_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
Образование ДЧ от износа автомобильных шин В результате взаимодействия колеса с дорожным покрытием образуются ДЧ, представляющие собой продукты износа материалов шины и дорожного покрытия. В обоих случаях основным механизмом образования ДЧ служат срезающие усилия, возникающие во время относительного перемещения поверхностей шины и дорожного полотна. Вторичным механизмом является испарение материалов с поверхности трения/скольжения при высоких температурах, характерных для трения. Износ шин является комплексным физико-химическим процессом. Различают три основных вида износа шин [38]: усталостный (гистерезисный или механо-химический), абразивный и посредством «скатывания». При усталостном износе разрушение поверхностного слоя протектора шины происходит после его многократных деформаций в результате качения колеса под нагрузкой. В результате многократно повторяющихся воздействий происходит разрушение и отделение частиц износа с поверхности трения. Такой процесс разрушения поверхности трения рассматривается как фрикционно-контактная усталость материала. Этот вид износа является основным для автомобильных шин. Абразивный износпроисходит при трении двух поверхностей и проявляется в образовании на поверхности протектора раздиров и трещин в результате резкого и длительного торможения или разгона автомобиля, при движении с большими скоростями, на поворотах. У мягких резин, особенно при повышенных нагрузках, наблюдается предрасположенность к износу посредством скатывания. При скатывании образуется рисунок истирания, состоящий из системы параллельных чередующихся гребней и впадин, расположенных перпендикулярно направлению истирания. На интенсивность износа шин влияют следующие факторы: конструкция шины, рисунок протектора, состав резины, скорость движения, техническое состояние подвески автомобиля, нагрузка на колесо, давление воздуха в шине, температура окружающего воздуха и шины, стиль вождения, тип и состояние дорожного покрытия, наличие осадков и т.п. 49 Суммарное количество материала износа шины на протяжении её срока службы варьируется в зависимости от конкретного транспортного средства и может составлять от нескольких сот грамм для двухколесных транспортных средств, 1…1.5 кг для легковых автомобилей и вплоть до 10 кг для грузовиков или автобусов. Частицы от износа шин в основном состоят из соединений, которые используются при их производстве: бутадиенстирольный каучук (≈75%), натуральный каучук (≈15%) и полибутадиен (≈10%). В целях получения необходимых эксплуатационных характеристик во время производственного процесса в это сочетание также добавляются металлические или органические присадки. Одной из самых важных присадок является окись цинка (ZnO), выступающая в качестве вулканизирующей добавки [39]. В соответствии с данными, представленными в работе [40], обычно концентрация ZnO в протекторе покрышки варьируется в диапазоне от 1,2% (легковые автомобили) до 2,1% (грузовики). Средние данные по составу шинной пыли из работы [41] внесены в базу данных SPECIATE, созданную Агентством по охране окружающей среды США с целью накопления и упорядочения многочисленных данных, касающихся состава ДЧ различного происхождения (рис. 13). Рис. 13. Усреднённые данные по химическому составу шинной пыли, полученные в США в конце 1990-х 50 В составе ДЧ от износа шин обнаруживают бензо(α)пирен, входящий в перечень Протокола по стойким органическим загрязнителям ЕЭК ООН ( 3,9 млн -1 ). В середине 1970-х началось использование в резиновых смесях т.н. силики – высокодиспергированного диоксида кремния, модифицированного присадками, повышающими его адгезию с каучуками. С середины 1990-х началось массовое производство шин (особенно зимних) с силикой. Силика вводится в состав протекторных резин с целью одновременного улучшения сцепных качеств и снижения сопротивления качению 1 . Одна из первых торговых марок силики, производимая фирмой Degussa с 1971 года – S-69 или бис-3- (триэтоксилилпропил)-тетрасульфан ((C 2 H 5 O) 3 - Si - CH 2 - CH 2 - CH 2 - Sx - CH 2 - CH 2 - CH 2 - Si - (OC 2 H 5 ) 3 ). Одна из наиболее широко известных современных марок силики ‒ SCA 9872 ‒ состоит на 72% из силана 2 и на 28% из силиката кальция. Доля силики, заменяющей технический углерод, может быть различной и даже доходить до 100%, однако в этом случае для улучшения электропроводимости резины в состав смеси добавляют специальные добавки, например смесь амино- и сульфонилцирконатов [42]. Химический и гранулометрический состав пыли, образующейся при истирании шин с силикой, автору найти не удалось. Можно лишь предположить, что часть элементарного углерода будет заменена диоксидом кремния. Учитывая, что диоксид кремния – наиболее вероятная причина такого опасного заболевания, как силикоз, в этой области необходимы дополнительные исследования. Образование ДЧ от износа тормозных механизмов АТС ДЧ, образующиеся в результате износа тормозных механизмов представляют собой продукты износа материалов фрикционных накладок и металла, из которого изготовлены тормозные диски или тормозные барабаны. 1 Силика также входит в состав мастик, используемых для нанесения дорожной разметки. 2 Соединения кремния с водородом общей формулы Si n H 2n+2 51 Тормозные фрикционные накладки обычно состоят из четырех основных компонентов — обвязки, волокон, уплотняющих присадок и модификаторов трения. В качестве обвязок используются различные модифицированные фенолформальдегидные смолы. Волокна могут быть подразделены на металлические, минеральные, керамические или арамидные (органические) и включают сталь, медь, латунь, титанат калия, стекло, асбест, органический материал и кевлар. Уплотняющие присадки обычно являются дешевыми материалами, такими как барий и сернокислая сурьма, каолинитовые глины, магний, оксиды хрома и металлические порошки. Состав модификаторов трения может быть неорганическим, органическим или металлическим. Основным модификатором трения является графит, но помимо него также используются порошок акажу 1 , резиновая мука и технический углерод. В прошлом тормозные накладки дисковых тормозов включали асбестовые волокна, но на сегодняшний день в Европейском автопарке практически не осталось транспортных средств, в которых используется эта технология. На величину износа тормозов большое влияние оказывает конструкция как автомобиля в целом (расположение центра тяжести, количество осей и т.п.), так и собственно тормозной системы, материал фрикционных накладок и тормозных дисков/барабанов. Показатели интенсивности износа также зависят от стиля вождения, степени загруженности автомобиля, типа ездового цикла (городской, пригородный, магистральный и т.п.), продольного профиля дороги, влажности воздуха и наличия осадков, состояния дорожного покрытия (наличия абразивных частиц) и других факторов. Предполагается, что срок службы тормозных фрикционных накладок для легковых автомобилей составляет 30…50 тыс. км, для грузовиков и туристических междугородних автобусов составляет около 60 тыс. км. 1 Необыкновенно твердое, светло-красное дерево, растущее в Африке и в Индии. 52 Не весь изношенный материал тормозных механизмов выбрасывается в воздух в виде ДЧ. Небольшое количество тормозной пыли остаётся (оседает) на транспортном средстве. Степень выброса/оседания зависит от конструкции тормозных механизмов (дисковые или барабанные), интенсивности торможения, скорости, при которой происходит торможение, состояния поверхностей деталей автомобиля (влажность, замасливание) и т.п. При этом от 35 до 90% материала суммарного износа выбрасывается в атмосферу. По данным [43 ] около 35% массы частиц износа тормозов выбрасывается в атмосферу. Но эта оценка не учитывала потери во время отбора проб. В том случае, если они были бы учтены, то выброшенная в атмосферу фракция РМ 10 составила бы уже около 64% [44]. По данным [45] 10% тормозной пыли остается на кожухе барабанных тормозных механизмов. От 3% до 30% остатков ДЧ тормозов остается на дороге, от 16 до 22% остается на колесе, а от 8 до 25% ‒ на тормозном и рулевом/подвесном оборудовании [44]. В соответствии с данными Агентства по охране окружающей среды США [46] и результатами работы [47], около 98% (по массе) ДЧ от износа тормозов являются РМ 10 , которые по гранулометрическому составу распределяются следующим образом: РМ 2.5 ‒ 40%, РМ 1 ‒ 10%, РМ 0.1 ‒ 8%. По данным [48] массовые доли фракций ДЧ износа тормозов размером менее 10 мкм, 2.5 мкм и 0.1 мкм, составляют 88%, 63% и 33% соответственно. По данным [44] доля РМ 10 составила 80%, а доля РМ 1 ‒ 2%. По данным [49] вклад износа тормозов фиксировался в основном во фракции РМ 10 , а доля РМ 2.5 в этих РМ 10 составила только 5…17%. Таким образом, при нормальных условиях вождения большая часть ДЧ износа тормозов может рассматриваться в качестве РМ 10 , а значительная часть ‒ в качестве РМ 2.5 . Существует вероятность того, что при высоких температурах, вызванных торможением, некоторое количество материала тормозных накладок дисковых тормозов может испаряться с последующей конденсацией и, таким образом, вносить вклад в тонкодисперсную фракцию ДЧ. Химический состав ДЧ, образующихся в результате износа тормозных механизмов, в большой степени зависит от их производителя, применения (легковой, грузовой, гоночный автомобиль и т. д.) и заданных 53 свойств. Как правило, тормозные накладки состоят из металлов, связанных друг с другом с помощью материалов на основе кремния. Однако встречается и другая рецептура. Кроме того, пока не существует единого подхода к проведению данных исследований. Поэтому результаты анализа химического состава ДЧ от износа тормозных механизмов, произведённые разными авторами, отличаются большим разбросом (табл. 6). Таблица 6 Химический состав ДЧ от износа тормозных механизмов по данным SPECIATE (США) Химический состав ДЧ Обозначение Массовая доля, % Мин. Макс. Сред. Барий Ba 0,92 12,16 5,62 Медь Cu 0,04 14,09 3,41 Элементарный углерод ЭУ 0,21 2,61 1,14 Железо Fe 4,00 52,91 27,78 Магний Mg 1,91 13,80 3,94 Органический углерод ОУ 8,79 33,81 11,34 Кремний Si 1,03 13,14 5,23 Сера S 0,64 4,23 2,06 В составе ДЧ от износа тормозных механизмов обнаруживают и некоторые СОЗ: бензо(α)пирен ( 0,74 млн -1 ), бензо(β)флуорантен ( 0,42 млн -1 ), бензо(k)флуорантен ( 0,62 млн -1 ) и т.п. Влияние ДЧ на окружающую среду и здоровье населения ДЧ имеют сложный химический состав и распределяются на группы в зависимости от их размера (рис. 14). Каждая размерная группа имеет специфические характеристики поведения в атмосфере и проникающей способности в организм человека. Наиболее опасными с этих точек зрения являются ДЧ, размером менее 2,5 мкм. Токсичность ДЧ определяется их способностью адсорбировать на своей поверхности различные углеводороды, в том числе относящиеся к канцерогенам. 54 Рис. 14. Распределение типичных придорожных ДЧ по количеству, площади поверхности и массе [50] Кроме того, ДЧ могут оказывать различное влияние на оптические свойства атмосферного воздуха, ослабляя или усиливая «парниковый» эффект. Образование SO 2 и его влияние на окружающую среду Выбросы серы диоксида SO 2 напрямую связаны с содержанием серы в топливах. Уголь, в зависимости от месторождения, содержит от 0,2 до 5,5% серы по массе, нефть – от 0,07 до 5%, мазут ‒ не более 3,5%. Максимальное содержание серы в отечественных сортах автомобильного бензина и дизельного топлива зависит от экологического класса (см. табл. 7 и 8) [17]. Правда, это связано, в первую очередь, с необходимостью обеспечить требуемую долговечность и надёжность работы каталитических нейтрализаторов отработавших газов. 55 Таблица 7 Требования к содержанию серы в автомобильном бензине Характеристики автомобильного бензина Единица измерения Нормы в отношении экологического класса К2 К3 К4 К5 Массовая доля серы, не более мг/кг 500 150 50 10 Таблица 8 Требования к содержанию серы в дизельном топливе Характеристики дизельного топлива Единица измерения Нормы в отношении экологического класса К2 К3 К4 К5 Массовая доля серы, не более мг/кг 500 350 50 10 Массовое содержание серы в отечественном топливе для реактивных двигателей летательных аппаратов с дозвуковой скоростью полета не должно превышать: 0,25% ‒ для топлива «Джет-А1» и 0,2% ‒ для топлива «ТС-1». Массовая доля серы в топливе для реактивных двигателей летательных аппаратов со сверхзвуковой скоростью полета не должно превышать 0,1%. Массовая доля общей серы в отечественном авиационном бензине не должна превышать 0,03% [17]. Массовая доля серы в отечественном судовом топливе не должна превышать 3,5% (по 31 декабря 2011 г.), 2% (по 31 декабря 2012 г.), 1,5% (с 1 января 2013 г.), 0,5% (с 1 января 2020 г.) [17]. Трансформации SO 2 в атмосфере Время существования SO 2 в атмосфере зависит от метеорологических условий, в среднем оно составляет от 3 до 5 дней. SO 2 , поступая в атмосферный воздух, окисляется кислородом воздуха до трехокиси, которая сразу же реагирует с водяными парами, образуя сернистую кислоту, которая, постепенно окисляясь, превращается в серную кислоту: 2SO 2 + O 2 = 2SO 3 ; SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 – серная кислота (в виде капелек); SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3 – сернистая кислота; 2H 2 SO 3 + О 2 = 2H 2 SO 4 – серная кислота (в виде капелек). 56 Большая часть SO 2 превращается в серную кислоту в течение нескольких дней после её выброса в атмосферу. Следовательно, SO 2 может переноситься воздушными массами на сотни километров от источника выброса. Влияние SO 2 на окружающую среду и здоровье населения Серы диоксид легко растворяется в воде с образованием серной и сернистых кислот, которые раздражают слизистые оболочки глаз, гортани и лёгких при дыхании. По этой же причине SO 2 относится к соединениям, закисляющим окружающую среду. Контрольные вопросы по разделу 1. Чем определяется стехиометрический состав рабочей смеси, сгораемой в ДВС? 2. Что такое коэффициент избытка воздуха? Какими значениями этого коэффициента определяется «бедная» и «богатая» рабочая смесь, смесь «мощностного» и «экономичного» состава? 3. Как осуществляется регулирование мощности в ДВСПВ и ДВСВС? 4. Что понимается под термином «режим работы ДВС»? Чем «установившиеся» режимы отличаются от «неустановившихся»? 5. Какую информацию можно получить из многопараметровой характеристики ДВС? 6. Как изменяется удельный эффективный расход топлива в зависимости от режима работы ДВС? 7. Каков механизм образования СО 2 в ДВС? 8. Как определить выбросы СО 2 методом «баланса углерода»? 9. В чём проявляется негативное влияние СО 2 на окружающую среду и здоровье человека? 10. Каков механизм образования СО в ДВС? 11. Как изменяется концентрация СО в ОГ в зависимости от режима работы ДВС? 12. В чём проявляется негативное влияние СО на окружающую среду и здоровье человека? 13. Каков механизм образования «топливного» NО в ДВС? 14. Каков механизм образования «термического» NО в ДВС? 57 15. Каков механизм образования «быстрого» NО в ДВС? 16. Как изменяется концентрация NО х в ОГ в зависимости от режима работы ДВС? 17. Каким образом происходит трансформация NО х в атмосфере? 18. В чём проявляется негативное влияние NО x на окружающую среду и здоровье человека? 19. Каков механизм образования топливных испарений в ДВС? 20. Каков механизм образования несгоревших СН в ДВС? 21. Каков механизм образования альдегидов и ПАУ в ДВС? 22. Каковы источники выбросов ОРВ при производстве, эксплуатации и утилизации автомобилей? 23. Каков механизм образования диоксинов и фуранов в ДВС? 24. В чём проявляется негативное влияние СН на окружающую среду и здоровье человека? 25. Каков механизм образования ДЧ в ДВС? 26. Каков механизм образования ДЧ от износа автомобильных шин? 27. Каков механизм образования ДЧ от износа тормозных механизмов? 28. В чём проявляется негативное влияние ДЧ на окружающую среду и здоровье человека? 29. Каков механизм образования SO 2 в ДВС? 30. Каким образом происходит трансформация SO 2 в атмосфере? 31. В чём проявляется негативное влияние SO 2 на окружающую среду и здоровье человека? 58 МЕТОДЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДВС С ЦЕЛЬЮ УМЕНЬШЕНИЯ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ Методы совершенствования рабочего процесса двигателей с принудительным воспламенением рабочей смеси (ДВСПВ) Для уменьшения выделения NO х с ОГ ДВСПВ практически имеются два пути: снижение максимальной температуры в процессе сгорания рабочей смеси, проведение процесса сгорания рабочей смеси с недостатком кислорода в зоне продуктов сгорания. Для уменьшения выделения токсичных продуктов неполного сгорания с ОГ ДВСПВ, а также для сокращения расхода топлива и выбросов СО 2 необходимо: обеспечивать работу двигателя в большей части используемых режимов работы на обеднённой смеси; улучшать качество смесеобразования (гомогенизацию смеси, распределение топливовоздушной смеси по отдельным цилиндрам, по последовательным рабочим циклам); уменьшать объём топливовоздушной смеси в зонах гашения пламени – у стенок камеры сгорания, в «мёртвых» объёмах, образуемых зазорами между сопрягаемыми деталями; не допускать сильного разбавления свежей порции топливовоздушной смеси остаточными газами; принимать меры для увеличения КПД двигателя и т.п. Представленное на рис. 15 разделение применяемых в современных ДВСПВ технологий по основным достигаемым результатам носит несколько условный характер, поскольку в действительности влияние этих технологий на характеристики ДВСПВ имеет более сложный характер. Однако данная схема позволяет наглядно оценить основные причины применения той или иной технологии. 59 Рис. 15. Методы совершенствования рабочего процесса двигателей с принудительным воспламенением рабочей смеси (ДВСПВ) |