Одним из загрязнителей является транспорт. Все виды современного транспорта наносят большой ущерб биосфере, но наиболее опасен для нее автомобильный транспорт. Более половины вредных выбросов приходится на выхлопные газы автотранспорта. Основная причина загрязнения воздуха в данном случае заключается в неполном сгорании топлива. Всего 15% топлива расходуется на обеспечение движения, а 85% - «летит на ветер». К тому же, камера сгорания автомобиля — это своеобразный реактор, синтезирующий химические вещества и выбрасывающий их в атмосферу. Даже невинный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания, преобразуется в ядовитые оксиды азота [1].
Первичные и вторичные загрязнители оказывают действие не только на природу, но и на человека. Загрязнители в своем большинстве канцерогенны. Одна из первопричин загрязнения воздушной среды – последствия использования нефтепродуктов и нефти.
Цель исследования: изучить состав автомобильного топлива, выявив влияние качества топлива на работу двигателя внутреннего сгорания и окружающую среду.
Задачи исследования:
1. Изучить принцип работы двигателя внутреннего сгорания.
2. Изучить физические свойства и состав бензина и метана, дать их сравнительную характеристику.
3. Выявить взаимосвязь между качеством моторного топлива и веществами, загрязняющими окружающую среду.
Актуальность исследования состоит в том, что в больших городах первенство в загрязнении атмосферы переходит от промышленности к транспорту, а это является важнейшей экологической проблемой.
- Двигатель внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания – это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС относятся к относительно несовершенному типу тепловых машин (сильный шум, токсичные выбросы, небольшой ресурс), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) ДВС очень широко распространены на транспорте.
В двигателе внутреннего сгорания камерой сгорания является цилиндр, где химическая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.
По типу используемого топлива различают: бензиновые; роторные; газовые; газодизельные двигатели.
- Физические свойства и состав бензина и метана.
Бензины – смесь углеводородов различного строения С4 – С12 (идентифицировано около 200 углеводородов). Это жидкости с температурой кипения 35-195°С, плотностью 0,7-0,78 г/см. 10% массы бензинов должны перегоняться при температуре 68-79°С. Это так называемая пусковая фракция, от ее характеристик зависит легкость запуска двигателя. Состав бензина зависит от состава нефти, из которой его получают. Элементный анализ и только в тяжелой смолистой нефти их содержание более значительно. Природные нефти и продукты их перегонки – бензины – содержат парафиновые (метановые), циклические (насыщенные) и ароматические углеводороды. В незначительных количествах иногда встречаются ненасыщенные углеводороды. УГЛЕРОД 82-87% ВОДОРОД 11-15% КИСЛОРОД, АЗОТ, СЕРА не более10%.
Важнейшая количественная характеристика топлива, на основе которой определяется его сортность и применимость в двигателях той или иной конструкции – детонационная стойкость. Детонационная стойкость — параметр, характеризующий способность углеводородного (или любого иного) топлива противостоять самовоспламенению при сжатии.
Высокая детонационная стойкость бензинов обеспечивает их нормальное сгорание на всех режимах эксплуатации двигателя. При сжатии рабочей смеси, температура и давление повышаются, и начинается окисление углеводородов, которое интенсифицируется после воспламенения смеси. Если углеводороды несгоревшей части топлива обладают недостаточной стойкостью к окислению, начинается интенсивное накапливание перекисных соединений, а затем — их взрывной распад. При высокой концентрации перекисных соединений, происходит тепловой взрыв, который вызывает самовоспламенение топлива.
- Сравнительный анализ основных характеристик бензина и метана.
|
Показатель |
Метан СН4 |
Бензин |
|
Молекулярная масса, кг/моль |
16 |
114 |
|
Плотность жидкости (при нормальных условиях) |
- |
720-740 |
|
Критическая температура |
-82,1 |
- |
|
Низшая теплота сгорания (массовая) МДж/кг |
48,7 |
43,9 |
|
Октановое число |
110 |
84 |
|
Температура воспламенения |
640 |
330 |
Метан в своем составе не имеет свинца, что делает выхлоп при его сгорании экологически более чистым, чем у бензина.
Молекулярная массау метана ниже, чем у бензина, следовательно, наполнение цилиндров горючей смесью, при прочих равных условиях, будет ниже, чем у бензина. Это минус, так как ведет к снижению мощности ДВС.
Плотность жидкости – характеризует объем сосуда для хранения жидкой фазы топлива. Мы видим, что для одной и той же массы для бензина нужен объем меньше, чем для метана. Это – минус.
Критическая температура. Углеводородные газы, имеющие критическую температуру значительно выше обычных температур окружающей среды, легко сжижаются и хранятся в сжиженном состоянии при относительно небольшом давлении. Они хранятся в достаточно легких емкостях, позволяющих их использовать для питания двигателей легковых и малотоннажных грузовых автомобилей.
А метан, у которого критическая температура значительно ниже (минус 82,1 °C), будет при любом давлении в газообразном состоянии, и для его использования в качестве газового топлива его содержат в баллонах под давлением 20 МПа.
Низшая теплота сгорания у всех газов больше, чем у бензина. Это является преимуществом газового топлива и компенсирует пониженное наполнение цилиндров из-за малой относительной плотности газа.
Октановое число у метана значительно выше, чем у бензина. Это большое преимущество газа, позволяющее избавить двигатель от детонации, увеличить его мощность за счет увеличения степени сжатия и снизить расход топлива.
Температура воспламенения. Не в пользу газа. Это ухудшит пусковые качества двигателя.
На основе рассмотренных физико-химических свойств газовых топлив можно утверждать, что они безусловно превосходят бензиновые по следующим параметрам:
– позволяют добиваться более высоких мощностных и топливно-экономических показателей, чем у аналогичных по способу организации рабочего процесса бензиновых двигателей;
– по экологическим показателям выхлопа значительно превосходят бензины.
Достаточно отметить, что коэффициент полезного действия газовых двигателей достигает 38–40 % в широком диапазоне режимов. Для сравнения укажем, что коэффициент полезного действия бензинового двигателя составляет лишь 30–35 % и только на наиболее экономичных режимах работы.
Особенно усложнено приготовление смеси для бензиновых двигателей при низких температурах атмосферного воздуха вследствие того, что бензин в этих условиях плохо испаряется. При газовом топливе приготовление равномерной смеси не вызывает труда.
Отмечается, что токсичность выпускных газов при работе на природном газе на 90 % ниже токсичности выпускаемых газов бензиновых двигателей.
Естественно, сразу же возникает вопрос: «А почему же мы до сих пор не перешли все на газовое топливо для автомобилей?»
Это связано, в первую очередь, со сложностью создания резервов топлива. Как отмечалось выше, только сейчас размах газификации нашей страны принял такие размеры, которые могут позволить создать необходимую сеть газозаправочных станций для автомобилей.
Система хранения необходимых для бесперебойной работы транспорта запасов газа оказывается чрезвычайно громоздкой и требует значительных капитальных вложений. Достаточно сказать, что стоимость емкостей для хранения часового запаса сжатого газа в несколько раз превышает стоимость компрессора такой же часовой производительности. Стоимость емкостей для длительного хранения сжиженного газа оказывается еще выше вследствие применения дорогостоящих материалов.
И сейчас при определении рентабельности, а то и смысла перехода на газовое оборудование, необходимо учитывать наличие газозаправочных станций в регионах использования автомобиля.
Применение двухтопливных двигателей, способных одинаково надежно работать как на газовом, так и на жидком топливе, частично решает эту проблему. Такие двигатели могут работать как на бензине, так и на газе, или на дизельном топливе и на газе. Но это накладывает свой отпечаток на использование свойств газа, как топлива для двигателей внутреннего сгорания, лишая возможности полной реализации его серьезных преимуществ, таких, как повышение мощности и улучшение топливной экономичности за счет увеличения степени сжатия.
Для полного использования преимуществ газового топлива перед бензинами необходимо конструировать двигатели специально под газовое топливо, что требует серьезной перестройки автомобильной промышленности.
Необходимо создать легкие, высокопрочные и дешевые баллоны для содержания газового топлива в количестве, которое обеспечивает межзаправочный пробег для автомобиля не менее 400 км при минимальных размере и весе.
Вывод: Применение газового топлива заметно снижает суммарную токсичность отработавших газов (выхлопа) – окиси углерода СО, двуокиси азота NO2, углеводородов CH. Вредных соединений свинца в отработанном газовом топливе вовсе не существует.
Дымность выхлопа в режиме свободного ускорения при работе на газовом топливе в 3 раза ниже, чем при работе на бензине. При правильно выбранном режиме работы двигателя снижается и уровень шума, что особенно важно в условиях города. И, наконец, стоимость требуемого газового топлива ниже стоимости бензина на величину, позволяющую окупить затраты на приобретение и установку газового оборудования за 25–30 тыс. км пробега с учетом его большего расхода на единицу пути.
Литература:
- Аксёнов, И.Я., Аксёнов, В.И. Транспорт и охрана окружающей среды. – М.: Транспорт, 1986.
- Голубев, И.Р., Новиков, Ю.В. Окружающая среда и транспорт. – М.: Транспорт, 1987.
- Якубовский, Ю. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды. – М.: Транспорт, 1979.
