Экологически чистые автомобили

    Экологически  чистые автомобили. 

Студ. Токунова Н.Н., МО-06.1д, науч. руководитель проф. Сердюк А.И, 
 

    Загрязнение воздуха вредными выбросами автомобилей  в начале ХХ1 века стало одной  из глобальных экологических проблем. Путь ее решения только один - автомобиль должен стать экологически чистым. Важное место здесь принадлежит системам нейтрализации, способным в несколько раз снизить токсичность выхлопных газов.

    Всего в отработавших газах обнаружено около 280 компонентов. По своим химическим свойствам, характеру воздействия на организм человека вещества, содержащиеся в отработавших газах, подразделяются на несколько групп:

    1.нетоксичные: азот, Кислород, водород, водяные пары, а также диоксид углерода;

    2.токсичные: оксид углерода, оксиды азота, многочисленная группа углеводородов, альдегиды, сажа. Причем сажа сама по себе нетоксична, но она адсорбирует на поверхности частиц канцерогенные полициклические углеводороды, в том числе наиболее вредный и токсичный бензапирен. При сгорании сернистых топлив образуются неорганические газы - диоксид серы и сероводород.

    Токсичные компоненты составляют 0,2–5% от объема отработавших газов, в зависимости от типа двигателя и режима его работы.

    За  долгое время существования проблемы автомобильных выбросов и загрязнения ими атмосферного воздуха было разработано множество методов и способов, позволяющих уменьшить количества выхлопов или снизить их токсичность. В настоящее время разрабатываются и претворяются в жизнь мероприятия по снижению загрязнения атмосферы выбросами автомобильных двигателей, включающие в себя:

    1.усовершенствование  конструкций двигателей и повышение  качеств изготовления;

    2.поиск  новых видов топлива, применение  различных присадок к нему;

    3.создание  энергосиловых установок для  автомобилей, выбрасывающих меньшее количество вредных веществ;

    4.разработка  устройств, снижающих содержание  вредных компонентов в отработавших газах.

    Практика  показала, что при этом достичь  уровня токсичности отработавших газов, требуемого законодательством развитых стран, первыми тремя способами нельзя. Поэтому получила широкое распространение нейтрализация отработавших газов в системе выпуска. В этом случае токсичные пары, вышедшие из цилиндров двигателя, нейтрализуются до выброса их в атмосферу.

    Существует  несколько способов нейтрализации отработавших газов в выпускной системе автомобиля:

    1.Окисление отработавших газов путем подачи к ним дополнительного воздуха в термических реакторах. Термические реакторы устанавливают на многих японских и американских двигателях. Термический реактор представляет собой теплоизолированный объем со специальной организацией течения отходящих газов, устанавливаемый в выпускной системе двигателя и осуществляющий термическое доокисление токсичных компонентов за счет собственного тепла отходящих газов. Термическая нейтрализация не зависит от вида сжигаемого топлива, наличия присадок и позволяет использовать в двигателях этилированный бензин. Повысить температуру отработавших газов в реакторе можно, уменьшив теплопотери применением приставок-экранов, теплоизоляцией корпуса реактора, использованием тепла реакции окисления, а также кратковременным уменьшением угла опережения зажигания. Реакторы особенно эффективны на режимах богатой смеси при больших нагрузках, не выходят из строя со временем, однако не дают полного окисления СО и СН и не восстанавливают NO_x, поэтому применяются как дополнительные устройства перед каталитическим нейтрализатором.

    2.Поглощение токсичных компонентов жидкостью в жидкостных нейтрализаторах. Этот способ не получил широкого распространения из-за малой эффективности и необходимости частой замены жидкости.

    3.Применение каталитических нейтрализаторов и сажевых фильтров (на автомобилях с дизельными двигателями) – в настоящее время наиболее актуальный.

    В 1970 году в Соединенных Штатах был  принят закон, в соответствии с которым уровень токсичных выхлопов автомобилей 1975 модельного года должен был быть в среднем наполовину меньше, чем у машин 1960 года выпуска: СН — на 87%, СО — на 82% и NO_х — на 24%.

    Аналогичные требования были узаконены в Японии и в Западной Европе. Первым делом инженеры бросились совершенствовать системы питания и зажигания. Но было очевидно, что добиться столь существенного улучшения ситуации с токсичностью без применения дополнительных устройств просто невозможно.

    В 1975 году на американских машинах появились первые каталитические нейтрализаторы отработавших газов — тогда еще двухкомпонентные, так называемого окислительного типа. Двухкомпонентными они назывались потому, что могли нейтрализовать только два токсичных компонента — СО и СН. Окислительными — потому, что происходившие реакции представляли из себя окисление (то есть фактически дожигание) молекул СО и СН с образованием углекислого газа СО₂ и воды Н₂О.

    На  американских автомобилях 1975 года появились  транзисторные системы зажигания с высокой энергией искры и свечи с медным сердечником центрального электрода — это свело к минимуму пропуски зажигания и последующие вспышки несгоревшего топлива в нейтрализаторе, которые грозят оплавлением керамики.

    В 1977-м к нему добавили "противоазотную" секцию, а еще через пару лет объединили все в едином корпусе, дав неправильное название "трехступенчатый" нейтрализатор. На самом деле речь идет не о ступенях, а о трех подавляемых классах вредных веществ.

    К 1990 году нейтрализатор переехал вплотную к выпускному коллектору, чтобы быстрее нагреваться до рабочих температур (300ºС) – тем самым уменьшить вредные выбросы на стадии прогрева.

    В 1995 году фирма ”Эмитек” разработала  технологию подогрева катализатора мощным электрическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель катализатора ”6С” (или ”Эмикэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”.

    Ну  и, наконец, в 2000 году появилась цеолитовая ловушка углеводородов (СН), задерживающая  их при пуске мотора и лишь после  нагрева до 220°С отдающая на "съедение" готовому к работе катализатору.

    Современные каталитические нейтрализаторы – это  трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы.

    Трехкомпонентный  каталитический нейтрализатор представляет собой корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска до глушителя. В корпусе располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми тончайшим слоем вещества катализатора, которое само не вступает в химические реакции, но одним своим присутствием ускоряет их течение. На долю катализаторов приходится до 60% себестоимости устройства. Именно благодаря им происходят необходимые химические реакции – окисление монооксида углерода (СО) и несгоревших углеводородов (СН), а также сокращение количества окиси азота (NO_x). В трехкомпонентном нейтрализаторе платина и палладий вызывают окисление СО и СН, а родий ”борется” с NO_x. Кстати, родий – субпродукт при получении платины – наиболее ценный в этой троице. тобы увеличить площадь контакта каталитического слоя с выхлопными газами, на поверхность сот наносится подложка толщиной 20-60 микрон с развитым микрорельефом.

    Как правило, носителем в нейтрализаторе служит спецкерамика - монолит со множеством продольных сот-ячеек, на которые нанесена специальная шероховатая подложка. Это позволяет максимально увеличить эффективную площадь контакта каталитического покрытия с выхлопными газами - до величин около 20 тыс. м². Причем вес благородных металлов, нанесенных на подложку на этой огромной площади, составляет всего 2-3 грамма!!! Керамика сделана достаточно огнеупорной – выдерживает температуру до 800-850 ºС. Но все равно при неисправности системы питания и длительной работе на переобогащенной рабочей смеси монолит может не выдержать и оплавиться - и тогда каталитический нейтрализатор выйдет из строя. Именно поэтому так проблематично выглядит использование каталитических нейтрализаторов с керамическим носителем на карбюраторных двигателях. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Екологічний стан навколишнього природного середовища Донецької області в цей час.

Студ.Тарасова А.Ю., ОА-06.1д, наук. керівник проф. Сердюк О.І.

 
     Донецька  область являється   найбільш екологічно напруженим регіоном, України. На її території, яка займає 4,4% площі країни, зосереджена п'ята частина! всіх виробничих потужностей. Висока концентрація промислового, сільськогосподарського виробництва і транспорту, а також значна щільність населення створили тут величезне навантаження на біосферу - найвище в Україні та в Європі.

     Екологічні  проблеми в Донецькій області накопичуються тривалий час, а негативні зміни, що сталися в навколишньому природному середовищі на території регіону, набувають, на думку фахівців, незворотного характеру.

     Не  поліпшив екологічну ситуацію і минулий  рік, протягом якого в довкілля потрапило 13 млн.тонн забруднюючих речовин, що тільки (на 1,1% менше, ніж було у 2006 р.).

      Стан  повітряного басейну являється однією з найгостріших проблем області. У 2007 році щільність викидів від стаціонарних джерел становила 65 тонн на 1 кв.км, що у 8,8 рази більше, ніж у середньому по Україні, і у декілька разів вище, ніж в інших промилово розвинутих регіонах країни (у 2,3 рази - ніж у Дніпропетровській   області, у 3,3 рази - ніж у Луганській області, у 6,9 рази - ніж в Запорізькій області).

      Ситуація  з інтенсивним забрудненням повітряного басейну складалася в області в процесі становлення і розвитку промисловості в минулі десятиріччя, коли при будівництві промислових об'єктів екологічному аспекту не приділялося належної уваги. В результаті майже 60% технологічних агрегатів не оснащені газоочисним обладнанням, а кожна сьома газоочисна установка працює неефективно. Внаслідок цього майже 16% викинутих в повітря забруднюючих речовин надійшло у 2007 р. взагалі без очищення, а третина утворених не була уловлена очисними спорудами.

    Всього  протягом 2007р. від стаціонарних джерел забруднення в повітря надійшло 1590 тис.тонн шкідливих речовин, це 38,6% загального викиду по країні. Порівняно з 2006р. обсяг викидів дещо зменшився (на 0,2%), проте в 18 районах та містах спостерігається підвищення рівня забруднення. Серед них Костянтинівський район, де кількість підприємств-забруднювачів збільшилась за рік з трьох до п'яти, а обсяг викидів - майже у 13 разів. В Амвросіївському районі викиди в атмосферу зросли у 2,4 рази, в місті Костянтинівка - у 1,7 рази, в Шахтарську та Артемівську - у півтора рази.

    У структурі викинутих забруднюючих речовин майже 85% становлять газуваті та рідкі, у складі яких переважають окис вуглецю (34% загального обсягу), сірчистий ангідрид (28%), окисли азоту (6,7%). Крім них, в атмосферу потрапило 120 тис.тонн вугільної золи, 6 тис. тонн негашеного вапна, 2,7 тис.тонн сажі, більше 2 тис.тонн неорганічного пилу, 1,2 тис.тонн нафталіну, 370 тонна фенолу, 310 тонн марганцю та його сполук, 50 тонн свинцю та його сполук, 1,5 тонни металевої ртуті та ряд інших специфічних забруднюючих речовин.

    Особливо  гострою є проблема захисту повітря  від газоподібних і рідких шкідливих речовин, яких уловлюється лише 2,4% від загального обсягу утворених, тоді як твердих - 93,2%. Практично без очищення викидається сірчистий ангідрид (рівень уловлювання становить 0,4%) і вуглеводні (0,01%).

    Як  і раніше, на екологічний стан повітря  області негативно впливають, насамперед, підприємства вугільної промисловості, теплових електростанцій, чорної металургії. Цими виробничими об'єктами у 2007р. було викинуто у повітря 84% всіх шкідливих речовин, хоча частка їх у загальній кількості підприємств, забруднюючих повітряний басейн області, становить всього 10%. Тому найбільше забруднення атмосфери спостерігається саме в тих містах, де розташовані підприємства цих галузей, а саме: у Маріуполі, на який припадає 25,5% сумарних обсягів викидів по області, у Донецьку (10,2%), у Дебальцеві (7,5%), у Макіївці (7,1%), в Марійському та Старобешівському районах (відповідно 6,6 та 8,6%).

    На  окремих територіях області обсяги викидів забруднюючих речовин у  розрахунку на 1 кв. км набагато перевищують середньообласний показник: у Вугледарі -у 67 раз, у Дебальцеві в 52 рази, у Кіровському - в 50 разів, у Маріуполі -у 28 разів, в Димитрові - в 21 раз, в Авдіївці-у 19 разів, в Красноармійську -у 17 разів.

    Суттєвим  джерелом забруднення атмосферного повітря області є транспортні засоби, на які припадає кожна восьма тонна викинутих в атмосферу забруднюючих речовин. Протягом 2007р. від всіх видів транспорту в повітря потрапило 240 тис.тонн шкідливих речовин, 95,5% яких становлять викиди від автомобільного транспорту, 3,5% - від залізничного, 0,6% - від авіаційного і 0,4% -від водного транспорту. У складі викинутих транспортними засобами речовин переважає оксид вуглецю - 77% всіх викидів, частка вуглеводних при цьому дорівнює 13%, оксиду азоту - 8%.

    Найбільше потерпають від забруднення повітря  транспортом мешканці великих промислово-розвинутих міст - Донецька, на який припадає 27% загальнообласного обсягу викидів, Мариуполя (12%), Макіївки (7%), Горлівки (5%) та Краматорська (4%).