему. С начала ХХ века усиливается процесс глобализации технологий, автопроизводители сталкиваются с тремя основными проблемами [3].
Первая проблема — это загрязнение окружающей среды из-за постоянно увеличивающегося количества транспортных средств. Для её решения необходимо предпринять ряд мер, направленных как на модернизацию автомобильной индустрии, так и на улучшение качества топлива и совершенствование процессов сгорания и нейтрализации отработавших газов для сокращения выбросов ВВ с отработавшими газами (ОГ) автомобильного транспорта.
Вторая проблема — увеличивающийся выброс парниковых газов в атмосферу и связанное с этим изменение (потепление) климата. В данном вопросе актуальным является снижение выбросов посредством увеличения эффективности силовых агрегатов, а также использования альтернативных источников энергии, таких как биотопливо, водорода и электроэнергии, получаемой из возобновляемых источников.
Третья проблема — увеличенный выброс взвешенных и твёрдых частиц в атмосферу крупных городов от износа шины и дорожного полотна, значительно (в 25–100 раз) превышающий выброс с ОГ [2].
1.1 Проблема загрязнения атмосферы

Приземная атмосфера является одной из наиболее важных жизнеобеспечивающих составляющих природной среды. Загрязнение атмосферы является активным и постоянно воздействующим фактором, оказывающим влияние на состояние окружающей среды и непосредственно на здоровье человека.
Уровень загрязнения атмосферного воздуха тесно взаимосвязан с повышенным содержанием в нем загрязняющих веществ, поступающих от стационарных источников и автотранспорта. В настоящее время в Российской Федерации отмечен интенсивный рост количества автотранспортных средств, с высокой концентрацией автомобилей в городах. Анализ количественных характеристик выбросов вредных веществ в атмосферу показывает, что в крупных городах выбросы от авто- транспорта доходят до 80 %.
Существует множество проблем современной автомобилизации общества. Основная из них неизбежность вреда от загрязнения окружающей среды выбросами отработавших газов, транспортного шума, иных физических воздействий. Экологический ущерб от эксплуатации автотранспортных средств обусловлен токсичными выбросами, ежегодно автотранспортными средствами выбрасывается в атмосферу более 12 миллионов тонн различных загрязняющих веществ: окиси углерода, окислов азота и серы, углеводородов, сажи и других.
Под выбросами автотранспорта подразумеваются отработавшие газы (выхлопные газы) — это продукты окисления и неполного сгоранияуглеводородного топлива. Выбросы отработавших газов (ОГ) — основная причина превышения допустимых концентраций токсичных веществ и канцерогенов. Один легковой автомобиль в среднем поглощает ежегодно из атмосферы больше 4 тонн кислорода, выбрасывая с ОГ примерно 800 кг оксида углерода, около 40 кг окидов азота и почти 200 кг различных углеводородов. При дальнейшем окислении углеводороды образуют токсичные кислородсодержащие соединения.
На масштаб и степень токсичности загрязнения воздуха от выбросов автотранспорта могут влиять 4 составляющие:
1. Техническое состояние автомобилей.
2. Качество применяемого топлива.
3. Развитие транспортной инфраструктуры и организация дорожного движения.
4. Использование альтернативных видов транспорта/топлива.
Во многих крупных городах на долю автотранспорта приходится 70 и более процентов от общего количества выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Являясь крупнейшим потребителем природного топлива, автотранспорт существенно влияет на увеличение концентрации в атмосфере углекислого газа и, тем самым, на процесс глобального потепления климата в мире [4].
Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят автомобили, работающие на бензине, затем самолеты, автомобили с дизельными двигателями, тракторы и другие сельскохозяйственные машины, железнодорожный и водный транспорт. К основным загрязняющим атмосферу веществам, которые выбрасывают подвижные источники, относятся оксид углерода, углеводороды и оксиды азота. Оксид углерода и оксиды азота поступают в атмосферу только с выхлопными газами, тогда как не полностью сгоревшие углеводороды поступают как вместе с выхлопными газами, так и из картера топливного бака и карбюратора. Твердые примеси поступают в основном с выхлопными газами. Наибольшее количество загрязняющих веществ выбрасывается при разгоне автомобиля, особенно при быстром, а также при движении с малой скоростью. Относительная доля углеводородов и оксида углерода наиболее высока при торможении и на холостом ходу, доля оксидов азота – при разгоне. Из этих данных следует, что автомобили особенно сильно загрязняют воздушную среду при частых остановках и при движении с малой скоростью. Создаваемые в городах системы движения в режиме «зеленой волны», существенно сокращающие число остановок транспорта на перекрестках, призваны сократить загрязнение атмосферного воздуха в городах. Большое влияние на качество и количество выбросов примесей оказывает режим работы двигателя, в частности, соотношение между массами топлива и воздуха, момент зажигания, качество топлива, отношение поверхности камеры сгорания к объему и др. При увеличении отношения массы воздуха и топлива, поступающего в камеру сгорания, сокращаются выбросы оксида углерода и углеводородов, но возрастает выброс оксидов азота. Несмотря на то, что дизельные двигатели более экономичны, таких веществ как оксиды азота и углерода, углеводороды выбрасывают не более, чем бензиновые, они существенно больше выбрасывают дыма (преимущественно несгоревшего углерода), который к тому же обладает неприятным запахом, создаваемым некоторыми несгоревшими углеводородами
1.2 Проблема соблюдения норм Евро 5 и Евро 6

Самое перспективное и эффективное направление стратегической экологической политики – это двигатели. Именно поэтому в Европе и Америке уже в 90-х стремительно ужесточались нормы к двигателям и топливам. Под токсичностью двигателя внутреннего сгорания (далее двигателя) понимается негативное воздействие, оказываемое на окружающую среду вредными веществами, содержащимися в ОГ. Способ реализации рабочего процесса двигателя обуславливает характер развития процессов в камере сгорания двигателя и соответственно образования вредных веществ. Причем многообразие способов реализации рабочего процесса дает возможность выбора путей улучшения экологических показателей этих процессов. Рассматривая экологические показатели двигателей, безусловно, следует различать Двигатели дизельные и бензиновые. Нормы Евро-1-5 это нормы к двигателям и топливу одновременно. Не обеспечив экологическое качество двигателя, невозможно обеспечить соответствие нормам выброса даже при потреблении топлива соответствующего качества. Так, в Таблице 5 показана европейская динамика развития стандартизации и ужесточения показателей в области выбросов от дизельных двигателей.
Таблица 1

. Предельно допустимые выбросы грузовых автомобилей с дизельными двигателями [5].

В таблице отражена периодичность введения норм Евро, уровни допустимых выбросов приведены по дизельным двигателям грузовых машин. Если смотреть общую тенденцию введения норм Евро, то мы существенно отстаем от нее. Так, на Евро-2 мы перешли с 2006 года, на Евро-3 пытаемся перейти с 2008. Евро-4 с 2011 года.
Видно, что мы пытаемся сократить существующее отставание в 10 лет. Сегодня уже на некоторых российских заводах есть обеспокоенность данным вопросом. Так, на АвтоВАЗе была разработана собственная, адаптированная к нашим реалиям, методика определения экологических параметров. Само наличие такого подразделения на заводе дает надежду на то, что наша автотехника будет соответствовать экологическим требованиям мирового уровня, но это вопрос не столько времени, сколько экономической стратегии в масштабах страны. Проведенное тестирование моделей АвтоВАЗа, предлагаемых на внутренний рынок, показало следующие результаты. Наилучшие экологические показатели у автомобилей серии "Калина", серия десятых моделей (ВАЗ–1118,1119 и т. д.) – чуть хуже. Модели более старые, среди которых есть еще и карбюраторные, не соответствуют даже собственной методике АвтоВАЗа определения экологических параметров. Сейчас мы наблюдаем технологический переход с Евро-2 на Евро-3. Технологически нормы для бензиновых двигателей отличаются не сильно. Так, например, по угарному газу показатели не различаются, по суммарному содержанию углеводородов и оксидов азота – 0,5 г. и 0,45 г. на километр соответственно. Для сравнения: Евро-4 – это 0,18 г., Евро-5 – 0,16 г. Таким образом, намеченный переход в ближайшем будущем на Евро-4, а тем более на Евро-5 потребует серьезного технологического переоснащения.
В Европейском Союзе и других развитых странах также приняты жесткие нормы по токсичности отработанных газов автомобилей с бензиновыми и дизель-ными двигателями, регламентирующие содержание монооксида углерода, двуокиси серы, оксидов азота и углеводородов. С 2009 г. в ЕС действуют нормы токсичности по Евро 5. Это означает, что автомобили, продаваемые в странах ЕС должны соответствовать этим нормам, естественно, при применении соответствующего топлива, экологические показатели которого также регламентированы соответствующим отдельным стандартом. По этому же пути, с определенным запозданием движется и Россия. С 1 января 2011 года запреще-но производство бензина ниже стандарта Евро 3.
Согласно утвержденному правительством техническому регламенту О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории РФ, вредных (загрязняющих) веществ с 1 января 2012 года произойдет переход на Евро 4, а с 1 января 2014 года на Евро 5. Для автомобильных бензинов нормируются требования к показателям, влияющим на экологию (соответствуют действующим и перспективным европейским нормам содержание свинца, серы, бензола, ароматических и олефиновых углеводородов, детонационная стойкость. При этом ассортимент и качество выпускаемых топлив должны обеспечивать надежную эксплуатацию всех имеющихся в стране транспортных средств.
Парк российских легковых автомобилей ежегодно увеличивается почти на 1 млн., при этом наблюдается постоянный рост доли современных импортных автомобилей, удовлетворяющих требованиям Евро 3 и Евро 4, оснащенных системами нейтрализации отработанных газов, электронного управления двига-телем, системой бортовой технической диагностики [6].


2. Пути снижения загрязнения окружающей среды автомобилями

Решение задачи снижения влияния автомобильного транспорта на уровень загрязнения атмосферы города связано с рассмотрением причин, способствующих росту негативного воздействия АТС на состояние окружающей среды и здоровье населения. К основным факторам, влияющим на уровень загрязнения окружающей среды, относятся:
структурные характеристики автотранспортных средств;
техническое состояние автотранспортных средств;
качество топлива автомобилей;
интенсивность движения транспорта;
пропускная способность улично-дорожной сети (УДС);
качество экологического контроля;
состояние парковок АТС;
открытые стоянки: зимой длительный прогрев и пуск двигателей.
Для снижения вредных выбросов в атмосферу существует ряд мероприятий:
экологически ориентированное обновление подвижного состава общественного транспорта;
совершенствование использования моторных топлив, использование альтернативных видов топлив;
оптимизация организации дорожного движения;
организация экологического контроля выбросов от транспортных средств, качества моторного топлива и мониторинга загрязнения атмосферного воздуха;
формирование законодательной и нормативно правовой базы в области охраны окружающей среды от воздействия автотранспорта [1].

2.1 совершенствование двигателей внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания был изобретен более ста лет назад. И на протяжении всего периода существования он непрерывно совершенствовался. За последние 10-20 лет для ведущих мировых производителей и потребителей автотранспортных средств одной из актуальнейших стала проблема снижения расхода топлива и выброса вредных веществ. Постоянное ужесточение экологических требований в связи с глобальным загрязнением планеты и намечающимся "парниковым эффектом", а также обострение общемирового энергетического кризиса активизировали в последние годы ХХ столетия поиск новых решений.
К настоящему времени успехи в развитии двигателей внутреннего сгорания (ДВС) были достигнуты в упорной конкурентной борьбе с другими видами энергоустановок. В 70-е годы прошлого века ведущие зарубежные фирмы, особенно американские, вели интенсивные исследования по созданию автомобильных газотурбинных двигателей, двигателей Стирлинга и силовых установок других конструкций, в том числе и на топливных элементах. Однако, планировавшееся их внедрение в производство, указанное внизу таблицы, так и не было осуществлено ввиду экономической нецелесообразности [7].
У поршневых ДВС, наиболее широко используемого типа силовых установок, есть ряд преимуществ перед другими типами силовых установок. К настоящему времени это, прежде всего, топливная экономичность и возможность удовлетворения международным требованиям по экологии. Отлаженность технологии выпуска ДВС обеспечила их низкую удельную стоимость (затраты/кВт энергии). Совершенствование рабочего процесса привело к высокой объемной (массовой) энергоемкости (кВт/кг, кВт/м3). Изыскания многих поколений ученых и инженеров открыли, что у данной конструкции есть неиспользованные резервы для дальнейшего развития и совершенствования конструкции.
Например, существенный рост к.п.д. бензиновых двигателей и улучшение экономичности было достигнуто благодаря: переходу на впрыск топлива во впускной трубопровод или непосредственно в цилиндр; использованию наддува и переходу на четырехклапанное газораспределение; повышению степени сжатия до 10,5…13,0; расширению пределов эффективного обеднения смеси путем повышения турбулентности заряда в цилиндре.
Все перечисленные эколого-экономические показатели поршневых ДВС позволяют рассматривать их (на ближайшую перспективу) как основной вид источников энергии для автотранспортных средств.
ДВС обладают значительными резервами дальнейшего повышения характеристик. В частности, технические данные ДВС могут быть улучшены путем совершенствования электронного управления системами двигателей. Так, в последние годы появились в серийном производстве системы с управляемыми фазами газораспределения, и многие фирмы выпускают двигатели с достаточно эффективными механизмами их регулирования (Honda, Toyota, BMW и др.). Наибольшими функциональными возможностями воздействия на показатели двигателей обладает система с электромагнитным приводом клапанов и электронным управлением [8].За прошедшие 30 лет с начала топливного кризиса 1976-1978 годов удельный расход топлива был снижен почти в два раза.Следует отметить, что в настоящее время другой удельный показатель расхода топлива в литрах на 100 км, отнесенный к одному литру рабочего объема двигателя, составляет для бензиновых двигателей с искровым зажиганием 4,5; а для двигателей с воспламенением от сжатия 3,0.
Однако до настоящего времени не освоены наиболее эффективные методы повышения к.п.д. как существующих ДВС, так и других конструкций ДВС, поскольку не были созданы работоспособные конструкции регулирования степени сжатия и рабочего объема. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что путем оптимизации степени сжатия и рабочего объема ДВС может быть улучшена эксплуатационная топливная экономичность и обеспечено снижение выброса парниковых газов (СО2) в условиях городского движения от 20 до 40 %.
Экспериментальные данные свидетельствуют о снижении расхода топлива, а также уменьшении выбросов СО2 при изменении степени сжатия от 7 до 14 единиц на режиме холостого хода, который составляет более 30 % в Европейском ездовом цикле, характерном для условий движения транспорта в современных крупных городах.
для получения наибольшего эффекта по снижению расхода топлива и СО2 (парникового газа), а также выброса вредных веществ, необходимо уменьшение литража ДВС (не менее чем двое), с тем, чтобы соединить режимы работы в условиях города автомобиля с зоной наименьших удельных расходов топлива.
В настоящее время в мировой практике двигателестроения рассматриваются (исследуются и активно патентуются) два направления регулирования рабочего объема (Vh) ДВС. Наибольший эффект снижения расхода топлива в условиях городского движения можно получить в случае использования силовой установки в блочно-модульном варианте, когда два двигателя малого литража (например, 0,9 л + 0,9 л) соединены через муфту сцепления с электронным управлением. Один из двигателей работает постоянно, а второй может включаться или выключаться системой управления при необходимости. Для получения максимальной мощности или максимальной скорости работают два двигателя. В условиях городского движения на малых (30…40 км/ч) и средних скоростях (60…80 км/ч) работает один двигатель, что позволит снизить расход топлива на 25…30 % благодаря повышению индикаторного и механического к.п.д. Если же этот основной двигатель будет оснащен устройством регулирования рабочего объема от 0,9 до 0,6 л (путем изменения хода поршня), тогда эффект снижения расхода топлива устойчиво может быть достигнут на уровне 30…35 %.
Выполненные расчеты по методике НАМИ "Определение расхода топлива и выбросов вредных веществ" на режимах движения Правил № 83 ЕЭК ООН показали возможность значительного совершенствования двигателей при уменьшении расхода топлива и снижении выбросов СО2. При совместном использовании совершенного двигателя и КЭУ можно прогнозировать снижение расхода топлива и уменьшение выброса СО2 относительно двигателя на 50…60 %.
2.2 использования альтернативных видов топлива
2.2.1 Природный газ

Наиболее часто среди альтернативных видов топлива в России, рассматривается сжатый природный газ