Экологические последствия работы двигателя внутреннего сгорания. Альтернативные транспортные средства
План
- Что такое тепловой двигатель, двигатель внутреннего сгорания
- История создания теплового двигателя
- Современные виды двигателей внутреннего сгорания
- Экологические проблемы
- Способы решения экологических проблем
Тепловым двигателем
называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию
Виды современных тепловых двигателей:
- Двигатели внутреннего сгорания (ДВС)
- Газотурбинные
- Ракетные
- Ядерные
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, который преобразовывает теплоту сгорания топлива в механическую работу.
По сравнению с паромашинной установкой двигатель внутреннего сгорания принципиально проще :
• нет парокотельного агрегата.
• компактнее
• легче
• экономичнее
• требует жидкое топливо лучшего качества.
РАЗЛИЧАЮТ ДВС:
- Бензиновые
- Бензиновые карбюраторные;
- Бензиновые инжекторные;
- Дизельные, с воспламенением от сжатия;
- Газовые;
- Газодизельные;
- Роторно-поршневой;
- Комбинированный двигатель внутреннего сгорания.
По способу осуществления рабочего цикла :
• четырехтактные
• двухтактные
По числу цилиндров :
• одноцилиндровые
• двухцилиндровые
• многоцилиндровые
Газотурбинный двигатель:
Газотурбинный двигатель (ГТД) - тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Рабочий процесс ГТД может осуществляться с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объёме.
Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами.
Ракетный двигатель
Ракетный двигатель (РД) - реактивный двигатель, использующий для своей работы только вещества и источники энергии, имеющиеся в запасе на перемещающемся аппарате (летательном, наземном, подводном). Т. о., в отличие от воздушно-реактивных двигателей, для работы РД не требуется окружающая среда (воздух, вода).
Ядерный двигатель
Ядерный двигатель использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.
Традиционный ЯД в целом представляет собой конструкцию из ядерного реактора и собственно двигателя. Рабочее тело (чаще - аммиак или водород) подаётся из бака в активную зону реактора где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.
Экологическая обстановка
Загрязнение от тепловых двигателей:
- Химическое
- Радиоактивное
- Тепловое
КПД тепловых двигателей менее 40%, вследствие чего более 60% теплоты двигатель отдает холодильнику.
При сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.
Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, азотных, серных и других соединений
Влияние на человека и окружающую среду
- Вибрации, резонансные колебания негативно влияют на внутренние органы и психику;
- Угарный газ, наличие смертельных исходов;
- Загрязнение воды, рек, озер при мытье и со стоком;
- Низкий КПД из-за потерь тепла, усиливает парниковый эффект;
- Негативно влияют на растительный и животный мир, вызывая мутации, губят грибы, ягоды, коллективные сады;
- Продукты жизнедеятельности двигателей делают почву нежизнеспособной;
- Выхлопы вызывают раковые заболевания;
- Выхлопы способствуют токсикомании, ведущей к деградации;
- Истощение природных ресурсов, их сжигание вместо тонкой переработки.
Меры предотвращения загрязнений среды
- Снижение вредных выбросов
- Контроль за выхлопными газами, модификация фильтров
- Совершенствование имеющихся конструкций тепловых двигателей
- Использование альтернативных видов топлива
1. Электромобили
Электромобиль — автомобиль, приводимый в движение одним или несколькими электродвигателями с питанием от автономного источника электроэнергии (аккумуляторов, топливных элементов и т. п.), а не двигателем внутреннего сгорания. Электромобиль следует отличать от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания и электрической передачей, а также от троллейбусов и трамваев.
Достоинства электромобиля
- Отсутствие вредных выхлопов;
- Более высокая экологичность;
- Простота техобслуживания, большой межсервисный пробег, дешевизна;
- Низкая пожаро- и взрывоопасность при аварии;
- Простота конструкции (простота электродвигателя и трансмиссии; отсутствие необходимости в переключении передач);
- Возможность подзарядки от бытовой электрической сети (розетки), но такой способ в 5—10 раз дольше, чем от специального высоковольтного зарядного устройства;
- Массовое применение электромобилей смогло бы помочь в решении проблемы «энергетического пика» за счёт подзарядки аккумуляторов в ночное время;
- Меньший шум;
- Возможность торможения самим электродвигателем без использования механических тормозов — отсутствие трения и соответственно износа тормозов;
- Простая возможность реализации полного привода и торможения путем применения схемы «мотор-колесо», что позволяет легко реализовать систему поворота всех четырех колес, вплоть до положения перпендикулярного кузову электромобиля.
Недостатки электромобиля
- Имеющиеся высокоэнергоёмкие аккумуляторы либо слишком дороги из-за применения драгоценных или дорогостоящих металлов , либо работают при слишком высоких температурах;
- При резких стартах тяговые АКБ теряют много энергии;
- Проблемой является производство и утилизация аккумуляторов, которые часто содержат ядовитые компоненты и кислоты;
- Часть энергии аккумуляторов тратится на охлаждение или обогрев салона автомобиля, а также питание прочих бортовых энергопотребителей ;
- Для массового применения электромобилей требуется создание соответствующей инфраструктуры для подзарядки аккумуляторов («автозарядные» станции);
- При массовом использовании электромобилей в момент их зарядки от бытовой сети возрастают перегрузки электрических сетей ;
- Длительное время зарядки аккумуляторов;
- Малый пробег от одного заряда;
- Ухудшение характеристик батарей на холоде.
2. Природный газ
представляет собой альтернативный вид топлива, которое полностью сгорает и уже сейчас повсеместно доступно потребителям многих стран за счет снабжения природным газом домов и производственных объектов. При использовании в транспортных средствах, работающих на природном газе (автомобилях и грузовиках со специально спроектированными двигателями), природный газ дает значительно меньше вредных выбросов, чем бензин или дизельное топливо.
« + » и « - » природного газа
+Газ дешевле, чем бензин или дизельное топливо
+ Долгая служба двигателя
+ Экологичность
+Мобильность
+Пожаробезопасность
- Малое количество заправок и сервисов по ремонту
- Снижение мощности и динамических характеристик автомобиля
- Невозможность использования при низких температурах и особое внимание при высоких
- Увеличение веса автомобиля и ограничение объёма багажного отделения
- Опасность утечки газа
+
3. Водород
Водород можно смешивать с природным газом для создания альтернативного вида топлива для транспортных средств, в которых используются некоторые виды двигателей внутреннего сгорания. Водород также используется в транспортных средствах с топливными элементами, работающими на электричестве, вырабатываемом в результате реакции, которая происходит при соединении водорода и кислорода в топливной ячейке.
«+»: Экологичность, высокая температура горения «-»: Отсутствие инфраструктуры при активных разработках
4. Пропан
Пропан, также называемый сжиженным нефтяным газом, представляет собой побочный продукт переработки природного газа или сырой нефти. Он уже широко используется в качестве топлива при приготовлении пищи и для отопления; пропан также является распространенным альтернативным видом топлива для транспортных средств. При использовании пропана производится меньше вредных выбросов в атмосферу, чем при использовании бензина, кроме того, имеется высокоразвитая инфраструктура для транспортировки, хранения и распространения пропана.
«+»: Нетоксичность, высокое октановое число, оснащённость инфраструктурой АЗС
«-»: Опасность нахождения баллона под высоким давлением в автомобиле
5. Биодизельное топливо
Биодизельное топливо представляет собой альтернативный вид топлива на основе растительных масел или животных жиров, даже тех, которые остаются в ресторанах после приготовления пищи.
«+»: Двигатели транспортных средств можно модифицировать так, чтобы можно было сжигать биодизельное топливо в чистом виде; биодизельное топливо можно также смешивать с углеводородным дизельным топливом и использовать в неадаптированных двигателях. Биодизельное топливо безопасно, поддается биохимическому разложению и снижает содержание веществ, загрязняющих воздух таких как, твердые примеси, монооксид углерода и углеводороды.
«-»: долгого прогревания двигателя зимой; изкий срок хранения (3 месяца) удорожание сельхозпродуктов в случае широкого потребления биодизеля
6. Метанол
Метанол, также известный, как древесный метиловый спирт, может использоваться в качестве альтернативного вида топлива в транспортных средствах с универсальной топливной системой, которые спроектированы для работы на M85, смеси, содержащей 85% метанола и 15% бензина. Но в наши дни не производят транспортных средств с метаноловыми двигателями. Тем не менее, в будущем метанол может стать важным альтернативным видом топлива в качестве источника водорода, который необходим для работы топливных элементов.
7. Этанол
Этанол (еще называется этиловым спиртом или хлебным спиртом) представляет собой альтернативный вид топлива, его можно смешивать с бензином для получения топлива с более высоким октановым числом и меньшим содержанием вредных веществ в выбросах по сравнению с чистым бензином. Этанол производится за счет брожения зерновых продуктов таких как: кукуруза, ячмень или пшеница; и дистилляции. Также его можно производить из многих видов трав и деревьев, хотя здесь технология будет более сложной, в таком случае эго называют биоэтанолом. В соответствии с Законом об энергетической политике от 1992 г. смеси, содержащие не менее 85% этанола, считаются альтернативными видами топлива.
«+»: Хорошая возгораемость
«-»: Практически невозможность использования зимой, удорожание сельхоз-продуктов в случае широкого потребления этанола. В странах, где нефть не добывается, использовать этанол невыгодно
8. Виды топлива серии P
Топливо серии P представляет собой смесь этанола, газоконденсатной жидкости и метилтетрагидрофурана, вспомогательного растворителя, полученного из биомассы. Виды топлива серии P представляют собой прозрачные альтернативные виды топлива с высоким октановым числом, которые можно использовать в транспортных средствах с универсальной топливной системой. Топлива серии P можно использовать в чистом виде или в смеси с бензином в любом соотношении путем простого добавления бензина в бак.
9. Простые эфиры
Простые эфиры в качестве топлива имеют то преимущество перед спиртами, что они лучше растворяются в топливах, менее гигроскопичны и менее коррозионно агрессивны. Эфиры традиционно добавляют в автомобильные бензины. В последние годы обозначился интерес к диметоксиметану, диметиловому и диэтиловому эфирам как к компонентам дизельного топлива. В большой степени это объясняется их хорошей воспламеняемостью в двигателе и, следовательно, высокими цетановыми числами.
