Техника-молодежи №4 2000 г
 
 
ГЛАВНАЯ
СОДЕРЖАНИЕ
ВПЕРЕД
НАЗАД

Последние годы XX века характеризовались небывалой динамичностью технического прогресса во всех областях науки и техники. Не осталось в стороне и автомобилестроение. Так, если в 1900 г. имелось всего 11 тыс. автомобилей, то ныне только ежегодный их выпуск составляет около 50 млн при производственных мощностях в 75 млн (табл. 1; чтобы не было недоразумений: при подсчете количества авто минусуется та их часть, которая пошла на слом). Перспективы развития столь распространенного вида транспорта таковы, что при 6-миллиардном населении планеты, когда уровень автомобилизации достиг в некоторых странах 550 - 750 машин на 1 тыс. жителей, их общее количество может превысить 4 млрд (табл. 2).

"ПЛАМЕННЫЙ МОТОР"
С ЭЛЕКТРО-КОНДЕНСАТОРОМ,
или что сбережет земной кислород

Таблица 1. Динамика роста автомобильного парка Земли
Год
1900
1914
1921
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
Кол-во
автомоб,
млн.
0,011
1,826
10,927
46,057
70,388
126,000
230,000
362,000
550,000
700,000
Таблица 2. Число автомобилей на 1000 жителей в различных странах
Страна
США
Франция
Англия
Германия
Япония
Россия
Китай
Индия
Страны Африки
Число атомобилей на 1000 жителей, шт.
750
550
500
490
380
90
8
5
1
Рис 1. Зависимость состава отработавших газов двигателя с искровым зажиганием от содержания кислорода в воздухе

И такой процесс невозможно ни затормозить, ни остановить, поскольку он обеспечивает ряд удобств, ускоряет развитие экономики, облегчает перевозки людей и грузов. Однако это сопровождается и небывалым загрязнением окружающей среды и, особенно, атмосферы городов. Впервые сигналы о вредности выхлопных газов поступили из Калифорнии, где стали наблюдаться явления смога и разное ухудшение здоровья людей из-за них. И лишь в 1959 г там появились первые юридические документы, ограничивающие допустимую концентрацию вредных компонентов в отработавших газах автомобилей, а начиная с 1969 г., и в Европе стали вводить законы, касающиеся токсичности выхлопов. Они заставили производителей автомашин внести существенные изменения в конструкцию двигателей, после чего уровень токсичных компонентов снизился примерно на 70%. Но несмотря на это, выхлопы огромного количества машин продолжают оставаться опасными для обитателей больших городов.
Таблица 3. Состав
атмосферы
Газ
Содерж., %
Азот
Кислород
Углекислый
газ
Аргон
Прочие газы
76,080
20,940
0,031

0,930
0,010

Итак, законодатели разрабатывают нормативы, производители тратят немалые средства на их достижение - но уже с меньшим успехом. Несомненно, по мере появления новых законов будет возрастать стоимость разработки и изготовления двигателей, их дополнительного оборудования и обслуживания. К тому же все эти расходы ложатся на плечи потребителей в виде увеличения цен на автомобили или принудительной установки на них какого-то дорогого и бесполезного нейтрализатора. Кстати, похожие планы намечены на 2000 г. у правительства Москвы.

А между тем, многочисленные эксперименты, проведенные в Лаборатории перспективных разработок МГТУ-МАМИ, показали, что загрязнение атмосферы и ухудшение здоровья горожан происходят не столько из-за выброса вредных веществ, сколько из-за громадного потребления кислорода двигателями внутреннего сгорания (ДВС) и резкого снижения его доли в зоне дыхания людей. Так, для сгорания 1 кг бензина требуется около 300 л и кислорода, и за час работы мотор средней легковушки поглощает столько кислорода, сколько нужно человеку для дыхания в течение месяца. Общеизвестно, что кислорода, потребного легким, в незагрязненном воздухе чуть больше 20% (табл. 3). В выхлопных газах его ничтожно мало, зато взамен его выделяются углекислый газ и окись углерода (табл. 4). При дальнейшей работе двигателя в окружающем его пространстве содержание кислорода с каждым оборотом снижается, а токсичных компонентов - возрастает.
Таблица 4. Состав выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания
Компоненты
Карбюраторные
двигатели, %
Дизельные
двигатели, %
Азот
74 - 77
76 - 78
Кислород
0,3 - 5
2 - 8
Двуокись углерода
5 - 12
1 - 10
Окись углерода
1 - 10
0,01 - 0,5
Пары воды
3 - 5,5
0,5 - 4
Окислы азота
0 - 0,8
0,001 - 0,4
Углеводороды
0,2 - 3
0,01 - 0,1
Альдегиды
0 - 0,2
0 - 0,002

При наличии на улицах большого количества автомашин и, тем паче, «пробок», такой процесс носит лавинообразный характер. Учитывая, что выхлоп и забор воздуха идет примерно «на одной горизонтали», да еще если нет ветерка, - происходит искусственное обогащение смеси или снижение коэффициента наполнения из-за изменения стехиометрического состава воздуха в цилиндрах ДВС. Это приводит к ухудшению условий сгорания топлива и увеличению в выхлопных газах окиси углерода и углеводородов (рис. 1). При подобных обстоятельствах двигатель должен заглохнуть - что не случается только из-за ветра и естественного перемешивания воздушной массы. При полном же штиле описанная ситуация вполне реальна, ведь при снижении доли кислорода в атмосфере до 15% гаснет свеча и не загорается спичка.
Таблица 5. Влияние содержания кислорода на состояние здоровья человека
Парциальное давление кислорода в воздухе, мм рт. ст. (Н/м2) Объемный процент кислорода Симптомы
160(21331,5)
20,94
Нормальное состояние
140(18665,1)
18,32
Первые признаки кислородной недостаточности
110(14665,1)
14,39
Первые признаки гипоксии. При длительном вдыхонии наступает смерть
60(7999,3)
7,85
Опасно для жизни. Смерть

А что происходит с человеком, если он оказывается вблизи транспортного потока? Многочисленные медицинские эксперименты показали, что при длительном вдыхании воздуха с содержанием кислорода менее 15% наступает смерть (табл. 5). Если учесть, что одновременно в воздухе нарастает концентрация углекислого газа, окиси углерода и азота, то становятся совершенно излишними рассуждения о более чем 200 токсичных компонентах в выхлопных газах автомашин... Из медицинских исследований известно, что содержание в атмосфере 14-15% нетоксичного углекислого газа приводит к смерти из-за асфиксии дыхательных путей, а присутствие в ней 93% тоже нетоксичного азота вызывает атоксемию и тот же исход.

Именно такое произошло в Лондоне в 1952 г., когда, при полном отсутствии ветра в течение нескольких дней, возникший от выхлопных газов смог унес жизни 4 тыс. человек, а еще у 1 тыс. появились симптомы острой кислородной недостаточности. Когда-то писатель-фантаст Герберт Уэллс мечтал о городах с крытыми улицами. После изобретения автомобиля это превратилось в утопию... Каков бы ни был состав выхлопных газов, основная вредность ДВС происходит от сжигания кислорода атмосферы и снижения его доли в зоне дыхания людей, расположенной на том же уровне, что и система силовых установок автомобилей. В довершение всего напомним, что находящийся там же углекислый газ имеет удельный вес 1,97 кг/м2, что почти в полтора раза больше этого показателя воздуха (1,29 кг/м2), и скапливается вблизи земли.

Таким образом, снижение доли кислорода - там, где мы обитаем, - вызывается работой ДВС, независимо от того, какое топливо они потребляют - бензин, газ, спирт и даже чистый водород! В то же время, как считают многие зарубежные ученые, кислород и природные циклы его репродукции находятся под угрозой. Так, по данным 1973 г., сжигалось 23% этого газа, производимого всей наземной флорой, а в 1993 г. - уже 90%, не только за счет роста автомобильного парка, интенсификации человеческой деятельности, но и из-за сокращения площади зеленых насаждений. Ведь автомобиль сжигает за месяц то, что 1 га леса выделил в атмосферу. При таком положении дел кислородная проблема возникнет даже раньше, чем топливная.
Таблица 6. Время работы двигателей на отдельных режимах в городах
Место исследования Холостой ход, % Разгон, % Установившееся движение, % Замедление, %
Москва
22
37
12
29
Токио
44
24
15
17
Варшава
27
36
14
23
Тегеран
38
22
26
14
Париж
35
22
29
14
Нью-Йорк
15
37
16
32
Таблица 7. Эффективность использования комбинированных силовых установок на различных транспортных средствах
Циклы
Магистральные
Городские
Легковые/Грузовые Легковые/Грузовые/Автобусы
Отношение максимальной мощности ДВС к средней
1,9/2,5
6,0/7,5/8,4

Хуже того, некоторые специалисты полагают, что еще раньше появится другая проблема - потепление климата, опять-таки связанная с развитием автомобильного транспорта. Атмосфера содержит 2,3 х 10^12 т углекислого газа, а сжигаемое топливо ежегодно вносит в нее еще 1х10'° т. Если его количество увеличится на пятую часть и достигнет 0,0379%, следует ожидать заметного повышения температуры на планете, которое и сейчас составляет 1° в год. Это приведет к таянию льдов на полюсах уже через 20 - 25 лет, постепенному подъему уровня Мирового океана примерно на 70 м и затоплению многих стран.

Где же выход? В ограничении выпуска автомашин и переходе на электромобили? Остановить шествие по планете первых невозможно, использование вторых экономически невыгодно и просто немыслимо без источников энергии, способных конкурировать с бензином, - сжигание его литра позволяет получить 40 МДж энергии, а тот же объем аккумуляторов - в 100 раз меньше. Выход, на ближайшие 30 - 50 лет, - в энергосбережении. Современный автомобиль с мощным двигателем крайне неэкономично расходует свои «лошадки», а следовательно, и топливо. Между тем, по последним данным, известные запасы нефти в мире составляют около 270 млрд т, а в 1999 г. ее добыли 7,5 млрд т, то есть, по мнению авторов «Римского отчета», при нынешнем уровне потребления ее запасов хватит всего на 35 лет.

В то же время плотная загрузка городских магистралей и частые остановки приводят к тому, что продолжительность движения автомашин с установившейся скоростью не превышает 30%, а протяженность участков разгона и замедления составляет 30- 80% общего пути, пройденного машиной (табл. 6). Что же касается городских автобусов и такси, то здесь дела обстоят еще хуже, они почти всегда то разгоняются, то тормозят (рис. 2). Единственным решением проблемы является переход к комбинированным силовым установкам. Для поездки на автомобиле по городу большая мощность не нужна, а пиковые нагрузки при разгоне можно компенсировать использованием накопителя энергии в виде электрических конденсаторов, аккумулирующих энергию при замедлении, торможении и на холостом ходу на остановках.
Таблица 8. Удельная мощность, отдаваемая различными накопителями
Вид накопителя Мощность, Вт/г
Тепловой
0,1
Резина
0,8
Аккумуляторы химические
0,0-1,5
Сжатый газ
10
Маховики
10
Индуктивность
102
Бензин
103
Взрывчатые вещества
103
Электрические конденсаторы
105
Ядерный распад
1012
Термоядерный распад
1013

Известно, что при рекуперации энергии торможения до 50% ее можно вернуть в конденсаторы. В Лаборатории перспективных разработок МГТУ-МАМИ были проведены эксперименты и расчеты (табл. 7), показавшие эффективность комбинированных установок на автомобилях разного назначения. Анализ результатов показывает, что, например, на автобусе мощность двигателя ничто не мешает уменьшить в 8,4 раза, на грузовом и легковом автомобилях - соответственно в 7,5 и 6 раз без ущерба для их динамических качеств. И даже на магистральных циклах мощность ДВС грузовика при использовании накопителя можно сократить в 2,5 раза. Словом, применение таких установок на автотранспорте сократит общую установленную мощность двигателей, что повлечет пропорциональное снижение расхода топлива, кислорода и оздоровление воздуха в городах. Всеобщий же переход на подобный транспорт позволит не только остановить разрушительное наступление автомобиля на экологию, но и вернуться к относительно благополучной ситуации, существовавшей примерно в 1959 г.

Схема комбинированной установки проста (рис. 3): ДВС небольшой мощности, работающий, кстати, в неизменном режиме, например, минимальной токсичности, вращает генератор, который питает тяговый электромотор. Излишки энергии, вырабатываемой генератором при разных режимах движения, а также энергия рекуперации, поступают в емкостный накопитель и затем, по мере надобности, расходуются при разгонах или за тяжных подъемах. Идея таких силовых установок, конечно, не нова, но предложение дополнить их емкостным накопителем принадлежит научным сотрудникам Лаборатории. Они первыми проанализировали все известные в мире накопители энергии по всем параметрам и установили, что емкостные по простоте использования (нет вращающихся частей), безопасности (нет сосудов под высоким давлением) и, самое главное, по отдаваемой мощности в единицу времени не имеют себе равных (табл. 8).Используя их, специалисты Лаборатории впервые в мире изготовили одноместный автомобиль с комбинированной силовой установкой, информация о котором обошла все научно-технические журналы мира.
Рис. 2. Схема типовых циклов движения городского автобуса. Цифрами обозначены: 1 - разгон, замедление, торможение; 2 - разгон, установившееся движение, замвдление, торможение.

Новая концепция подхода к вопросу о токсичности ДВС позволяет сделать важные выводы-рекомендации относительно дальнейшей автомобилизации. Прежде всего, необходимо признать: классический автомобиль прошел пик своего развития; если не предпринять радикальных мер, он, сжигая атмосферный кислород, погубит планету; дальнейшее совершенствование ДВС для снижения его токсичности до уровня существующих и будущих норм невозможно без увеличения стоимости производства, дополнительного оборудования и эксплуатационных затрат. Настало время разумного компромисса между санитарными нормами и техническими возможностями. Ныне достигнутый компромисс снимет только противоречий между производителями машин и законодателями, а экологическая ситуация продолжит катастрофически ухудшаться.

При огромной численности автомашин в мире и чудовищном уничтожении ими кислорода атмосферы (1 х 10'° т в год) совершенно неважно, на каком топливе работают их двигатели, поскольку расход кислорода приблизительно одинаков. И в такой ситуации становятся бессмысленными всевозможные катализаторы, дожигатели, присадки к топливу и прочие паллиативные меры. Бесперспективными будут и попытки оснащать автомобили двигателями других конструкций - Ванкеля, Стирлинга, газотурбинными и т.п. Абсурдным, с точки зрения экономики, станет переход на электромобили, пока не появится источник энергии, способный конкурировать с бензином по энергоемкости.
Рис. 3. Блок-схема комбинированной энергоустановки автомобиля.

Настало время для правительств всех стран всерьез задуматься: стоит ли ограничивать токсичные выбросы ДВС, не лучше ли ввести налог на расходуемый ими кислород, что напрямую связано с их мощностью? Ведь платим же мы за землю, воду, лес, рыбу, являющиеся природными богатствами... Кислород может оставаться бесплатным лишь для дыхания. Единственным развитием проблемы автомобиля остается применение комбинированных энергоустановок с использованием емкостных накопителей энергии.

Более дальней перспективой может стать использование ДВС или топливных элементов, работающих на кислороде и водороде, но полученных не из воздуха, а из воды, - ее запасы на планете составляют 1,5 млрд куб. км, то есть по количеству содержащегося в ней кислорода она равноценна атмосфере (1,5 х 10^5 т). Причем сама вода не будет расходоваться при их работе, ибо при сгорании водорода она же и останется в выхлопе. И тогда не придется лимитировать мощность двигателей и платить за кислород... К сожалению, пока способы разложения воды весьма энергоемки, и для получения 2 куб. м водорода и 1 куб. м кислорода, что приблизительно равноценно 1 л бензина, нужно израсходовать 14-15 кВтч электроэнергии - в 5 - 6 раз больше, чем можно получить, собственно, от двигателя в виде механической энергии.

Вячеслав ХОРТОВ, руководитель
Лаборатории перспективных разработок
Московского государственного
технического университета (б. Московский
автомеханический институт)



на предыдущую страницу к началу этой страницына следующую страницу