Малотоксичные двигатели: Малотоксичный высокоэкономичный двигатель нового поколения

Малотоксичные и нетоксичные двигатели

Заглавная страница
Избранные статьи
Случайная статья
Познавательные статьи
Новые добавления
Обратная связь

КАТЕГОРИИ:

Археология
Биология
Генетика
География
Информатика
История
Логика
Маркетинг
Математика
Менеджмент
Механика
Педагогика
Религия
Социология
Технологии
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология

ТОП 10 на сайте

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Техника нижней прямой подачи мяча.

Франко-прусская война (причины и последствия)

Организация работы процедурного кабинета

Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний

Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Обработка изделий медицинского назначения многократного применения

Образцы текста публицистического стиля

Четыре типа изменения баланса

Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву



Мы поможем в написании ваших работ!

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Влияние общества на человека

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Практические работы по географии для 6 класса

Организация работы процедурного кабинета

Изменения в неживой природе осенью

Уборка процедурного кабинета

Сольфеджио. Все правила по сольфеджио

Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

⇐ ПредыдущаяСтр 34 из 35Следующая ⇒

Малотоксичными являются газотурбинные, роторные и гиб­ридные двигатели, а нетоксичными — инерционные.

Газотурбинный двигатель проще поршневого по конструкции, имеет меньшую массу, проще в эксплуатации, легко пускается и значительно меньше загрязняет воздух, поскольку в его отрабо­тавших газах содержится существенно меньше оксидов углерода и углеводородов. Однако для двигателя этого типа характерны высо­кая стоимость, большой расход топлива и малая приемистость (медленно развивает максимальную мощность).

Роторный двигатель — это бензиновый двигатель, отличающий­ся по конструкции от поршневого. У роторного двигателя нет ци­линдров и шатунно-поршневой группы. Вместо поршней двига­тель имеет вращающийся ротор, который передает крутящий мо­мент через зубчатую передачу.

В двигателе также отсутствуют кла­паны, а вместо них предусмотрены впускные и выпускные отвер­стия. Двигатель имеет меньшую массу и более высокую частоту вращения. Он компактен, прост в производстве, бесшумен и спо­собен работать на бензине с любым октановым числом и без до­бавок антидетонационных свинцовых присадок. Однако по срав­нению с поршневым роторный двигатель менее экономичен. Кро­ме того, трудно обеспечить необходимую герметичность между его корпусом и ротором по мере их изнашивания в эксплуатации-

Гибридные двигатели менее токсичны и более бесшумны по срав­нению с поршневыми. На автомобиле (рис. 14.2) устанавливают два двигателя: двигатель 1 внутреннего сгорания и тяговый элект­родвигатель 4. В условиях города используется электродвигатель, который работает от аккумуляторной батареи 3, а при выезде из города — двигатель внутреннего сгорания. При работе последнего

Рис. 14.2. Автомобиль с гибридным двигателем:

1 — двигатель внутреннего сгорания; 2 — генератор; 3 — аккумуляторная

батарея; 4 — электродвигатель

генератор 2 подзаряжает аккумуляторную батарею. Автомобиль с гибридным двигателем сложнее по конструкции и дороже в про­изводстве, чем обычный электромобиль.

Инерционный двигатель представляет собой маховик. Достоин­ства такого двигателя связаны с его экологической чистотой, от­сутствием токсичных отходов, практически бесшумной работой и высоким КПД. Недостатком, препятствующим его внедрению, является малая энергоемкость маховика и, следовательно, незна­чительный пробег автомобиля в период между подзарядками (рас­кручиванием) маховика. Кроме того, определенную сложность представляет создание трансмиссии, передающей энергию от ма­ховика к ведущим колесам автомобиля.

Электромобили

Электромобили существенно улучшают состояние окружающей среды. Они не потребляют топливо, не загрязняют воздух отрабо­тавшими газами, работают почти бесшумно, неогнеопасны; ими легко управлять. Электродвигатель такого автомобиля выдержива­ет кратковременные перегрузки и имеет хорошую тяговую харак­теристику, поэтому на электромобиле можно устанавливать дви­гатель меньшей мощности. Кроме того, электромобиль не нужда­ется в сложной трансмиссии и во многих системах, характерных для обычного современного автомобиля. Однако быстрое разви­тие электромобилей сдерживается из-за отсутствия высокоэффек­тивных источников электроэнергии.

Основным недостатком современного электромобиля, снабжен­ного в качестве источника тока свинцово-кислотными аккумуля­торными батареями, являются ограниченный пробег, большая мас­са, малый срок службы источника тока и высокая стоимость.

Источником энергии для электромобиля (рис. 14.3) служит ак­кумуляторная батарея 1. Электрический ток поступает в тяговый электродвигатель 4 через силовую проводку 2 и систему регули-

Рис. 14.3. Электромобиль:

1 — аккумуляторная батарея; 2 — силовая проводка; 3 — система регулирова­ния; 4 — электродвигатель; 5 — карданная передача; 6 — ведущий мост

рования 3. Крутящий момент от электродвигателя к ведущему мос­ту 6 подводится с помощью карданной передачи 5. Крутящий мо­мент электродвигателя увеличивается при уменьшении частоты вращения вала. Это позволяет электромобилю преодолевать повы­шенное сопротивление движению и развивать большое ускорение при трогании с места без изменения передаточного числа транс­миссии. Вследствие этого отсутствует потребность в коробке пере­дач, повышается плавность движения электромобиля и облегча­ется управление им.

Автомобиль — источник шума

Автомобили не только загрязняют окружающую среду отрабо­тавшими газами, но и способствуют ее интенсивному шумовому «загрязнению». Совместно с промышленными, транспортными и бытовыми шумами (радио, телевидение и др.) шум от автомоби­лей оказывает неблагоприятное воздействие на человека. И если у организма человека возникает защитная реакция против яркого света, ожогов и т.п., то противостоять действию шума он не мо­жет.

Шум мешает нормальному отдыху и восстановлению сил, на­рушает сон. Он снижает внимание и работоспособность. Шум мо­жет привести к расстройству центральной нервной системы и раз­личным болезням сердечно-сосудистой системы (гипертония и др. ), дыхательных путей, желез внутренней секреции и желудка (язвенная болезнь и др.), которые возникают в результате общего нервного напряжения, вызванного воздействием шума.

Человек слышит звук с частотой колебаний в диапазоне 20… 12000 Гц. Легче всего человеческий организм переносит шум низкой частоты (до 300 Гц), хуже — шумы средней частоты (300…800 Гц) и тяжело переносит шумы высокой частоты (более 600 Гц). Инфразвук (частота ниже 20 Гц) и ультразвук (частота выше 12 кГц) человек не слышит. Однако при длительном воз-

действии ультразвук вызывает общее недомогание и головокру­жение, а инфразвук — многие нервные заболевания.

Шум, оказывая вредное влияние на человека, приводит не толь­ко к развитию различных заболеваний, но и сокращает его жизнь. Так, шумовое «загрязнение» окружающей среды в больших горо­дах сокращает продолжительность жизни человека на 8—10 лет.

Шум характеризуется уровнем громкости, выраженной в де­цибелах (дБА). Шум считается вредным для человека, если этот уровень превышает 40 дБА.

Так, уровень шума 85 дБА человек переносит мучительно, при 100 дБА и выше учащаются дыхание и биение сердца, повышается кровяное давление, изменяется со­став крови и нарушается деятельность мозга, а уровень шума свы­ше 120 дБА травмирует мозг. Принято считать, что повышение уровня шума на 1 дБА вызывает снижение производительности труда на 1 %.

Источники шума многочисленны и разнообразны. Основным среди них является транспорт (автомобильный, релйсовый и воз­душный), который создает 60…80 % всех шумов, проникающих в помещения домов.

Для сравнения ниже приведены усредненные уровни шума, дБА, создаваемые различными видами транспорта:

Легковые автомобили………………………………. 70…80

Автобусы…………………………………………………. 80… 85

Грузовые автомобили………………………………. 80…90

Моторные лодки………………………………………. 90…95

Электропоезда метрополитена…………… ……. 90… 95

Мотоциклы………………………………………………… 90… 95

Железнодорожные поезда………………………….. 95… 100

Самолеты…………………………………………………… 110… 130

Уровень шума автомобилей может существенно изменяться в зависимости от типа двигателя и режима его работы, скорости и режима движения, технического состояния автомобиля и ряда других факторов.

Автомобили различаются по уровню шума. Самые шумные — грузовые автомобили, самые «тихие» — легковые, а автобусы — среднешумные.

Движение автомобилей сопровождается внешним и внутрен­ним шумом. Внешний шум создается в окружающей среде и слы­шен на улицах и в домах. Он оказывает отрицательное воздействие на окружающую среду. Внутренний шум возникает внутри салона (кабины) автомобиля. Он снижает комфортабельность езды и по­вышает утомляемость пассажиров и водителя.

Основными источниками шума во время движения автомоби­ля являются двигатель, механизмы трансмиссии и шины. Уровень шума может повышаться при увеличении срока эксплуатации и

пробега автомобиля, что обусловлено эксплуатационным изно­сом деталей двигателя, трансмиссии и других систем и агрегатов.

Наиболее сильный шум возникает при интенсивном разгоне автомобиля на II и III передачах. Основным источником шума на автомобиле может быть та или иная часть его конструкции в зави­симости от скорости движения и нагрузки на автомобиль. Напри­мер, при скорости 70…80 км/ч и полной нагрузке основным ис­точником шума служит двигатель, а при большей скорости дви­жения — шины.

Причинами возникновения шума шин являются шероховатость дороги и ее крупные неровности, трение между дорогой и про­тектором шин (визг при торможении и повороте), трение шин о воздух, тип рисунка протектора, наличие воздуха в углублениях протектора (при соприкосновении с дорогой воздух выходит из них с характерным свистом), вода на дорожном покрытии и ее перемещение относительно протектора, дисбаланс и биение ко­лес и особенно изношенность протектора.

Уровень шума во многом зависит от технического состояния автомобиля, его систем и механизмов. Полностью исправный ав­томобиль создает меньше шума.

Шум автомобилей нормирован. В соответствии с правилами Европейской экономической комиссии ООН максимально до­пустимый уровень шума для легковых автомобилей составляет 80 дБ А, для автобусов в зависимости от вместимости — 81 …85 дБА и для грузовых автомобилей в зависимости от их массы — 81… 88 дБА.

⇐ Предыдущая26272829303132333435Следующая ⇒


Читайте также:



Алгоритмические операторы Matlab

Конструирование и порядок расчёта дорожной одежды

Исследования учёных: почему помогают молитвы?

Почему терпят неудачу многие предприниматели?



Последнее изменение этой страницы: 2016-09-05; просмотров: 325; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia. su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь — 161.97.168.212 (0.005 с.)

Применение водорода в качестве моторного топлива

  • Скачать в формате PDF

Ю.В. Галышев – С.-Петербургский государственный политехнический университет

Современный уровень развития двигателестроения позволяет создавать надежные, достаточно мощные, экономичные и малотоксичные двигатели, работающие на водороде. В качестве промежуточного этапа могут рассматриваться варианты со смешанным водородно-бензиновым питанием, а также чисто водородные двигатели пониженной мощности.

Первые опыты применения водорода в качестве моторного топлива относятся еще к 1920-м гг., когда газ, предназначенный для наполнения дирижаблей, использовался также для питания двигателей воздушного корабля. В период Великой Отечественной войны в Ленинграде, отрезанном от поставок жидкого топлива, отработавший в аэростатах водород успешно использовался для двигателей передвижных электростанций. Эксперименты по использованию водорода как моторного топлива проводились также в послевоенные годы, однако не получили развития главным образом из-за того, что практической потребности в замене нефтяных топлив в то время еще не было.
Интерес к этой тематике активизировался в 1970-80-е годы, что было в значительной степени связано с энергетическим кризисом, обусловленным сокращением поставок ближневосточной нефти. В этот период были проведены успешные разработки и созданы демонстрационные образцы автомобилей, работающих на водородном топливе. В настоящее время также ведутся работы в этом направлении. Например, фирма BMW планирует начать с 2010 года серийный выпуск автомобилей модели 750 hL с 12-цилиндровым двигателем мощностью 204 л.с, работающим на водороде (несколько автомобилей было изготовлено для выставки ЭКСПО-2000). Для хранения топлива используется криогенный бак с запасом, обеспечивающим пробег без дозаправки 320 км.
Водород можно было бы считать идеальным топливом, учитывая его высокую теплоту сгорания, неиссякаемые запасы, экологичность: выхлоп содержит только чистейший водяной пар (без оксидов углерода, сажи и дыма). Однако эти положительные свойства водорода при применении в качестве топлива имеют и обратную сторону. Прежде всего, хотя водород и является самым распространенным на Земле элементом, в свободном виде он отсутствует. Основное (по количеству) водородосодержащее вещество – вода. Для выделения из нее водорода требуется затратить такое количество энергии, которое превысит полученное при сжигании этого топлива в двигателе.
Теплота сгорания водорода в расчете на единицу массы действительно почти втрое превышает соответствующую величину для жидких топлив. Но для сжигания 1 кг водорода требуется также почти втрое больше кислорода. Следовательно, теплота сгорания единицы объема стехиометрической (содержащей минимально необходимое количество кислорода) водородовоздушной смеси даже ниже, чем у жидких и газообразных углеводородных видов топлива. То есть при внешнем смесеобразовании, типичном для бензиновых ДВС, и одинаковом КПД водородный двигатель даст почти на 20% меньшую мощность, чем бензиновый или газовый. Низкая теплота сгорания водородовоздушной смеси обусловлена большим удельным объемом водорода, поэтому если подавать водород в цилиндр после закрытия впускного клапана, то соотношение газов можно оптимизировать. Это предполагает хранение и подачу водорода под давлением и специальную конструкцию системы подачи топлива.
Наконец, тезис о полной безвредности выхлопа водородного двигателя также требует некоторой корректировки. Действительно, при сжигании водорода в кислородной среде образуется только водяной пар. Однако при сгорании водородовоздушных смесей, как и углеводородных топлив, окисляется атмосферный азот, образуя весьма вредные оксиды NO и NO2. Их количество может оказаться даже выше, чем у бензинового двигателя (при прочих равных условиях), в связи с более высокими температурами в зоне горения. К тому же, пока нет еще опыта наблюдений, связанных с интенсивным выбросом в атмосферу водяного пара. Следует также отметить неизбежный расход смазочного масла на угар.
Но, несмотря на все это, преимущества водорода как топлива для транспортных двигателей очевидны. Более того, при условии исчерпания ресурсов ископаемых топлив «водородный» двигатель может оказаться, наряду с электродвигателем, единственной альтернативой. Уже сегодня такие двигатели (как и электромобили) могут применяться в ограниченном количестве в условиях предельно жестких ограничений на состав отработавших газов. Необходимо вести их разработки и исследования в расчете на перспективу, пусть даже отдаленную.
Однако прежде чем серийно производить транспортные средства, работающие на водороде, предстоит решить ряд серьезных проблем. В первую очередь, необходимо обеспечить производство водорода в достаточных количествах. В большинстве технологий, используемых для этой цели в химической промышленности, сырьем являются ископаемые топлива – природный газ, нефть. При этом затрачивается большое количество энергии, получаемой за счет части теплоты сгорания исходных углеводородов. В качестве сырья может использоваться также и уголь, но и в этом случаи потери энергии больше, чем при получении коксового, светильного или генераторного газа (по своим «моторным» свойствам мало уступающих водороду). Кроме того, при восстановлении водорода из воды с помощью угля высвобождаемый кислород окисляет углерод, что приводит к образованию СО2 – основного фактора парникового эффекта. Чтобы обеспечить водородным топливом значительный парк автомобилей, потребуется увеличить в несколько раз производство угля.
Универсальна и экологически безопасна технология получения водорода, основанная на электролизе воды. Правда, это предполагает наличие излишков электрической энергии, которых в глобальном понимании нет и не предвидится, поскольку энергопотребление растет быстрее, чем вводятся в строй новые электростанции. Однако в локальном аспекте такие излишки реально существуют – это прежде всего гидростанции и ядерные энергоустановки. Сложность регулирования мощности на таких электростанциях заставляет искать пути ис¬пользования избыточной энергии в периоды снижения нагрузки, в частности в ночные часы. При условии достаточно широкого спроса эта энергия могла бы использоваться в производстве водородного топлива. Еще один резерв связан с ядерными энергоустановками, где водород образуется в системах охлаждения реакторов.
Необходимо также решить вопрос о рациональных способах хранения водорода, предназначенного для использования в качестве топлива. Свободный водород, как и другие горючие газы, может храниться либо в сжатом, либо в сжиженном виде. Кроме того, существуют способы хранения в химически связанном виде, предусматривающие выделение водорода непосредственно на борту транспортного средства перед подачей в двигатель.
Из-за малой плотности водорода для хранения запаса, обеспечивающего получение равной работы с двигателем жидкого топлива, требуется значительно большая масса. В 1970-80-х гг., когда в распоряжении разработчиков были только стальные баллоны, вариант с хранением водорода в баллонах всерьез не рассматривался. А криогенный способ хранения в тот период еще не был доведен до уровня, допускающего его применение на автомобилях. Основное внимание обращалось на гидридные аккумуляторы и реакторы на основе гидрореагирующих сплавов.
Первый вариант основан на способности водорода образовывать с металлами нестойкие соединения – гидриды. При определенных условиях эти соединения распадаются с высвобождением свободного водорода. Может использоваться, например, лантан-никелевый гидрид LaNi5H6. Контейнер с этим гидридом, содержащий 0,5 кг водорода, имеет массу 40…45 кг. Следовательно, удельная энергоемкость такого бака 1100…1300 кДж/кг (как и у стального баллона).
Более легкий магниево-никелевый гидрид Mg2NiH4 обеспечивает удельную энергоемкость порядка 4000 кДж/кг. Температура диссоциации этого гидрида составляет 287 °С, поэтому гидридный аккумулятор должен обогреваться отработавшими газами двигателя. При этом могут возникнуть трудности с подачей водорода при малых нагрузках, когда температура газов недостаточно высока.
Возможно также производство водорода на основе реакции воды с гидрореагирующими сплавами. Это сплавы легких металлов с присадками, обеспечивающими ускоренное протекание физико-химических процессов. Реакции воды с алюминием и магнием имеют вид:

2Аl + 6Н2О = 2Аl(ОН)3 + 3Н2;
Mg + 2Н2О = Mg(OH)2 + Н2.

Следовательно, для производства 1 кг водоро¬да требуется 9 кг алюминия или 12 кг магния. Кроме того, в реакциях используется 18 кг воды на 1 кг водорода. Таким образом, удельная энергоемкость составит (без учета массы деталей, входящих в реакторную систему), соответственно, 3800 и 3400 кДж/кг.
Достоинством хранения водорода в химически связанном виде является высокая безопасность. Поскольку высвобождаемый водород немедленно сжигается в двигателе, то количество свободного газа в системах автомобиля, который образует с воздухом взрывоопасную смесь, – минимально.
В 1980-е годы в Ленинградском политехническом институте был проведен комплекс исследований по созданию моторных установок с применением реакторов на основе гидрореагирующих сплавов магния [1]. В результате этих работ были созданы работоспособные конструкции реакторов для стендовых и автомобильных моторных установок. Были детально исследованы особенности рабочих процессов двигателей на водородном топливе, проведен широкий комплекс испытаний экспериментального автомобиля. Магниевый сплав в виде стружки загружался в специальные сменные кассеты, которые затем устанавливались в реактор. Вода в дозированном количестве прокачивалась через реактор, а образующаяся паро-водородная смесь осушалась в холодильнике. Затем почти чистый водород подавался во впускной коллектор двигателя.
В последние десятилетия достигнут значительный прогресс в технологиях хранения газообразного топлива, которые могут быть использованы и для водорода. Так, фирмой Diehl разработана многослойная конструкция, включающая внутреннюю алюминиевую втулку и чередующиеся слои кольцевой и винтовой пластиковой обмотки. На этой технологической основе создана серия баллонов емкостью от 4 до 150 л, которые рассчитаны на рабочее давление 20 или 30 МПа. Отношение массы баллона к его емкости составляет около 0,6 кг/л.
В конструкции баллона фирмы Mannesman внутренняя часть выполнена из высоколегированной стали, а наружная представляет собой армирующую обмотку из волокнистого материала – его удельная прочность в десять раз выше, чем у стали. Рабочее давление здесь также составляет 20 или 30 МПа, объем – от 60 до 165 литров, а масса – от 46 до 110 кг, то есть удельные значения 0,6…0,8 кг/л.
Фирма Brunswick предлагает полностью пластиковый вариант, выполненный из трех слоев материалов с различными свойствами. По данным изготовителя, масса таких баллонов (при равных объемах и давлениях хранимого газа) меньше массы емкостей из армированного алюминия и армированной стали в 1,5 и 2 раза соответственно и почти в 4 раза – емкостей из цельностальных конструкций.
При хранении водорода в сжиженном виде показатели еще лучше. Например, общая масса криогенного бака ЦТП 0,09/1,2, вмещающего 90 л сжиженного газа, – 100 кг. Удельная теплота единицы массы в этом случае около 7000 кДж/кг, т.е. только в 4 раза меньше, чем для жидкого топлива. Однако при этом значительно возрастают энергозатраты на сжижение, поскольку температура жидкого водорода составляет около 20 К. В настоящее время разработаны и используются промышленные криогенные резервуары для более крупных установок – тепловозных, судовых, авиационных. Помимо повышенных энергозатрат, применение криогенного способа хранения требует решения такой проблемы, как использование или отвод испаряющегося газа при останове двигателя.
На практике применяются конструкции автомобильных моторных установок, основанные на применении как баллонных, так криогенных и гидридных систем.
Определенные трудности связаны с обеспечением равной мощности двигателя при работе на водороде и на бензине. Кроме того, отмечается способность водородосодержащих смесей к преждевременному воспламенению от нагретых деталей двигателя и горячих газов. При внешнем смесеобразовании преждевременное воспламенение приводит к «обратным вспышкам» смеси во впускном коллекторе, что достаточно опасно с точки зрения надежности и безопасности эксплуатации.
Специальными экспериментами установлена надежная корреляция между границей «хлопков» во впускном коллекторе и удельным количеством теплоты, подводимой при сгорании, на единицу массы рабочего тела [2]. Было показано, что безопасность обеспечивается при коэффициенте избытка воздуха не менее 2. Таким образом, если не принять специальных мер, мощность двигателя на водороде будет примерно в 2,5 раза ниже, чем бензинового. Например, для двигателя ВАЗ-2111 номинальная мощность снижается с 52 до 27 кВт.
Для компенсации мощности существует несколько подходов. При сохранении внешнего смесеобразования с общим смесителем рациональным решением является дополнительная подача бензина на режимах, близких к номинальной мощности. Такой подход был реализован, в частности, при разработке системы подачи топлива для двигателя ВАЗ-2111 [3]. Одновременно при таких схемах можно уменьшить и необходимую массу системы хранения водорода. Но экономия жидкого топлива, а также уменьшение токсичности отработавших газов осуществляются лишь частично. Двигатель работает на чистом водороде только на режимах холостого хода и малых нагрузок. Если учесть, что на эти режимы приходится значительная часть времени эксплуатации и основная доля выброса оксидов углерода и несгоревших углеводородов, то и это уже прогресс по сравне¬нию с бензиновым двигателем.
При реализации схем смешанного питания необходим обоснованный выбор рационального алгоритма регулирования состава смеси, который обеспечит минимальный расход бензина и предельно ограничит выброс в атмосферу токсичных продуктов сгорания. Такой выбор возможен на основе комплексного моделирования рабочего процесса, газообмена, температурного состояния и токсичности отработавших газов двигателя. При этом должны быть учтены вероятные отклонения в процессе горения, что, в свою очередь, позволит наметить пути их устранения.
Сохранение мощностных показателей базового бензинового двигателя возможно лишь при соотношении массовых расходов водорода и бензина не более 5%. Этот результат полностью согласуется с данными ранее проводившихся экспериментальных исследований.
Все сказанное относится к традиционным системам смесеобразования – карбюраторным или системам с непрерывным впрыском топлива во впускной коллектор. Более современные схемы значительно облегчают проблемы, связанные с опасностью «хлопков». Так, в системах с дозированным впрыском топлива можно заменить топливные форсунки газовыми клапанами и настроить электронную систему управления так, чтобы подавать водород в цилиндр на такте впуска после закрытия выпускного клапана. Это исключает попадание водорода в выпускной коллектор и контакт его с горячими выпускными газами. Кроме того, отсутствие во впускном коллекторе водородовоздушной смеси существенно уменьшает вероятность взрыва в коллекторе. Тем не менее, контакт смеси в цилиндре с горячими деталями – выпускным клапаном и изолятором свечи зажигания – неизбежен. В какой-то мере проблему можно решить, внедрив мероприятия по улучшению охлаждения.
Однако в целом снижение мощности по сравнению с бензиновыми версиями неизбежно. В определенных случаях с этим можно мириться, учитывая, что снижение мощности компенсируется кардинальным снижением токсичности отработавших газов. Кроме того, двигатель, работающий на обедненной водородовоздушной смеси, выбрасывает в атмосферу и меньшее количество оксидов азота благодаря снижению температуры в зоне горения. Снижение мощности может быть компенсировано за счет наддува. Для этого потребуется существенная переработка конструкции базового двигателя, главным образом по усилению деталей, воспринимающих механические нагрузки.
Наиболее радикальным решением является использование схем с внутренним смесеобразованием и искровым зажиганием. Во-первых, теплотворную способность горючего газа (благодаря подаче топлива непосредственно в цилиндр) следует относить не к суммарному объему водорода и горючего газа в коллекторе, а непосредственно к количеству подаваемого в цилиндр воздуха. Соответственно, удельная теплотворная способность смеси повышается до 3800 кДж/м3. Это позволяет получать такую же мощность, как у бензинового двигателя, при одинаковых коэффициентах избытка воздуха.
Во-вторых, реализуемый в таких схемах принцип послойного смесеобразования в сочетании с широким диапазоном воспламеняемости водорода допускает значительное обеднение смеси на частичных нагрузках. Это способствует повышению эффективного КПД и уменьшению выбросов оксидов азота. Вероятность «хлопков» в данном случае исключена, поскольку во впускном коллекторе нет водорода. Преждевременное воспламенение смеси от нагретых деталей также маловероятно, так как впрыск водорода осуществляется только в конце сжатия.
Кроме того, согласование движения воздушного заряда с направлением и фазами подачи газа может быть организовано так, чтобы в контакт с наиболее горячими деталями входила более бедная смесь. Наконец, специальное исследование [4] показало, что при движении смеси относительно нагретой детали требуемая для воспламенения температура повышается.
Сведения, имеющиеся в литературе о двигателях с внутренним смесеобразованием и искровым зажиганием, относятся в основном к бензиновым версиям. Чтобы оценить перспективу применения таких схем в газовых и, в частности, водородных двигателях, в СПб ГПУ было проведено исследование на основе специально разработанной математической модели. В ней учитываются вязкость и нестационарность движения воздуха и газа, а также изменения объема камеры сгорания при движении поршня.
Результатом расчета являются поля скоростей, давлений, температур и концентраций компонентов топливовоздушной смеси в зависимости от угла поворота коленчатого вала. За счет подбора конфигурации камеры сгорания и параметров подачи водорода к моменту подачи искры может быть получена хорошо воспламеняемая смесь в зоне свечи и более бедная – в остальном объеме камеры сгорания. Тем самым достигается надежное воспламенение, быстрое и полное сгорание и минимальная токсичность отработавших газов.
Моделирование позволяет также выбрать рациональный алгоритм управления мощностью двигателя. Он предусматривает регулирование в диапазоне от номинальной мощности до средних нагрузок и частичное дросселирование (количественное регулирование) на режимах, близких к холостому ходу, во избежание переобеднения.
Таким образом, современный уровень развития двигателестроения позволяет создавать надежные, достаточно мощные, экономичные и малотоксичные двигатели, работающие на водороде. В качестве промежуточного этапа с целью накопления опыта могут рассматриваться варианты со смешанным водородно-бензиновым питанием, а также чисто водородные двигатели с пониженной мощностью.
Необходимо еще раз подчеркнуть, что радикальное решение проблемы топлива для транспортных двигателей на основе применения водорода возможно лишь в комплексе с общей проблемой энергоснабжения промышленности и транспорта. Сегодня за счет нефтепродуктов производится около половины всей энергии, вырабатываемой в мире, – львиная доля при этом приходится на транспорт. Чтобы обеспечить его водородным топливом, потребуется не менее чем вдвое увеличить производство электроэнергии. По всей вероятности, это будет возможно лишь за счет широких программ строительства и эксплуатации АЭС.

Использованная литература

1.    Seleznev К. Р. & at. Development and Investigation of the Hydrogen Fueling Systems used for Automobile Engines / Ргос. of the 7-th World Hydrogen conf. Moscow: Pergamon Press, 1988, v.3 — P.2105-2118.
2.    Магидович Л. E., Румянцев В. В. Условия сгорания водородовоздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания / Двигателестрое-ние. 1983, №5.
3.    Галышев Ю. В., Магидович Л. Е., Румянцев В. В., Серебренников В. В. Основные принципы выбора и расчета системы водородного питания транспортного двигателя / Рабочие процессы компрессоров и установок с ДВС. Труды ЛПИ №419 / / Л.: изд. ЛПИ, 1985. С.43-45.
4.    Enomoto R., Furuhama S., Nishiguchi Т. Ignitability of Hydrogen-Air Mixture by Hot Surfaces and Hot Gases in Hydrogen-Fueled Engine / JSAE Rev. №5, 1981, P. 23-29.

Что такое автомобили с низким уровнем выбросов | Путеводители по магазинам

Джефф Янгс | 19 апреля 2019 г.

Все двигатели внутреннего сгорания, дизельные или бензиновые, выбрасывают в воздух вредные газы, такие как несгоревшие углеводороды и твердые частицы: побочные продукты сгоревшего топлива, которые выбрасываются из выхлопной трубы в атмосферу.

В 1960-х годах были приняты правительственные постановления для контроля автомобильных выбросов и снижения уровня загрязнения атмосферы. За прошедшие годы инженерные разработки, такие как трехкомпонентный каталитический нейтрализатор и электронный впрыск топлива с компьютерным управлением, сегодня сократили выбросы автомобилей менее чем на пять процентов по сравнению с тем, что было 40 лет назад. Даже сейчас Агентство по охране окружающей среды (EPA, www.epa.gov) продолжает ужесточать стандарты качества воздуха по мере совершенствования технологий. К 2009 г., все легковые автомобили будут соответствовать стандартам, которые допускают менее одного процента выбросов выхлопных газов, которые были разрешены в 1960-х годах. Новейшие стандарты Агентства по охране окружающей среды называются Tier 2. В Калифорнии действуют отдельные стандарты выбросов для легковых и грузовых автомобилей, известные как LEV-II. На 2008 год стандарты выбросов Калифорнии были приняты еще семью штатами: Нью-Йорк, Мэн, Массачусетс, Пенсильвания, Род-Айленд, Коннектикут и Вермонт. Штаты, граничащие с этими штатами, также могут продавать автомобили, сертифицированные в Калифорнии.

Посетите практически любой салон новых автомобилей, и вы можете услышать немало о так называемых автомобилях с низким уровнем выбросов (LEV). LEV производит меньше выбросов, чем средний автомобиль на дороге. Это было бы простым объяснением всего пять лет назад, но ужесточение правил и новые технологии силовых установок привели к созданию нескольких новых категорий автомобилей с низким уровнем выбросов, которые имеют все более строгие стандарты. Калифорния, долгое время являющаяся общенациональным лидером в области ужесточения стандартов выбросов, создала программу CAL LEV (Калифорнийский автомобиль с низким уровнем выбросов) и установила специальные стандарты. По мере того как все больше штатов следовали примеру Калифорнии, в стране постепенно стали приниматься следующие определения:
 

  • TLEV-Transitional Low-Emission Vehicle  Ранний стандарт, снятый с производства в 2004 году.
  • ULEV-Ultra-Low-Emission Vehicle  Автомобили с таким обозначением на 50 % чище, чем в среднем автомобили нового модельного года.
  • SULEV-Super Ultra-Low-Emission Vehicle  Автомобилей с этим обозначением 90 процентов чище, чем средний автомобиль нового модельного года.
  • PZEV-Автомобиль с частичным нулевым уровнем выбросов Автомобили, соответствующие стандартам SULEV по выбросам выхлопных газов, имеют 15-летнюю/150 000-мильную гарантию и нулевые выбросы испарений.
  • AT PZEV-Advanced Technology PZEV  Автомобили, работающие на сжатом природном газе или гибридные автомобили, которые соответствуют стандартам SULEV по выбросам выхлопных газов, имеют 15-летнюю/150 000-мильную гарантию, нулевые выбросы в результате испарения, а также включают передовые технологические компоненты.
  • ZEV-Zero-Emissions Vehicle  Электромобили и автомобили на водородных топливных элементах с нулевым уровнем вредных выбросов в выхлопных газах и на 98 % чище, чем средний автомобиль нового модельного года.

Новейшие гибридно-электрические транспортные средства (с небольшим двигателем внутреннего сгорания и одним или несколькими электродвигателями) обычно подпадают под классификацию AT PZEV. Транспортные средства горят чисто и почти безотказно в эксплуатации. Примеры включают компактный Honda Civic Hybrid 2008 года и гибриды Nissan Altima среднего размера, Toyota Camry и Prius. Эти автомобили также имеют обозначение SmartWay. Классификация AT-PZEV также применяется к Honda Civic GX NGV 2008 года (автомобиль, работающий на природном газе).


Достижения в области технологий с низким уровнем выбросов положительно влияют и на внедорожники. Традиционно тяжелые по весу и выбросам, внедорожники обычно оснащаются большими двигателями V-6 или V-8. Благодаря гибридной технологии внедорожники могут производить меньше выбросов, не чувствуя при этом недостаточной мощности. В 2008 году гибридно-электрические внедорожники включают двухколесные (2WD) и полноприводные (4WD) гибридные Chevrolet Tahoe, Ford Escape, GMC Yukon, Lexus RX 400h, Mazda Tribute и Mercury Mariner, 2WD Saturn Vue Hybrid и полноприводная Toyota Highlander Hybrid. Четыре из них относятся к автомобилям SmartWay с классификацией LEV-II SULEV: Lexus RX 400h, Mazda Tribute Hybrid, Mercury Mariner Hybrid и Toyota Highlander Hybrid. В полноприводных моделях Mercury Mariner Hybrid и Mazda Tribute Hybrid получают статус SmartWay Elite.

Чтобы получить самый строгий рейтинг ZEV, автомобиль должен быть полностью свободен от измеренных вредных выбросов. Сегодня во многих лабораториях автомобильного дизайна на чертежной доске находятся автомобили, работающие на водороде или топливных элементах, единственным побочным продуктом которых является вода. Аккумуляторная технология является передовой, но по-прежнему не обеспечивает достаточного диапазона между зарядками, чтобы конкурировать ни с ископаемым топливом (бензин или дизельное топливо), ни с гибридно-электрической технологией. Двумя моделями ZEV, ранее доступными в Соединенных Штатах, были RAV4 EV с батарейным питанием от Toyota и EV1 от General Motors. Оба больше не продаются. Калифорнийский совет по воздушным ресурсам (CARB) в 2008 году утвердил изменения в программе ZEV, чтобы изменить ее, чтобы она коснулась моделей 2015 года и более поздних годов.

Чтобы потребителям было проще находить более чистые транспортные средства для покупки и вождения, Агентство по охране окружающей среды создало Руководство по экологичным автомобилям. Самые экологически чистые автомобили имеют обозначения EPA SmartWay Elite или SmartWay. Звание SmartWay Elite присуждается семи моделям 2008 года, получившим 9 или более баллов (по 10-балльной шкале) по каждому из показателей загрязнения воздуха и выбросов парниковых газов. К ним относятся Ford Escape Hybrid, Honda Civic и Civic Hybrid, Mazda Tribute 2WD Hybrid, Mercury Mariner 2WD Hybrid, Toyota Camry Hybrid и Toyota Prius. Обозначение SmartWay применяется к десяткам моделей 2008 года, каждая из которых набрала 6 баллов или выше, что в сумме дает 13 баллов. Потребители могут искать автомобиль по типу, производителю или самому экологичному транспортному средству с 2000 по 2008 модельный год. Сайт находится по адресу www.epa.gov/greenvehicles.

Обзор новых автомобилей

Ford F-Series Super Duty 2023 года выпуска

Грузовики F-Series Super Duty получили то, что им было нужно для модели 2023 года. Ford анонсировал более мощную линейку тяжелых грузовиков с множеством доступных новых технологий, отличными стандартными функциями безопасности и уникальными улучшениями, чтобы сделать грузовики более подходящими для конкретных отраслей.

Читать полный обзор

Honda Pilot 2023 года выпуска

Honda Pilot четвертого поколения 2023 года вот-вот поступит в продажу, и Honda существенно модернизирует его по сравнению с популярной моделью третьего поколения, которую он заменяет. Honda предложит обновленный Pilot 2023 года в комплектациях Sport, EX-L, TrailSport, Touring и Elite в декабре 2022 года.0003

Читать полный обзор

2023 Ram 2500 Heavy Duty Rebel Preview

Ram использовал Ярмарку штата Техас 2022 года, чтобы продемонстрировать свой новый 2500 Heavy Duty Rebel, мощный внедорожный грузовик, который сохранил свои возможности рабочего грузовика. Он предлагает хардкорные обновления для бездорожья, такие как задний дифференциал с электронной блокировкой и задний дифференциал повышенного трения.

Читать весь обзор

Читать все статьи

Cummins представляет двигатель 9 со сниженным выбросом NOx на 90 %0001

С момента принятия Правил EPA Tier в 1994 году производители дизельных двигателей добились огромных успехов в повышении экологичности дизельных двигателей. Компания Cummins недавно представила новый двигатель, работающий на природном газе, выбросы которого практически нулевые. Двигатели коммерческих грузовиков и автобусов на семь лет опережают график сверхнизких выбросов, принятый EPA.

Компания Cummins Inc. объединилась с разработчиком природного газа Westport Inc., чтобы создать совместное предприятие Cummins Westport Inc. Новый двигатель с нулевым выбросом оксидов азота — 8,9L beast, дебют которого запланирован на конец 2016 года, а серийное производство начнется в 2017 году. В этом году двигатель завершает полевые испытания, и компания уже принимает заказы после успешного завершения последнего этапа испытаний. Двигатель будет называться ISL G NZ (почти нулевой) и поможет автотранспортным компаниям соблюдать правила, установленные Агентством по охране окружающей среды. Этапы рейтинга уровня с 2023 по 2031 год. Досрочное внедрение двигателя даст многим компаниям фору в достижении соответствия требованиям. ожидаются гораздо более жесткие правила. Cummins также работает над почти нулевыми моделями ISX 12L и ISB 6.7L. Эта технология меняет правила игры как для тех, кто занимается защитой окружающей среды, так и для владельцев автопарков, ищущих возможность перевести старые автопарки с дизельного топлива на природный газ.

Текущий предел EPA для парниковых газов составляет 0,2 г/б/ч-ч. Двигатель ISL G NZ снижает выбросы на 90 % по сравнению с существующими на рынке двигателями, работающими на природном газе. Оксид азота (NOx) является основным побочным продуктом выбросов двигателей внутреннего сгорания и основным загрязнителем смога и вредных частиц озона. Выбросы от Cummins Westport ISL эквивалентны выбросам грузовика или автобуса с электрическим двигателем. Преобразование старого парка автобусов и грузовиков на начальном этапе будет довольно дорогостоящим, но необходимым для соблюдения или превышения требований EPA. Тем не менее, экологические преимущества существенны. Например, парк Лос-Анджелеса состоит из 2250 транзитных автобусов. Преобразование этих автобусов в двигатели, работающие на чистом природном газе, приведет к тому, что парк будет производить столько же выбросов, сколько два автобуса за 19 лет.85. Природный газ также дешевле, чем дизельное топливо, и поставляется в более изобилии, чем дизельное топливо, что в долгосрочной перспективе обеспечивает значительную экономию топлива.

Сертифицировано Агентством по охране окружающей среды США и Калифорнийским управлением по воздушным ресурсам

Двигатель Cummins ISL Near Zero — это первый двигатель, получивший сертификаты по выбросам от Агентства по охране окружающей среды и Калифорнийского совета по воздушным ресурсам за выбросы NOx всего 0,02 г/баррелей в час в час лошадиных сил. Cummins ISL G NZ также соответствует текущим выбросам парниковых газов с сокращением выбросов на 9% по сравнению с текущей моделью ISL G (модель природного газа). Для двигателей, работающих на возобновляемом природном газе (RNG), выбросы парниковых газов могут быть дополнительно снижены. Калифорнийский совет по воздушным ресурсам (CARB) описал двигатель Near Zero как эквивалент грузовика со 100% аккумулятором, использующего электричество от современной электростанции комбинированного цикла, работающей на природном газе. Совет был большим сторонником и сторонником технологии нулевых выбросов и стимулировал Cummins Westport для разработки этой технологии.

Двуокись азота трудно удалить из дизельных двигателей. Текущие технологии включают дополнительный выхлоп (дизельные сажевые фильтры) и (жидкость для дизельных выхлопных газов), которые имеют ограниченный успех в снижении выбросов, но не устраняют их все вместе. Удаление выбросов дизельных двигателей — серьезное дело, просто спросите инженеров Volkswagen, которые прибегли к фабрикации данных о NOx, чтобы соответствовать стандартам Агентства по охране окружающей среды США. Компания была поймана с поличным и столкнулась с расходами в миллиарды долларов, федеральными и государственными штрафами и резким падением продаж, чтобы привести все двигатели в соответствие с требованиями.

Правильная технология выбросов существует уже много лет, и правила EPA Tier вводились в действие поэтапно, чтобы дать компаниям возможность со временем привести их в соответствие. VW просто не хотел тратить дополнительные средства на создание двигателей с достаточным оборудованием для фильтрации выхлопных газов. Теперь они расплачиваются за это.

Компания Cummins приняла активный подход, установив соответствующие системы фильтрации на все свои новые двигатели, и в настоящее время первой среди крупных производителей дизельного топлива (Caterpillar, Cummins, Detroit Diesel, John Deere, International, Mack) внедрила Технология Near Zero NOx.

Команда Cummins решила внедрить технологию почти нулевых выбросов с двигателем, работающим на природном газе, а не с дизельным двигателем. Двигатели, работающие на природном газе, естественным образом производят меньше NOx, чем дизельные двигатели, и команда инженеров использовала это в качестве отправной точки для удаления еще более вредных частиц из потока выхлопных газов. ISL G NZ оснащен стехиометрической технологией сгорания с рециркуляцией охлаждаемых выхлопных газов (SEGR), искровым зажиганием и простой дополнительной обработкой TWC, как и стандартный двигатель, работающий на природном газе. Кроме того, в двигателе реализованы две совершенно новые технологии выбросов: трехкомпонентный каталитический нейтрализатор и закрытая вентиляция коленчатого вала.

Новая технология проектирования выбросов в двигателе Cummins ISL G NZ

Трехходовой каталитический доохладитель — это пассивное устройство, которое очень эффективно контролирует выбросы CO и NOx без дополнительных затрат на техническое обслуживание. Не требуются ни стандартный дизельный сажевый фильтр, ни системы селективного каталитического восстановления. Катализатор ISL G NZ включает в себя датчик температуры в середине каталитического нейтрализатора, подключенный к ECM. Закрытая вентиляция коленчатого вала — это система, устанавливаемая на шасси и предотвращающая выбросы картерных газов, образующиеся при нормальной работе двигателя. Технология работает путем улавливания выбросов картерных газов и перенаправления их через закрытый вентиляционный фильтр коленчатого вала, где масло удаляется перед отправкой газов обратно во впускной коллектор для повторного введения в камеру сгорания. Это снижает выбросы метана, связанные с двигателем, более чем на 75%.

Недостатком двигателя с почти нулевым уровнем выбросов является то, что его стоимость, вероятно, на 10–15 % выше, чем у дизельного автобуса с аналогичным оборудованием. Если вы являетесь владельцем автопарка с сотнями автобусов, эта стоимость может сильно возрасти. Однако помощь уже в пути; в Калифорнии Совет по воздушным ресурсам недавно добавил 2 миллиона долларов к своей программе ваучеров на гибридные и электрические автобусы HVIP для стимулирования покупки двигателей с низким уровнем выбросов NOx. Правление надеется увеличить эту цифру до 23 миллионов долларов в 2016-17 бюджетном году. В долгосрочной перспективе эта технология будет интегрирована во все новые двигатели, и цена для владельцев автопарков станет ниже.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *