_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
Снижение выбросов СН (ЛОС) Выбросы летучих органических соединений (ЛОС), образующиеся в результате испарения топлива из системы питания ДВС, могут улавливаться с помощью систем контроля топливных испарений (англ. evaporative emission control, EVAP), устанавливаемых непосредственно на транспортных средствах. Технология EVAP, которая, как правило, используется для уменьшения выбросов ЛОС в результате испарения топлива из системы питания транспортных средств с бензиновыми двигателями, включает адсорбер (с соответствующими подводными и отводными трубками) и систему десорбции (регенерации адсорбера) с регулируемым сжиганием ЛОС в двигателе (рис. 35). Основа данной системы состоит из адсорбера, заполненного гранулами активированного угля, который поглощает пары бензина, поступающие из топливного бака. Продувка предназначена для регенерации адсорбера. Процессом регенерации управляет электромагнитный клапан, расположенный между адсорбером и впускным коллектором. При работе двигателя на режимах больших нагрузок этот клапан автоматически открывается, инициируя продувку адсорбера подогретым воздухом и подачу десорбированных паров топлива во впускной коллектор двигателя. В двигателях, оснащенных турбонаддувом, разряжение воздуха во впускном коллекторе отсутствует. Поэтому производители включают в систему улавливания паров топлива дополнительные двухходовые клапаны. Срабатывая, они принудительно толкают пары бензина внутрь впускного коллектора. Выбросы ЛОС, образующиеся в ходе заправки автомобиля топливом на заправочных станциях, могут улавливаться специальным оборудованием, включённым в состав заправочной станции. 126 Рис. 35. Схема системы улавливания паров топлива на автомобиле Контрольные вопросы по разделу 1. В чём заключается суть метода жидкостной абсорбции, используемого для очистки ОГ ДВС? 2. В чём заключается суть метода термической нейтрализации, используемого для очистки ОГ ДВС? 3. Какие типы автомобильных каталитических нейтрализаторов существуют и где они применяются? 4. Что называют катализатором? Какими параметрами характеризуется катализатор? Какие вещества используются в качестве катализаторов? 5. Какие существуют типы носителей для автомобильных нейтрализаторов? Каковы их характеристики? 6. Опишите принцип работы трёхкомпонентного окислительно- восстановительного каталитического нейтрализатора. 7. Чем отличаются однокамерная и двухкамерная схемы конструкции трёхкомпонентного окислительно-восстановительного каталитического нейтрализатора? Что такое «окно бифункциональности» нейтрализатора? 127 8. Нарисуйте и объясните схему системы управления составом рабочей смеси с обратной связью. 9. Объясните принцип действия двухточечного и широкополосного кислородного датчика (λ-зонда). 10. Какие существуют решения проблемы неэффективности нейтрализатора при запуске холодного двигателя? 11. Какие существуют способы очистки ОГ ДВСПВ, работающих на бедных смесях? 12. Объясните принцип действия датчика NO x 13. Опишите принцип работы каталитического дизельного сажевого фильтра. Какие методы используются для осуществления регенерации этого фильтра? 14. Какие методы применяются для очистки ОГ ДВСВС от газообразных ЗВ? 15. Опишите принцип работы селективного каталитического нейтрализатора (SCR). Какое вещество используется в этом устройстве для восстановления оксидов азота? 16. Каким образом происходит предотвращение выбросов испарений топлива (ЛОС) из системы питания автомобиля? 128 АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ АВТОТРАНСПОРТНЫЕ ТОПЛИВА Бензин и дизельное топливо благодаря своим уникальным свойствам заняли в ХХ веке лидирующие позиции в качестве автотранспортного топлива. Однако, будучи произведёнными из ископаемой нефти, они относятся к невозобновляющимся (исчерпаемым) ресурсам, крайне неравномерно распределённым по регионам Земли, что приводит к политическим и экономическим проблемам. Кроме того, сжигание этих топлив приводит к дестабилизации геохимического углеродного цикла за счёт «вброса» в атмосферу дополнительного углерода, ранее входившего в состав геологических залежей нефти, что является одной из причин глобального изменения климата. По этим и ряду других причин в настоящее время ведутся интенсивные исследования по поиску альтернативного энергообеспечения автотранспорта. Основными альтернативами бензину и дизельному топливу на автотранспорте считаются: метан (природный газ) и биометан (биогаз); пропан-бутан (углеводородный газ); оксигенаты (спирты и эфиры) и биооксигенаты; синтетические топлива и биотоплива; водород и биоводород. Часть этих альтернатив также относятся к невозобновляющимся ресурсам, поскольку производятся из ископаемых топлив, а часть – к возобновляющимся, поскольку производятся из биоресурсов или с использованием условно «бесконечной» солнечной (или геотермальной, гравитационной) энергии. Современные технологии позволяют осуществлять практически любые трансформации углеводородных топлив, формируя заданную структуру молекул. В принципе, любую органическую субстанцию можно разложить до уровня синтез-газа (смеси Н 2 и СО), а затем синтезировать топливо, подходящее для использования в ДВСПВ или ДВСВС. Синтез- газ можно даже получать из воды и углекислого газа, содержащегося в воздухе. Однако для этих преобразований необходима значительная энергия. Если для преобразований использовать энергию ископаемых 129 топлив, то эффективность при оценке жизненного цикла конечных энергоносителей оказывается слишком низкой. Если же для выращивания первичного биосырья и для дальнейших преобразований использовать «бесплатную» солнечную энергию, то уровень эффективности в жизненном цикле оказывается всё более конкурентоспособным по сравнению с традиционными нефтяными топливами. Энергоэффективность производства альтернативных биотоплив – не единственный «подводный камень» на пути их широкого применения на транспорте. Широко обсуждаются следующие проблемы: конкуренция между «биотопливной» и «пищевой» сельскохозяйственной продукцией; стимулирование уничтожения естественных экосистем в борьбе за необходимую для выращивания «биотопливного» сырья территорию; ограниченность «экологически устойчивой» сырьевой базы для производства биотоплив; необходимость создания специфической сети распределения биотоплив и специфических двигателей, способных на них работать; высокие логистические издержки при перевозках сырья и биотоплива. Исходя из специфики первичного сырья, используемого для производства биотоплив, они классифицируются на четыре «поколения». Первое поколение – источником сырья для производства биотоплива являются сахара, жиры или крахмал, извлечённые из «пищевых» растений. В данном случае конкуренция между биотопливом и пищевыми продуктами проявляется наиболее явно. Второе поколение – источником сырья для производства биотоплива являются целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин или пектин, содержащиеся в составе растительных отходов сельского или лесного хозяйства или специально выращиваемых непищевых растений. Конкуренция с пищевыми продуктами в данном случае ослабляется. Третье поколение – источником сырья для производства биотоплива являются водные автотрофные организмы (т.е. водоросли и цианобактерии), специально культивируемые на территориях или акваториях, не пригодных для выращивания сельскохозяйственной продукции. Конкуренция с пищевыми продуктами в данном случае 130 практически отсутствует. Теоретическая продуктивность микроводорослей в оптимальных условиях составляет порядка 100 г/м 2 в день, однако в реальных условиях продуктивность достигает 15…20 г/м 2 в день. Некоторые виды данных организмов могут напрямую производить водород, этанол или алканы. В качестве макробиогенов, необходимых для выращивания таких организмов, может использоваться техногенный углекислый газ, а в качестве микробиогенов – сточные воды. Данное направление находится пока в стадии лабораторных исследований и небольших пилотных проектов, однако представляется весьма многообещающим. Четвёртое поколение биотоплив представляет собой синтетические аналоги бензина и дизельного топлива, производимые из биомассы, полученной по технологиям, аналогичным технологиям второго и третьего поколения биотоплив. Эти технологии устраняют необходимость модернизации двигателей автомобилей и топливозаправочной инфраструктуры. Для всесторонней оценки преимуществ и недостатков тех или иных альтернативных топлив и схем приводов используется методология оценки жизненного цикла. В некоторых странах применение этой методологии обязательно для получения финансирования новых технологий [70]. Некоторые наиболее важные характеристики автотранспортных топлив представлены в прил. 1. Метан (природный газ) и биометан (биогаз) Получение Метан – основной компонент природного газа, (87%...97% по объёму), попутного нефтяного газа (31%...90% по объёму), рудничного газа (34…40% по объёму). В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, кишечнике жвачных животных) метан образуется биогенно в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов. В этом случае он входит в состав биогаза и называется биометаном. Биогаз получают и промышленным способом из органических отходов и сточных вод в ходе 131 их анаэробного сбраживания. Название биометан (биогаз) призвано подчеркнуть биологический характер его происхождения, что позволяет рассматривать его как возобновляющийся источник энергии с низким «углеродным следом» с позиции оценки жизненного цикла. Большие запасы метана сосредоточены в метаногидратах на дне морей и в зоне вечной мерзлоты, однако пока эти ресурсы не используются. Свойства Природный газ (ПГ) – смесь газов, в основном углеводородов. Кроме метана (CH 4 ), природный газ содержит в небольших концентрациях следующие газы: этан (C 2 H 6 ); пропан (C 3 H 8 ); бутан (C 4 H 10 ); пентан (C 5 H 12 ); азот, кислород и углекислый газ. В России по физико-химическим показателям ПГ должен соответствовать требованиям и нормам, приведенным в табл. 10 [71, 72]. Метан проявляет наркотические свойства; однако действие ослабляется его малой растворимостью в воде (0,02 г/кг) и крови. Метан по токсикологической характеристике относится к веществам 4-го класса опасности по ГОСТ 12.1.007. Однако имеются данные, что метан относится к токсическим веществам, действующим на центральную нервную систему [73]. Предельно допустимая концентрация ПГ в воздухе рабочей зоны (ПДК РЗ ) не должна превышать 300 мг/м 3 в пересчете на углерод (ГОСТ 12.1.005). ПДК РЗ сероводорода − 10 мг/м 3 , сероводорода в смеси с углеводородами С 1 …С 5 − 3 мг/м 3 ПГ относится к группе веществ, способных образовывать с воздухом взрывоопасные смеси. Концентрационные пределы воспламенения газа (по метану) в смеси с воздухом при температуре 293К (20°С) и нормальном давлении — 5%...15% (по объёму). Для ПГ конкретного состава концентрационные пределы воспламенения определяют в соответствии с ГОСТ 12.1.044. Относительная плотность метана составляет 0,554 (т.е. он почти вдвое легче воздуха), поэтому при утечках он быстро рассеивается в атмосфере. 132 Таблица 10 Нормируемые показатели КПГ для ДВС Наименование показателя Значение Метод испытания 1. Объёмная теплота сгорания низшая, кДж/м 3 , не менее 31800 По ГОСТ 22667 2. Относительная плотность к воздуху 0,55…0,70 По ГОСТ 22667 3. Расчетное октановое число ПГ по моторному методу, не менее 105 По формуле (18) 4. Концентрация сероводорода, г/м 3 , не более 0,02 По ГОСТ 22387.2 5. Концентрация меркаптановой 1 серы, г/м 3 , не более 0,036 По ГОСТ 22387.2 6. Масса механических примесей в 1 м 3 , не более 1,0 По ГОСТ 22387.4 7. Суммарная объемная доля негорючих компонентов, %, не более 7,0 По ГОСТ 23781 8. Объемная доля кислорода, %, не более 1,0 По ГОСТ 23781 9. Концентрация паров воды, мг/м 3 , не более 9,0 По ГОСТ 20060 Примечание: значения показателей установлены при температуре 293 К (20°С) и давлении 0,1013 МПа. Расчётное октановое число РОЧ вычисляют по формуле РОЧ = ∑ ОЧ 𝑖 ∙С 𝑖 𝑛 𝑖=0 ∑ 𝐶 𝑖 𝑛 𝑖=0 , (8) где ОЧ i − октановое число i-го горючего компонента ПГ; С i − объёмная доля i-го горючего компонента ПГ в смеси; n — количество горючих компонентов ПГ, определённых анализом. 1 В терминологии IUPAC название «меркаптаны» признано устаревшим и вместо него рекомендуется использовать название «тиолы». Тио́лы − сернистые аналоги спиртов общей формулы RSH, где R − углеводородный радикал, например, метантиол (метилмеркаптан) (CH 3 SH), этантиол (этилмеркаптан) (C 2 H 5 SH) и т.д. Низшие алифатические тиолы являются легколетучими жидкостями с отвратительным запахом, причём их запах ощущается обонянием человека в чрезвычайно низких концентрациях — 10 −7 …10 −8 моль/л. Это свойство используется для одорирования природного газа, не имеющего запаха − добавка летучих тиолов (16 г на 1000 м³) к газу позволяет обнаруживать утечки газа людьми по запаху. 133 Октановые числа горючих компонентов ПГ приведены в табл. 2. Метан является парниковым газом, более сильным в этом отношении, чем CO 2 , из-за более интенсивного поглощения инфракрасного спектра электромагнитного излучения. Если степень воздействия CO 2 на климат условно принять за единицу, то парниковая активность того же молярного объёма СН 4 составит 21…25 единиц [74]. Особенности использования в качестве автотранспортного топлива ПГ в ДВС может использоваться в двухтопливном или монотопливном вариантах. В двухтопливном исполнении выпускаются (или переоборудуются) как ДВСПВ, так и ДВСВС (газодизели). Монотопливный вариант, позволяющий более полно использовать особенности ПГ, реализуется в ДВСПВ. Особенности ПГ, к которым следует адаптировать двигатель, заключаются в следующем. 1) Теплотворная способность стехиометрической рабочей смеси с ПГ на 10…15% меньше, чем рабочей смеси с бензином. Кроме того, газообразное состояние топлива несколько уменьшает коэффициент наполнения цилиндра. Совместное влияние этих факторов приводит к снижению мощности двигателя (до 15% в двухтопливных ДВСПВ). Тем не менее, благодаря высокому октановому числу природного газа появляется возможность за счёт увеличения степени сжатия монотопливных ДВСПВ (до 12,5) полностью устранить этот недостаток. 2) Высокое октановое число ПГ означает, что для активации реакции горения требуется затратить больше энергии (≈0,3 МДж), чем в случае воспламенения бензина (≈0,25 МДж). Кроме того, ПГ содержит относительно большую долю атомов водорода, нежели бензин, поэтому в ОГ увеличивается доля образующейся при сгорании воды, которая в момент запуска холодного двигателя конденсируется на поверхности камеры сгорания и шунтирует электроды свечи зажигания. Оба этих обстоятельства затрудняют запуск холодного двигателя, особенно при низких температурах окружающего воздуха. Поэтому в монотопливных ДВСПВ система зажигания обеспечивает более мощную искру. 3) Скорость горения ПГ меньше скорости горения бензина, поэтому 134 необходимо перенастраивать фазы работы клапанов и увеличивать угол опережения зажигания (примерно на 5…10° ПКВ). 4) Благодаря более «прочной» молекуле метан труднее окисляется в нейтрализаторе, поэтому требуется установка нейтрализатора повышенного объёма. 5) ДВСПВ, работающие на ПГ, имеют возможность более широкой регулировки состава рабочей смеси (0,8 < α < 1,8). При этом «мощностной» состав рабочей смеси с ПГ α=1,03…1,05, а «экономичный» состав − α=1,15…1,5. Это позволяет повысить экономичность этих двигателей на 10…15%, используя комбинированное (количественное и качественное) регулирование мощности [75]. Часть производителей монотопливных ДВСПВ придерживалась технологии «бедного сгорания» (англ. lean-burn), которая обеспечивала в начале 1990-х годов снижение выбросов ЗВ примерно вдвое по сравнению с дизелями того же времени производства. В дальнейшем, в связи с принятием более жёстких норм на выбросы ЗВ с ОГ ДВС, производители предпочли наиболее «чистую» стратегию «стехиометрического сгорания» при одновременном использовании 3-компонентного нейтрализатора ОГ. Двигатели, реализующие данную стратегию, показывают результаты, с запасом удовлетворяющие требования Евро-6 к уровню выбросов. Так, двигатель IVECO Cursor-8 CNG обеспечивает снижение удельных выбросов по сравнению с уровнем Евро-6: по NO x – на 70%, по ДЧ – на 96%, по NMHC – на 90%, по CH 4 – на 80% [76]. Уровень выбросов NMHC и NO x сравним с выбросами газовых электростанций при производстве электроэнергии, необходимой для движения электромобиля [77]. При этом следует отметить, что для достижения таких результатов используется относительно простая и отработанная технология очистки ОГ. Для двигателя IVECO Cursor-8 CNG (рабочий объём 7,8 л, мощность 270/330 кВт) система очистки ОГ состоит из трёхкомпонентного нейтрализатора, двух λ-датчиков и одного датчика температуры, общим весом 45 кг. Для аналогичного (Евро-6) дизельного двигателя IVECO Cursor- 9 система очистки ОГ состоит из окислительного нейтрализатора, объединённого с сажевым фильтром, нейтрализатора SCR с системой хранения и впрыска мочевины, 3 датчиков температуры, 2 датчиков 135 давления, 2 датчиков NO x , и одного датчика NH 3 , общим весом ≈250 кг [76]. ДВС, работающие на ПГ, генерируют меньше шума, чем дизельные аналоги (для упомянутых выше двигателей IVECO, шум при измерении в реверберационной камере сократился на ≈5 дБА, а при измерении в момент холодного запуска – на 9…13 дБА). У ДВС, работающих на ПГ, отмечается снижение износа цилиндрово-поршневой группы и возможность более редкой замены моторного масла, что связано с отсутствием эффекта разбавления масла топливом, а также с более низким уровнем образования в цилиндре коррозионно агрессивных оксидов серы и азота. Метан сгорает полностью, не образуя твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндрово-поршневой группы. Таким образом, использование ПГ в качестве моторного топлива позволяет увеличить срок службы двигателя в 1,5…2 раза. Вследствие большего содержания воды в продуктах сгорания газовоздушных смесей в газовых двигателях могут возникать проблемы водостойкости моторных масел, также газовые двигатели более чувствительны к образованию зольных отложений в камере сгорания. Поэтому сульфатная зольность масел для газовых двигателей ограничивается более низкими значениями, а требования к гидрофобности моторного масла повышаются. |