Одна из глобальных проблем сегодняшнего дня — чистота окружающей среды. Источником загрязнения ее в немалой степени является двигатель внутреннего сгорания, занявший ведущее место на транспортных средствах, в том числе — на катерах и мотолодках.
Конечно, условия работы таких двигателей на катерах и мотолодках существенно отличаются от условий на наземном транспорте в первую очередь тем, что, как правило, на катере двигатель работает в постоянном режиме. Это благоприятно (с точки зрения токсичности) сказывается на составе отработавших газов.
В предлагаемой вниманию читателей статье Г. Б. Либефорта рассказывается о современных методах снижения токсичности двигателей внутреннего сгорания.
Есть множество проектов замены двигателя внутреннего сгорания. Перспективным, в частности, представляется «стирлинг» — двигатель внешнего сгорания (сборник №27). Доктор технических наук, профессор А. С. Орлин, на кафедре которого в МВТУ им. Баумана проводятся исследования Стирлингов, говорит: «Они могут совместить в себе лучшие качества существующих двигателей — экономичность дизеля, легкость бензинового мотора, неприхотливость к топливу и надежность паровой машины. Кроме того, они бесшумны и выбрасывают в атмосферу ничтожное количество токсичных веществ». Однако до практического внедрения этого и многих других проектов путь длинный и тернистый.
На ближайшие два десятилетия поршневой двигатель внутреннего сгорания останется основным типом массовой транспортной силовой установки. Поэтому неудивителен повсеместный интерес к проблеме снижения токсичности такого двигателя.
В выхлопных газах бензиновых двигателей содержится около 200 компонентов, в принципе вредных для здоровья человека и окружающей среды. Важнейшие из них — окись углерода, углеводороды, окислы азота, сажа и свинец. Содержание окиси углерода на отдельных режимах работы такого двигателя может составлять 12%. Еще опаснее окиси углерода окислы азота. Двуокись азота, в частности, участвует в фотохимической реакции образования «смога». Свинцовые соединения образуются из тетраэтилсвинца, добавляемого в бензин в качестве антидетонатора. При использовании сернистых топлив в состав отработавших газов входят окислы серы.
Трудность решения проблемы снижения токсичности двигателя состоит в том, что нужно одновременно выполнить ряд противоречивых требований. Например, снижение в выхлопных газах концентрации окиси углерода и углеводородов, которое достигается только при полном сгорании, в то же время неизбежно увеличивает содержание окислов азота, образующихся при высоких температурах.
Теоретические и экспериментальные разработки показывают возможность снижения токсичных выбросов поршневых двигателей внутреннего сгорания улучшением процесса сгорания топлива: применением форкамерно-факельного зажигания, уменьшением неравномерности распределения смеси по цилиндрам, повышением топливной экономичности, применением устройств для ранней газификации топлива, оснащением системой впрыска бензина, электронным управлением цикловой подачей, системой рециркуляции отработавших газов, системой для улавливания бензиновых паров, испаряющихся из бензобака и карбюратора, и другими усовершенствованиями.
Возлагаются надежды на карбюраторный двигатель с послойным сгоранием рабочей смеси, в котором богатая и бедная топливовоздушные смеси размещаются в различных зонах камеры сгорания. Сначала поджигается богатая смесь, при сгорании которой вследствие низкой температуры не образуются окислы азота. Затем сгорание переносится в зону с бедной смесью, при сгорании которой происходит дожигание углеводородов и окиси углерода.
Большой интерес в вопросе снижения токсичности выбросов в атмосферу представляет замена жидкого топлива газообразным.
Двигатели внутреннего сгорания, работающие на сжиженном нефтяном газе, в 4—5 раз менее токсичны, чем бензиновые, но несколько уступают в динамике и хуже запускаются в холодную погоду.
Применение природного газа позволяет еще больше снизить токсичность выхлопа.. Кроме того, закрытая система топливоподачи при применении как нефтяного, так и природного газа полностью исключает испарение топлива в окружающую среду.
С целью значительного снижения токсичности отработавших газов предпринимаются попытки перевода автомобильных двигателей на водородное топливо. По стоимости на одну милю пробега водород в США уже сейчас дешевле бензина (2,5 цента против 3,5). Появляются сообщения об удачном решении проблемы хранения водорода на автомобиле, исключающем возможность взрыва в случае аварии.
При применении в качестве окислителя воздуха продуктами сгорания водорода являются вода и окислы азота. Если же применить кислород, то из выхлопной трубы выходил бы только водяной пар. Для широкого применения водорода в качестве топлива автомобильных двигателей необходимо решить вопросы расширения его производства и хранения в условиях эксплуатации.
Большое влияние на токсичность отработавших газов оказывает техническое состояние двигателя. Правильно отрегулированный двигатель выделяет в 10 и более раз меньше окиси углерода, чем двигатель плохо отрегулированный или неисправный.
Наиболее простой и доступный способ снижения токсичности отработавших газов заключается в регулировке дозирующих элементов карбюратора и параметров системы зажигания. Малотоксичная регулировка системы холостого хода карбюратора винтом качества смеси позволяет привести в соответствие с требованиями ГОСТ 16533—70 практически все отечественные автомобильные карбюраторные двигатели. Кроме снижения выброса окиси углерода и углеводородов в результате малотоксичной регулировки часовой расход топлива на холостом ходу уменьшается на 25÷40%.
Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе в дополнение к малотоксичной регулировке двигателя позволяет значительно уменьшить выделение окиси углерода и углеводородов. Это дополнительное средство может удовлетворить постоянно ужесточающиеся нормы токсичности отработавших газов. Дизельные самосвалы «БелАЗ-540» оборудуются каталитическими нейтрализаторами НКД-241. Нейтрализатор устанавливается вместо глушителя и выполняет также и его функции. В качестве катализатора применяют благородные металлы: для дизелей платину, для бензиновых двигателей палладий, что, конечно, ограничивает применение этих нейтрализаторов.
Для очистки отработавших газов дизелей в основном от сажи и специфического запаха применяются жидкостные нейтрализаторы, которые могут использоваться в сочетании с каталитическими.
Впрыск воды в дизелях снижает температуру отработавших газов на 50÷70 °С, что способствует уменьшению образования окислов азота и увеличивает срок службы каталитических нейтрализаторов.
В любой энергетической установке с бензиновым двигателем имеется два места, откуда испаряется бензин: вентиляционные отверстия бензобака и карбюратора.
Испарение из бензобака определяется температурой наружного воздуха, а также зависит от места расположения бака (нагрев бака солнечными лучами и т. п.). Интенсивное испарение из поплавковой камеры происходит после остановки двигателя, когда карбюратор нагревается теплом от мотора (при работе двигателя карбюратор охлаждается засасываемым воздухом).
Разработана система улавливания паров бензина, экспонировавшаяся на выставке «Охрана труда-75». Применение этой системы снижает выделение бензиновых паров в атмосферу до 2 г в сутки (вместо 30÷50 г).