Нужен ли нашему городу экологически чистый транспорт

Наш город Волгореченск – это город энергетиков. В нем находится крупнейшая в России электростанция - Костромская ГРЭС. Она и многочисленный автомобильный транспорт в достаточной степени отравляют окружающую среду и людей.

Изменится ли экологическая ситуация в нашем городе, если появится экологически чистый транспорт?

Никто никогда не задумывался: необходим ли нашему городу такой транспорт? Что думают об этом жители нашего города? Знают ли они вообще о существовании таких двигателей? Своим исследованием мы решили ответить на эти и многие другие вопросы.

Различные виды двигателей, работающие на экологически чистом топливе

Чтобы понять, нужен ли нашему городу экологически чистый транспорт, мы для начала систематизировали информацию о уже существующих видах двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих на альтернативном топливе. К нашему удивлению их оказалось очень много: от самых «простых», работающих на смеси бензина, специальных присадок и различных катализаторов до двигателей, работающих полностью на альтернативном топливе.

Газовые ДВС

Первыми экологически чистыми ДВС, о которых нам хочется сказать являются газовые двигатели.

В качестве топлива в таких автомобилях используется природный газ. Конструкция ДВС на газе принципиальным образом не отличается от обычных двигателей, работающих на традиционном топливе.

Преимущество работы ДВС на газе - экологически чистое топливо, меньшая его стоимость, увеличение пробега двигателя до капитального ремонта в 2 раза. В России выпускаются модификации комплекта газобаллонной аппаратуры на следующие легковые автомобили: ВАЗ, ГАЗ, УАЗ, на грузовые автомобили ЗИЛ, ГАЗ, микроавтобусы УАЗ, ГАЗель, автобусы ПАЗ, а также легковые автомобили импортного производства.

Сейчас естественно, что большие надежды возлагают на "летучего брата" нефти – природный газ. Однако не следует забывать, что это тоже не возобновляемый источник энергии. И хотя нынешние его запасы значительно превосходят запасы нефти – их, по расчетам, должно хватить более чем на столетие, однако активное замещение газом потребностей мировой экономики в нефти может резко сократить срок исчерпания этих запасов.

ДВС на водоэтанольных смесях

Наиболее рациональным топливом, решающим глобальные проблемы, могло бы быть топливо, участвующее в кругообороте веществ в природе. Естественными генерируемыми самой природой являются топлива из растительного сырья. При их использовании не происходит роста содержания СО2 в атмосфере. Из топлив растительного происхождения наиболее привлекательным является этанол. Это объясняется, с одной стороны, доступностью и простотой технологии его производства из разнообразного растительного сырья. С другой стороны, благодаря содержанию кислорода в топливе, проще организовать его полное и экологичное сгорание. К тому же смеси этанола с водой не расслаиваются, что очень важно для ограничения выбросов окислов азота.

Экспериментально показана принципиальная возможность осуществления эффективного рабочего процесса на водных растворах этанола и возможность осуществления уверенного пуска двигателя.

В настоящее время большие надежды возлагаются на использование топливных элементов, работающих на водороде. Но на сегодняшний день и в ближайшей перспективе стоимость единицы механической энергии получаемой в них во много раз превосходит и будет превосходить стоимость единицы энергии, вырабатываемой на базе нефти или спирта.

Есть основания полагать, что при работе на спиртоводовоздушных смесях и использования смазки водой возможно получение ДВС с практически нулевой токсичностью отработавших газов, т. е. не уступающего по экологическим показателям топливным элементам, работающим на водороде. В совокупности с другими показателями (быстрота пуска, стоимость, динамические характеристики, удельные показатели по весу и габаритам и т. д. ) ДВС на спиртоводовоздушных смесях заметно их превосходят.

Таким образом, учитывая масштабность производства этанола, достаточное количество исходного органического сырья для его производства, возможность сжигания водных растворов спирта (до 70%), удобство использования жидкого топлива, возможность использования для транспортировки спирта инфраструктуры светлых нефтепродуктов делает его наиболее вероятной альтернативой топливам из нефти.

Конечно, быстро переориентация экономики на этанол не произойдет, следует ожидать эволюционного пути развития в этом направлении. Разработанный унифицированный рабочий процесс позволяет работать не только на водоэтанольных смесях, но и на любых современных товарных топливах, что дает возможность перейти на топлива широкого фракционного состава и увеличить долю используемых нефтепродуктов. При этом имеется возможность не только объединить, но и превзойти лучшие качества двух базовых типов двигателей (удельную мощность и габариты бензинового двигателя, топливную экономичность дизеля).

ДВС на воде

В то время как вода (H2O), на первый взгляд не представляется столь уж очевидным источником энергии, она имеет одно ключевое достоинство: она практически неисчерпаемый источник водорода, элемента, широко рекламируемого, как зеленое топливо будущего.

Если бы водород можно было извлекать по первому требованию, это устранило бы много препятствий, которые до настоящего времени не давали воплотиться давней мечте о переводе автомобилей на водяное топливо.

Производство водорода обычным индустриальным способом дорого, неэффективно и ведет все к тому загрязнению окружающей среды. Кроме того, есть проблемы хранения и транспортировки водорода. Резервуары, находящиеся под определенным давлением, которые необходимы для содержания нужного количества годного к употреблению топлива, тяжелы, что ограничивает работу автомобиля и его пробег.

Сейчас разработана схема, которая позволяет обойти все эти проблемы. Заставляя воду вступать в реакцию с бором, элементом периодической системы Д. И. Менделеева, производят водород, который может использоваться в двигателе внутреннего сгорания или питать топливный элемент для производства электричества.

Задача заключается в том, чтобы производить водород прямо в машине и в количествах необходимых для нормальной работы автомобильного двигателя. Мы хотим использовать бор, чтобы сэкономить на транспортировке и хранении водорода".

Единственный побочный продукт - окись бора, которая может быть удалена из автомобиля, вновь преобразована в бор, который будет использоваться снова. К тому же это можно делать на заводе, работающем на солнечной энергии, то есть весь цикл полностью исключает выброса в атмосферу вредных веществ.

Ученые подсчитали, что автомобиль должен иметь в запасе всего 18 килограммов бора и 45 литров воды. Это дает возможность получить 5 килограммов водорода, который имеет то же содержание энергии, что и 40-литровый бак традиционного топлива.

Подход типа "водород по первому требованию" базируется на элементарной химии. Такие элементы, как натрий и калий известны своими сильными реакциями с водой, приводящие к выделению водорода и освобождению кислорода, они как бы нарушают их устойчивый союз. Бор делает то же самое, но темпами этой реакции проще управлять. Он не требует, чтобы реакцию как-то сдерживали, кроме того, это легкий материал. Когда весь бор израсходован, окись бора, которая остается в двигателе, может быть подвергнута переработке и повторному использованию. Мы утверждаем, что эксплуатационные расходы будут сопоставимы с теми, которые идут на эксплуатацию сегодняшних бензиновых двигателей.

Например, в Германии уже разработан экологически чистый скутер с водородным двигателем.

Новая немецкая модель по техническим характеристикам не отличается от работы двухтактного скутера с двигателем объемом 50 куб. см, но вместо углеводорода его электрический мотор выделяет воду. Все дело в том, что скутер Aqwon работает на водороде, и в отличие от других подобных машин, которые еще только разрабатывают, он уже продается.

Скутер не будет хорошей машиной для автомагистралей, так как двухтактный мотор мощностью 2,6 кВт позволяет развивать максимальную скорость около 50 км/ч, зато он представляет собою совершенно новое, экологически чистое транспортное средство, которое с успехом можно использовать для поездок по городу.

Самой большой проблемой при использовании водородного топлива является безопасное хранение сжатого газа. В данном случае, разработчики бака для хранения топлива под давлением 50 бар решают эту проблему за счет системы HERA Hydrogen Storage. В случае аварии топливо в баке просто замерзнет, поэтому воспламенение или взрыв исключаются. Процесс заправки скутера прост и занимает несколько минут.

Самое удивительное, что все это – уже не фантастика или футурология, а вполне реальные вещи. Первый прорыв произошел в 1992 г. , когда канадская Ballard Power Systems продемонстрировала автобус, работающий на водороде. Мощность его двигателя составляла 150 киловатт, что в 15 раз превысило ожидания инженеров. Затем, в 1994 г. , Volkswagen создал легковой водородный автомобиль ("Фольксваген Гибрид"). Через год компания General Motors продемонстрировала электромобиль – EV1, а в 1997 г. Toyota создала первый массовый автомобиль, работающий на бензине и электричестве. Массовые продажи автомобилей, работающих на альтернативном топливе, начались в 2002 году. Недавно концерн BMW выпустил свой автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, который работает на водороде. А в США уже активно изучаются возможности использования технологии водородных топливных ячеек для энергопитания военной бронетехники.

Сферовинтовые ДВС

В винтовом ДВС происходит преобразование химической энергии топлива в механическую энергию агрегатов и преобразование поступательного движения во вращательное. Он состоит из трех частей, объединенных корпусом. В первой происходит сжатие воздуха или топливовоздушной смеси, вторая играет роль камеры сгорания (точнее, возгорания), а третья предназначена для дожигания топливовоздушной смеси и преобразования энергии газов в энергию вращения выходного вала винтового ДВС. Назовем эти части, соответственно, компрессор, камера сгорания и турбина.

Центральные элементы компрессора и турбины соединены друг с другом, а также с выходными валами. Их конструкция принципиально одинакова; они имеют сложную коническую сферовинтовую поверхность, полученную путем "переката" сфер различных радиусов по винтовой траектории на боковой поверхности конуса. Радиусы сфер убывают по определенному закону по мере их движения.

Боковые элементы сателлитов компрессора и турбины также имеют принципиально одинаковую конструкцию со сложной вогнутой конической сферовинтовой поверхностью, образованной "перекатом" шариков по боковой поверхности, но с одним отличием: "перекат" выполнен внутри образующего конуса.

При соединении центрального тела и сателлитов в одном корпусе образуется планетарная коническая зубчатая передача со сходящимися в одной точке осями вращения всех зацепляющихся между собой пар элементов. При этом в каждой такой паре происходит непрерывное одновременное многополюсное сферовинтовое коническое зацепление.

Отличительной чертой этого зацепления является то, что контактирующие поверхности перекатываются друг по другу без скольжения.

По мере вращения элементов происходит перемещение линий зацепления в сторону уменьшения диаметра конструкции (для компрессора) или его увеличения (для турбины). Отсюда имеем два качества:

1) объемы, образованные сферовинтовыми поверхностями каждой пары элементов и внутренней поверхностью корпуса в пределах между линиями зацепления, являются замкнутыми;

2) при вращении элементов зацепления эти объемы перемещаются вслед за линиями зацепления. В компрессоре они уменьшаются, а в турбине - увеличиваются.

Принцип работы ДВС состоит в следующем. При вращении его элементов от устройства запуска (стартера) компрессор через впускные окна захватывает воздух и проталкивает его, одновременно сжимая в уменьшающихся объемах, в камеру сгорания. Сюда же впрыскивается топливо, которое, по аналогии с дизелем, воспламеняется из-за высокой температуры сжатого воздуха. Далее горящая топливовоздушная смесь попадает в узкую часть турбины. Здесь в пределах замкнутых объемов смесь догорает, и образующиеся при этом газы, как бы раздвигая границы замкнутых объемов, совершают работу - заставляют вращаться все элементы сферовинтового конического зацепления турбины.

Работа этого двигателя возможна и по схеме бензинового ДВС, то есть в компрессор может подводиться топливовоздушная смесь, а в камере сгорания в этом случае осуществляется ее поджог. Все другие процессы аналогичны.

Важнейшее достоинство предлагаемой конструкции состоит в том, что она свободна от главного недостатка осепоршневых ДВС - наличия механической системы с возвратно-поступательным движением.

К другим достоинствам конструкции винтового ДВС перед осепоршневым следует отнести следующие: отсутствие трения скольжения; теоретически неограниченную степень сжатия компрессора и, соответственно, степень расширения турбины; широкий рабочий диапазон оборотов двигателя, возможность работы при высокой частоте вращения; простоту конструкции; отсутствие несбалансированных масс, низкий уровень шума; небольшие массу и габариты; возможность работы на любых видах жидких и газообразных топлив; возможность введения в зону горения реагентов для улучшения характеристик; высокую удельную мощность и коэффициент полезного действия двигателя.

Проведенные расчеты показали, что шестикамерный ДВС со степенью сжатия-расширения 20, при работе на смеси метан-воздух способен развить мощность до 125 кВт при частоте вращения выходного вала 7000 об/мин. При этом его длина составит 460 мм, максимальный диаметр по турбине - 199 мм, а КПД будет в пределах 6070 %.

Вполне естественно, что есть у винтового ДВС и "оборотная сторона медали". Это трудности, связанные с технологией и материалами для изготовления деталей со сферовинтовыми поверхностями. Однако выполненные исследования свидетельствуют, что сегодня все эти трудности преодолимы.

Мечты автомобилестроителей, авиаторов, судостроителей, создателей других механических средств об экономичном, малогабаритном, экологически чистом ДВС приобретают реальные очертания.

Основываясь на научных исследованиях по химическому составу выхлопных газов бензинового и дизельного автотранспорта:

№ Компоненты выхлопных газов Бензиновый двигатель, г/мин Дизельный двигатель, г/мин

1. Оксид углерода СО (2) 0,035 0,017

2. Оксид углерода СО2 (4) 0,217 0,2

3. Оксиды азота (NO, NO2) 0,002 0,001

4. Сажа 0,4 1,1 мы рассчитали суммарный выброс веществ в атмосферу за год, используя формулу:

S= D * T * (NA. Б. * + NA. Д. *), где NA. Б. – количество автомобилей нашего города, работающих на бензине (3402 единицы), NA. Д. – количество автомобилей с дизельными двигателями в нашем городе (1134 единицы), Т – среднее время работы каждого автомобиля в день (в среднем 6 часов), D – количество дней в году (365/366)

Суммарный выброс веществ в атмосферу за год оказался равным:

488 745 кг/год

Анкетирование

В процессе дальнейшей работы мы составили анкету и провели социальный опрос горожан, задавав им вопросы как об экологии, так и экологически чистом транспорте.

Из результатов анкетирования видно: больше половины опрошенных считают, что экология нашего города загрязнена, и больше половины жителей согласны с использованием в городе Волгореченске альтернативных видов топлива.

В связи с полученными данными мы решили провести еще одно мини-анкетирование, задав опрашиваемым (после просмотра презентации) всего один вопрос: «Какой двигатель они больше всего хотят видеть на дорогах нашего города? Какой экологически чистый ДВС, по их мнению, более подходит для нашего города?»

По ответам можно прийти к выводу, что г. Волгореченску больше всего подходит транспорт на водоэтанольных смесях и на газе.

Мультимедийная презентация

Все предыдущие этапы нашей работы подтвердили, что работа ведется в верном направлении. Мультимедийная презентация имеет целью пропаганду использования экологически чистого ДВС. Она создана в программе Microsoft PowerPoint.

Результаты и выводы

В результате проделанной работы мы получили информацию о двигателях внутреннего сгорания, расширили свои знания по данному вопросу. Самое главное мы выяснили, что жители нашего города за экологически чистый транспорт, и автолюбители задумались над использованием альтернативных ДВС. Работа оказалась очень полезной и продуктивной: созданная нами презентация уже сейчас используется в ГИБДД.

Информацию о загрязнении окружающего воздуха в нашем городе мы поместили на школьный сайт, а также составили заметку в городскую газету «ВЕК».

Мы, волгореченцы, любим свой город. Наши совместные усилия, труд, терпение, взвешенность и порядочность дадут возможность двигаться дальше, сообща, настойчиво делать все возможное на благо и процветание Волгореченска и всех его жителей.