Экологически чистые автомобили и альтернативные виды топлива. Экологические автомобили

Электромобиль

Электромоби́ль - автомобиль, приводимый в движение одним или несколькими электродвигателями , а не двигателем внутреннего сгорания . Электромобиль следует отличать от автомобилей с ДВС и электрической передачей и от троллейбусов . Подвидами электромобиля считаются электрокар (грузовое транспортное средство для движения на закрытых территориях) и электробус (автобус с аккумуляторной тягой)

Гибридный автомобиль

Гибри́дный автомоби́ль - высокоэкономичный автомобиль , движимый системой «электродвигатель - двигатель внутреннего сгорания » (далее двигатель), питаемой как горючим , так и зарядом электрического аккумулятора . Главное преимущество гибридного автомобиля - снижение расхода топлива и вредных выхлопов . Это достигается полным автоматическим управлением режима работы системы двигателей с помощью бортового компьютера , начиная от своевременного отключения двигателя во время остановки в транспортном потоке, с возможностью продолжения движения без его запуска, исключительно на энергии аккумуляторной батареи, и заканчивая более сложным механизмом рекуперации - использования электродвигателя как генератора электрического тока для пополнения заряда аккумуляторов.

Основная статья: Электромобиль на солнечных батареях

Обычно для производства солнечных элементов применяются пластины кремния с шероховатой поверхностью, которая позволяет им лучше улавливать лучи солнечного света, падающие на батарею под разными углами. Несмотря на то, что кремниевые пластины очень широко используются в современной микроэлектронике, их стоимость слишком высока для массового внедрения и коммерциализации солнечных

Автомобиль на природном газе

Заправка автомобиля газом

Основная статья: Газотопливная система автомобиля

Газотопливная система - топливная система двигателя внутреннего сгорания , модифицированная для использования им в качестве топлива сжатых или сжиженных газов .

Автомобиль с гибким выбором топлива - может ездить как на бензине, так и на смеси бензина с этанолом, причём в гибких пропорциях (от 5 % до 95 %). Автомобиль имеет один топливный бак, адаптированность к разному составу топлива достигается за счёт оригинальной конструкции двигателя или за счёт конструктивной модификации обычного бензинового двигателя внутреннего сгорания.

Транспорт на топливных элементах

Водородный транспорт - различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород . Это могут быть транспортные средства, как с двигателями внутреннего сгорания, так и с водородными топливными элементами .

Воздухомобиль

Tata/MDI OneCAT

Воздухомобиль - автомобиль, использующий для движения сжатый воздух. Пневматические автомобили используют модифицированный вариант обычного четырехтактного мотора. Пневматические двигатели также позволяют использовать преимущества электродвигателей - системы рекуперативного торможения: в пневматических гибридах при торможении за счет использования двигателя в качестве воздушного компрессора, воздух сжимается и им заправляется резервуар.

Средства рекуперации и сохранения энергии

Рекуперативное торможение

Рекуперати́вное торможе́ние - организация торможения, при которой кинетическая энергия транспортного средства не рассеивается в виде тепла, как обычно, а снова используется для движения. Рекуперативное торможение широко применяется на электровозах и электропоездах , где при торможении электродвигатели начинают работать как электрогенераторы , а вырабатываемая электроэнергия передаётся через контактную сеть либо другим электровозам, либо в общую энергосистему через тяговые подстанции .

Маховик

Маховик - тяжёлый вращающийся диск, использующийся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии . При использовании маховика механическая энергия не требует преобразования в другие виды энергии, удается избежать связанных с такими преобразованиями потерь. С другой стороны, маховик достаточно быстро теряет энергию из-за того, что его вращению препятствует сила трения.

Производство

Для борьбы с загрязнением окружающей среды в Европе разрабатываются и вводятся все более и более жесткие экологические нормы выбросов вредных веществ для автомобилей. Согласно планам комиссара ЕС по экологии Ставроса Димаса , средний показатель выброса углекислого газа к 2012 году должен быть снижен с нынешних 163 до 120 граммов на километр.

Над созданием экологичных автомобилей работают все крупные автопроизводители - от Peugeot и Audi до Ferrari (модель Ferrari 599 Hybrid) и Rolls-Royce (модель 102EX Phantom Experimental Electric). Показательно, что даже компании из Китая, где пока мало кого волнует охрана окружающей среды, начинают инвестировать колоссальные средства в создание и развитие линеек «зеленых» авто. И это вполне оправдано, поскольку сегодня ключом к основным мировым рынкам наряду с качеством, безопасностью и доступными ценами, становится «экологичность» автомобилей.

Автопроизводители соревнуются между собой как в стремлении максимально экономить невозобновляемые энергоресурсы, так и в сведении к минимуму негативного воздействия на окружающую среду. И если раньше никто не продвигался дальше концептов, то сейчас компании переходят от заявлений и экспериментальных образцов к массовому внедрению своих разработок.

Продвижение

«Альтернативный» автомобильный сектор растет медленно, но зато уверенными темпами. Спрос на экологические автомобили сформировался еще до нынешнего кризиса и не угас, несмотря на продолжительное снижение цен на нефть. Сегодня, в свете борьбы с глобальным потеплением и с учетом реализации планов по уменьшению зависимости от традиционных невозобновляемых энергоносителей, правительства многих стран с помощью монетарных и немонетарных инструментов мотивируют своих граждан покупать именно «зеленые» автомобили. Однако пока такие автомобили слишком дороги и неудобны для повседневного использования, поскольку еще не создана вся необходимая инфраструктура (станции для заправки биотопливом и для быстрой подзарядки аккумуляторов электромобилей, сервисные центры и тд.).

В целом, что касается стимулирования продаж «зеленых» автомобилей, то здесь можно выделить три базовых направления.

Инициативы производителей и продавцов

Такие инициативы заключаются в реализации лизинговых программ (лизинг либо всего автомобиля, либо наиболее дорогостоящих элементов - например, батарей или «домашних» стационарных заправочных/зарядных комплексов), содействии в утилизации вышедших из строя элементов (батарей, электромоторов), предоставлении бесплатной консультационной и технической поддержки.

Инициативы государства (правительство, местные власти)

Государство создает некий «компенсационный пакет», который, в свою очередь, можно разделить на две части - монетарные и немонетарные стимулы. К монетарным стимулам относятся: налоговый кредит, гранты (государственные бонусные выплаты покупателям гибридов или автомобилей, которые используют альтернативные виды топлива), освобождение от уплаты налога при регистрации нового автомобиля, а также дорожного сбора. К немонетарным стимулам можно отнести: бесплатная парковка, бесплатный проезд по платным дорогам, свободное использование специальных зон (дорожных полос для автобусов или спецтранспорта).

Инициативы компаний

Инициативы компаний заключаются в финансовой поддержке сотрудников, которые хотят приобрести именно «зеленый» автомобиль, а также в реорганизации корпоративного автопарка путем замены обычных автомобилей на их «экологические» аналоги. Например, компания Google предоставляет корпоративный кредит в размере $5000 всем сотрудникам, изъявившим желание приобрести гибридный автомобиль, включая очень популярный в США Prius. А в феврале этого года ЦЕРН и швейцарская группа Gazmobil объявили о заключении договора на покупку 100 автомобилей на природном газе для сотрудников Европейской организации по ядерным исследованиям и установке заправочной станции для этого вида топлива в Мейрене. И таких примеров с каждым месяцем становится все больше.

Рейтинги экологичности

Критика

Существующие на данный момент «альтернативные» технологии несовершенны. «Зеленые» автомобили далеко не всегда оправдывают свое название, в отдельных случаях становясь еще большим «загрязнителем» окружающей среды, чем стандартные бензиновые аналоги. Ведь для производства самого автомобиля (всех узлов и агрегатов) и «альтернативной» энергии, за счет которой он работает, как правило, используют традиционные технологические/производственные цепочки и невозобновляемые энергоресурсы.

О том, что двигатель внутреннего сгорания наносит непоправимый вред экологии, начали говорить еще в 1960-х годах, когда мегаполисы Америки и Японии стали в буквальном смысле задыхаться от смога. Первые законодательные акты о снижении токсичных выхлопов в новых автомобилях не заставили себя долго ждать. Уже в 1970 году Штаты приняли закон, обязывающий производителей не просто уравнять, а даже снизить содержание токсичных компонентов в отработавших газах ДВС автомобилей. Уровень выхлопов у машин 1975 модельного года должен был быть в среднем наполовину меньше, чем у авто 1960 года выпуска: СН – на 87%, СО – на 82% и NОх – на 24%. Аналогичные требования вскоре были узаконены в Японии и Европе. В Америке это привело к закату яркой, но , а в остальном мире компактники и малолитражки принялись плодиться, словно грибы после дождя. Что касается прямых конкурентов ДВС, моторов, работающих на альтернативных видах топлива, то всерьез их тогда еще никто не воспринимал.

Н ет, наиболее выдающиеся проекты нефтяные корпорации скупали, но лишь затем, чтобы упрятать в сейф – от греха. В народе же на изобретателей «зеленых» автомобилей смотрели, как на сумасшедших. Да и кому еще в голову могло прийти совершенствовать конструкцию, которая и так неплохо работает? Тем более что ни один ездовой электрокар никогда не сравнился бы с Chevrolet Impala ни в красоте, ни в мощи, ни в скорости. А с запасом хода у электромобилей и теперь беда, даже когда мировые автобренды наконец-то взяли их на вооружение. И все же, за последние полтора десятилетия этот вид транспорта эволюционировал на порядок, что не могло не отразиться на нашей подборке. Нелепые, многофункциональные, трансформирующиеся и даже гоночные «зеленомобили» ждут тебя, дорогой читатель. Наслаждайся!

Альтернатива для «лягушатников»

Большинство инженеров, получивших патент на электродвигатель, настаивает на своем статусе первопроходцев. Оный, кстати, появился чуть раньше ДВС, но из-за своей неэффективности и несовершенства развивался не так стремительно, как его конкурент. Немалую изобретательность в вопросе машин на электрическом ходу раньше других проявили французы. Меня это нисколько не удивляет: с тех пор, как Гюстав Эйфель водрузил в Париже свою престранную башню, его народ с поразительным упорством начал производить аппараты для автомобильной кунсткамеры. И всякий раз это имело какой-либо резон.

К примеру, в 1942 году в Париже, оккупированном немцами, частным лицам бензин не отпускали. Чтобы передвигаться по городу, запруженному военной техникой, автомобильный дизайнер и инженер Поль Арзенс изготовил нечто по имени L’Oeuf, или «Яйцо». Этот одноместный микрокар был сделан с юмором и даже иронией, но за нарочитой наивностью его форм скрывалась конструкция, продуманная до мелочей. Формованный вручную кузов из алюминия оказался легок настолько, что его можно было тянуть одному человеку. А его округлая форма имела достаточную аэродинамику, чтобы позволить «Яйцу» разогнаться до 60 км/ч! Электрический двигатель с запасом хода в 96,5 км имел привод на единственное заднее колесо. Кроме того, для своего микрокара мсье Арзенс использовал плексиглас. Материал этот только появился во Франции и не применялся дизайнерами в автостроении. Из него в L’Oeuf были выгнуты двери и лобовое стекло.

Еще одним «развлечением» французских инженеров времен оккупации стал электрокар от небезызвестного бренда Peugeot. Машинка с индексом VLV (фр. Voiture Légère de Ville, «Легкий городской автомобиль»), увидела свет в 1942-м. Этот вариант имел более традиционное строение шасси, но все равно выглядел комично. Четыре 12-вольтовые аккумуляторные батареи позволяли ему проехать до 80 км, «максималка» же составляла 36 км/ч. В отличие от L’Oeuf, электрокару Peugeot мерещилось светлое будущее – даже в условиях сурового дефицита модель пользовалась спросом (с конвейера сошло 377 экземпляров). В основном ее использовали для почтовых нужд. Но даже в этом фашисты узрели акт неповиновения, вскоре запретив выпуск VLV. Зато на проект не было потрачено ни капли бензина!

Особенности:

Французы издавна питали любовь к гипертрофированным округлостям, демонстрируя это везде, где можно – хоть в искусстве, хоть в машиностроении. По их мнению, аэродинамическими характеристиками обладает даже камень, запущенный умелой рукой. Так что появление первого в мире электрокара в мелкосерийном тираже случилось во Франции – это закономерность. И выглядеть ему надлежало не иначе, как в виде яйца. Может быть, поэтому электромобиль долгое время вызывал у всех отторжение?

1 / 4

2 / 4

На первый взгляд кажется, что Peugeot VLV страдает нехваткой колес. Вовсе нет, их четыре, просто у задней пары различная c передней колея (270х90)…

3 / 4

4 / 4

Многозадачная эклектика

Сами того не ведая, парижские инженеры создали тренд, которому больше полувека следовали остальные создатели электрокаров. Пузыри различных форм и размеров покидали сборочные цеха таких корпораций, как AMC, GM, Toyota, Fiat и даже Volvo. Принципиальных различий среди них было немного, а сходство имелось значительное. Из-за тяжелых и неэффективных аккумуляторных батарей все они обладали низкой скоростью, отсутствием всякого комфорта и малым запасом хода. Жирный крест на карьере электрокара все это не поставило, однако замедлило ее развитие до наступления нового века.

В годах 2000-х глобальная урбанизация заставила производителей снова обратиться к идее экологичного городского компакта. И французы вновь были одними из первых, кто проявил в этом вопросе оригинальность. Некая формация Venturi Electric начала свои эксперименты с аккумуляторами еще в 2002 году, создав первый в мире электрический спорткар. К 2007-му у инженеров была уже целая уйма экологически безопасных концептов, самым удивительным из которых стал Eclectic Concept.

1 / 6

2 / 6

«Зеленомобиль» Eclectic Concept во всем блеске своих «дисфункций»! А ведь их планировали выпускать тиражом по 3 тысячи экземпляров в год!

3 / 6

4 / 6

5 / 6

6 / 6

Как утверждает дизайнер Саша Лакич, облик его «Эклектики» навеян выдающимися машинами прошлого. А это, ни много ни мало, луноход, Mini Moke и Mehari. Но в отличие от своих «предшественников», Eclectic Concept отметился не одним, а сразу тремя достоинствами: он черпает энергию из воздуха, солнца и электричества. Так, солнечная батарея, занимающая площадь его всей крыши (2,5 м²), имеет мощность 300 Вт. Этого хватает для покрытия 9 км пути.

Ветрогенератор в собранном виде помогает этому «зеленомобилю» одолеть еще 15 км. А основной силовой установки, то есть асинхронного электродвигателя мощностью 11 кВт с крутящим моментом 45 Нм, хватает, чтобы прогнать 400-килограммовую «тушку» на 50 км вперед. В этом ему помогают металл-гидридные аккумуляторы емкостью 9 кВт*ч. В итоге общая протяженность пути, которую может одолеть Eclectic Concept, задействовав все свои резервы, составляет 74 км. Такую прогулку точно не назовешь долгой, но и этого было достаточно, чтобы на Mondial de l’Automobile жюри наградило Эклектику призом «Лучшая инновация года».

Особенности:

Не спорю, что на презентации Eclectic Concept любители «зеленых» технологий испытали тройной оргазм от обилия фетишей, которыми напичкана эта «тележка». Только они едва ли оправдывают показатель в жалкие 70 с небольшим километров, которые Эклектика всеми правдами и неправдами одолевает за мучительные 1,5 часа. Скажем, до дачи доползти этого хватит впритык (если та от города недалеко), а в магазин уже придется топать ногами или обождать пять часов, пока чудо-батареи зарядятся от простой розетки. Хотя нам обладать Eclectic Concept не светит – производитель планирует поставлять свои «машины» только южным курортам, где всегда солнечно, ветрено и народу спешить некуда…

1 / 6

2 / 6

В городском потоке Эклектика выглядит бодро, хотя ее «максималка» составляет лишь 50 км/ч. Но производитель не унывает

3 / 6

4 / 6

5 / 6

6 / 6

Доработав концепт до версии 2.0, дельцы в Venturi Electric решили, что $20 тыс. – приемлемая цена для их слабосильного детища

Крутящий момент… головы

Япония – странный край, чуждый для моего восприятия. Честь самураев, феодальные междоусобицы – еще куда ни шло, но современная культура, да и фольклор этого государства снова и снова вгоняют меня в ступор. Если говорить об автобрендах, то все они – дети своей страны, но компания Nissan – определенно самый колоритный ее представитель. Даже в продающихся моделях этот бренд стремится скорчить покемонскую рожицу (один паркетник Juke чего только стоит), а когда дело доходит до экологичного транспорта – тут уж сами духи предков велели не сдерживаться… Так что новый концепт, представленный на автосалоне 2005 года в Токио, был выполнен сообразно традициям, утвердившимся в стенах этого производителя.

1 / 3

2 / 3

Дебютная версия Pivo умела только поворачивать голову и шептать заклятья из своей умной медиасистемы

3 / 3

Дебютная версия Pivo умела только поворачивать голову и шептать заклятья из своей умной медиасистемы

Но выделяется этот электрокар среди армии собратьев не только внешностью. Круглобокий Nissan Pivo (от англ. pivot – «вращаться») также до одури технологичен. В первую очередь, у машины такого типа наконец-то появился приличный запас хода – более 100 км. Дисковые электромоторы со встроенными инверторами тока сделаны такими компактными, что уместились в ступицах Pivo, и «зеленомобиль», будто по волшебству, обрел полный привод. Энергией концепт обеспечивают 24 литий-ионные батареи – удачный итог совместной работы Nissan и NEC. Обе компании уверяют, что этих аккумуляторов хватит на 100 тысяч километров пробега или пять лет эксплуатации. Кроме того, машина оправдывает свое название вращающейся на 360º кабиной и колесами с электроприводом, способным разворачивать их относительно вертикальной оси, т. е. парковать Pivo боком! Также шасси концепта оснащено подвижными рычагами, устраняющими продольные крены кузова: при разгоне они смещают колеса назад, а при торможении – вперед.

Трехместная кабина порадует своего «ездока» панорамным остеклением, монитором кругового обзора и навигационной системой, распознающей язык жестов. Мягкие и приятные на ощупь материалы обивки салона призваны успокоить водителя, а если этот процесс затянется, в дело вступает робот-головастик, интегрированный в приборную панель. С помощью телекамер он способен определить настроение человека по выражению его лица, чтобы затем подбодрить, развеселить или успокоить. Словом, не машина, а мечта всякого поклонника манги и японских видеоигр.

Особенности:

Не думал, что скажу это о продуктах Nissan, но внешность и правда бывает обманчива. За глупой оболочкой мультяшки скрывается высокотехнологичный аппарат, способный решить проблему с парковкой и аварийностью. Уверен, появись такая штука в обиходе, японцы вмиг наклепали бы к ней десятка два мобильных приложений, которые имитировали бы езду в танке/батискафе/космическом шлюпе. Но все еще возможно, ведь как сказал Карлос Гон, глава альянса Renault/Nissan (да-да, французы и здесь отметились!) на презентации этого концепта: «Автомобильная промышленность вступает в эру беспрецедентных перемен». Понимай теперь это, как хочешь…

1 / 5

2 / 5

Зато прокаченный вариант Pivo знаменит всем остальным, включая дверь кабины а-ля BMW Isetta

3 / 5

Зато прокаченный вариант Pivo знаменит всем остальным, включая дверь кабины а-ля BMW Isetta

4 / 5

Зато прокаченный вариант Pivo знаменит всем остальным, включая дверь кабины а-ля BMW Isetta

5 / 5

Зато прокаченный вариант Pivo знаменит всем остальным, включая дверь кабины а-ля BMW Isetta

Червивое яблоко

Не знаю, что вдохновило дизайнеров на создание следующего «зеленомобиля», но его кузов напоминает изъеденное червем яблоко. Может быть, нестройные ряды разнокалиберных иллюминаторов есть зашифрованное послание масонской ложе? Или это месть всем бабушкам мира, кормившим своих внуков испорченными фруктами? А может, глава Motor Development International с ума сходит по швейцарскому сыру? На все эти вопросы сложно найти ответ, но лично я думаю, что таким образом авторы микрокара Airpod пытались снизить массу его кузова.

Критично ли это? Еще бы, ведь снаряженный автомобильчик весит всего 220 кг, при этом 80 кг приходится на баллоны с воздухом. И на кой же ляд оные ему сдались? В это сложно поверить, но сжатый воздух аппарат Airpod использует в качестве… топлива! Пневмодвигатель потребляет минимум энергии и способен разогнать машинку до 70 км/ч. Одного баллона, накачанного воздухом, хватает на 200 км пути, при этом «пневмомобиль» способен тянуть на себе еще 300 кг груза. Процесс его зарядки крайне прост и занимает всего пару минут – конечно, при наличии рядом специальной станции. Зато для атмосферы Airpod абсолютно безвреден, поскольку не выделяет выхлопных газов.

Особенности:

Компания Motor Development International тоже родом из Франции, но в отличие от остальных своих соотечественников, ее идеи более чем эффективны. Лицензию на производство Airpod уже выкупил индийский холдинг Tata Motors, а местные власти планируют укомплектовать «пневмомобилями» все аэропорты страны. Вопрос о передвижении этих автомобильчиков по загруженным мегаполисам пока остается открытым, так как аппарат наверняка провалит даже самый щадящий краш-тест – конструкция-то хлипенькая! К тому же пневмодвигатель не способен функционировать при низких температурах, так что его потенциальный рынок сбыта ограничен субтропическим климатическим поясом. Зато разработчикам есть, куда расти.

Экологический класс автомобиля – важная тема, обходить которую стороной просто нельзя. Давайте вместе разберемся в классах авто и выделим самые экологичные машины.

Как узнать экологический класс автомобиля?

Узнать экологический класс своего автомобиля можно на сайте Госстандарта. Для этого в строке поиска введите VIN автомобиля и нажмите «поиск». Все авто делятся на пять классов: ЕВРО 2, ЕВРО 3, ЕВРО 4, ЕВРО 5. Деление происходит в зависимости от содержания вредных веществ в выхлопе ТС. Чем вредных веществ больше, чем жестче предъявляемые к стандартам требования. В Российской федерации действующими являются стандарты ЕВРО 3 – ЕВРО 5. Чтобы ввезти автомобиль на территорию страны, потребуется сертификат ЕВРО 5. Также проверить экологичность своей машины можно по году выпуска, для этой цели применяется специальная таблица экологичности авто.

Таблица экологических классов автомобилей

По таблице экологических классов автомобилей можно определить принадлежность своего ТС к одному из пяти классов: ЕВРО 2, ЕВРО 3, ЕВРО 4, ЕВРО 5.

Евро 1 является самым первым стандартом, который стал применяться для обозначения экологичности автомобилей с бензиновым двигателем. Этот стандарт по сравнению с другими – наиболее лояльный по отношению к авто.
Евро 2 был принят в 2005-м году и представляет собой усовершенствованную версию прошлого стандарта.
Евро 3 имеет более ужесточенные требования. Чтобы авто попадал под этот стандарт, вредные компоненты в выхлопе должны быть снижены на 35% по отношению к предыдущему стандарту.
Евро 4 подразумевает уменьшение вредных веществ в выхлопе на 40%.
Евро 5 – самый экологичный стандарт автомобилей, ставший обязательным в станах Евросоюза с 2008-года.

Экологически чистые автомобили

Экологически чистые автомобили часто называют «зелёными». Использование бензина и производство выбросов в атмосферу у таких авто минимально. Мировой автопром в последние годы делает на этом поприще огромные успехи, создавая новые эко-модели и усовершенствуя старые образцы.

Совет от Сравни.ру: покупая авто, учтите, что эко-автомобили бывают гибридными, способными ездить от заряда электричества, так и на обычном топливе – бензине. Бывают только на электричестве с необходимостью периодической подзарядки аккумулятора. Существуют еще варианты эко-авто, работающие на биотопливе. Также есть и дизельные «зеленые» машины.

Экологические требования к современному автомобилю являются в настоящее время приоритетными. Экологическая безопасность — это свойство автомобиля снижать негативные последствия влияния эксплуатации автомобиля на участников движения и окружающую среду. Она направлена на снижение токсичности отработанных газов, уменьшение шума, снижение радиопомех при движении автомобиля.

Несмотря на многочисленные попытки заменить двигатель внутреннего сгорания каким-либо другим, не выделяющим токсичные вещества, альтернативы ему пока нет. А если принципиально новый двигатель и появится, то переналадка производства для его крупносерийного выпуска потребует грандиозных капиталовложений и произойдет далеко не сразу. Вместе с тем уже сейчас человечество подошло к той черте, когда без экологически чистого автомобиля просто не обойтись. И выход пока видится один — надо если не полностью исключить, то во всяком случае
свести к минимуму вредные выбросы ДВС.

Как образуются доставляющие всем столько хлопот вредные вещества в отработавших газах? Известно, что топливо сгорает в камере при взаимодействии с кислородом воздуха. Этот процесс сопровождается интенсивным выделением тепла, которое и
преобразуется в работу. Теоретически для сгорания 1 кг бензина требуется 14,7 кг воздуха, однако на практике этого количества оказывается недостаточно. Дело в том, что воспламенение и сгорание бензино-воздушной смеси (ее еще называют горючей) длится тысячные доли секунды, и к такому быстрому процессу она недостаточно хорошо подготовлена.

В смеси остаются газы от предыдущего цикла, препятствующие доступу кислорода к частицам топлива; кроме того, не удается добиться ее идеального перемешивания по объему цилиндра, особенно у непрогретого двигателя и на переходных режимах. В результате не все топливо окисляется до конечных продуктов, и для нормального протекания процесса сгорания его приходится добавлять. Если в горючей смеси количество топлива больше расчетного, смесь называется богатой, если меньше — бедной. При средних нагрузках главное внимание обращается на экономичность, поэтому в камеру сгорания подается несколько обедненная смесь.

При небольшом обогащении смеси скорость ее сгорания увеличивается, в камере развиваются более высокие температура и давление. Для максимальных нагрузок или резкого перехода с малой нагрузки на большую требуется богатая смесь. Большое количество топлива подается в цилиндры и при пуске холодного двигателя, когда горючую смесь образуют только самые легкие фракции топлива. В этих случаях из-за недостатка кислорода топливо сгорает не полностью. Двигатель хотя и развивает большую мощность, но работает не экономично и выбрасывает в атмосферу токсичные продукты неполного сгорания.

Наиболее токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей являются: оксид углерода (СО), оксиды азота (NОx), углеводороды (СnHm), а в случае применения этилированного бензина — свинец. Состав выбросов дизельных двигателей
отличается от бензиновых. В дизельном двигателе происходит более полное сгорание топлива. При этом образуется меньше окиси углерода и несгоревших углеводородов. Но, вместе с этим, за счет избытка воздуха в дизеле образуется большее количество
оксидов азота. Дизельные двигатели, кроме всего прочего, выбрасывают твердые частицы (сажу). Сажа, содержащаяся в выхлопе, нетоксична, но она адсорбирует на поверхности своих частиц канцерогенные углеводороды. При сгорании низкокачественного дизельного топлива, содержащего серу, образуется сернистый ангидрид.

Как же эти вредные компоненты воздействуют на человека и окружающую среду? В обычных условиях СО- бесцветный газ без запаха, он легче воздуха и поэтому может легко распространятся в атмосфере. При действии на человека СО вызывает головную боль, головокружение, быструю утомляемость, раздражительность, сонливость, боли в области сердца. Оксид азота NO — бесцветный газ, диоксид азота NO 2 — газ красно-бурого цвета с характерным запахом.

Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта. Воздействие NO 2 cпособствует развитию заболеваний легких. Некоторые углеводороды СН являются сильнейшими канцерогенными веществами (например бензапирен), переносчиками которых могут быть частички сажи, содержащиеся в отработавших газах.

В скопившихся над асфальтом облаках СН и NOx под воздействием света происходят химические реакции. Разложение оксидов азота приводит к образованию озона. Вообще-то озон не стоек и быстро распадается, но только не в присутствии углеводородов (СН) — они замедляют процесс распада озона, и он активно вступает в реакции с частичками влаги и другими соединениями. Образуется стойкое облако мутного смога. Озон разъедает глаза и легкие, а выбросы NОх участвуют в формировании кислотных дождей.

В случае применения этилированных бензинов около 50% свинца осаждается в виде нагара на деталях двигателя и в выхлопной трубе, остаток уходит в атмосферу. Свинец присутствует в отработавших газах в виде мельчайших частиц размером
1-5 мкм, которые долго сохраняются в атмосфере. Концентрация свинца в атмосфере придорожной полосы в 2-20 раз больше, чем в других местах. Присутствие свинца в воздухе вызывает серьезные поражения органов пищеварения, центральной
и периферической нервной системы. Воздействие свинца на кровь проявляется в снижении количества гемоглобина и разрушении эритроцитов.

Нормы токсичности выхлопных газов

Первыми тревогу забили в США и в Японии, где проблема загазованости в крупных городах встала особенно остро. Были законодательно утверждены требования по токсичности выхлопов новых автомобилей, которые периодически пересматривались и
ужесточались. Вскоре аналогичные законы были приняты и в странах Европы.

При современном уровне развития техники наиболее эффективным способом снижения токсичности выхлопа является нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов с использованием химических реакций окисления и (или) восстановления. С этой целью в выпускную систему двигателя устанавливают специальный термический реактор (нейтрализатор).

Устройство и принцип действия каталитических нейтрализаторов

На современных автомобилях для снижения выбросов вредных веществ устанавливаются трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы. Трехкомпонентными их называют потому, что они нейтрализуют три вредных составляющих выхлопных газов: СО, СН и NO. 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. В качестве катализатора используется платина и палладий, которые способствуют окислению СО и СН, а родий ”борется” с NOx. В результате реакций в нейтрализаторе токсичные соединения CO, CH и NOx окисляются или восстанавливаются до углекислого газа
СО 2 , азота N 2 и воды Н 2 О.

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.кв.м. 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°С. 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. Впрочем, все шире в качестве носителей каталитического слоя используются тончайшие металлические соты. Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, получить меньшее противодавление, ускорить разогрев каталитического нейтрализатора до рабочей температуры и, главное, расширить температурный диапазон до 1000-1050°С.

На первый взгляд может показаться, что установка катализатора решает все экологические проблемы. Однако, температура, при которой катализатор начинает действовать (температура активации), находится в пределах 250–350°С. Время же, необходимое для разогрева, может достигать нескольких минут и зависит от типа автомобиля, способа его эксплуатации и температуры воздуха. Холодный катализатор практически неэффективен – следовательно, необходимо уменьшить время достижения температуры активации.

Проблему частично решили, приблизив нейтрализатор к выпускному коллектору (такое сочетание часто называют катколлектором). Кроме этого, коллектор изготавливают из тонкостенных стальных труб вместо массивных чугунных и дополнительно утепляют,
уменьшив тем самым тепловые потери. Другой способ быстро прогреть нейтрализатор – подать в отработавшие газы дополнительную порцию воздуха и одновременно обогатить смесь. Топливо догорает уже на выпуске, температура выхлопных газов растет, и нейтрализатор быстрее выходит на рабочий режим. Иногда нейтрализатор разогревают электрическим термоэлементом, однако это влечет дополнительные энергозатраты.

Обратная связь

Трехкомпонентный нейтрализатор наиболее эффективен при определенном составе отработавших газов. Это значит, что нужно очень точно выдерживать состав горючей смеси возле так называемого стехиометрического отношения воздух/ топливо,
значение которого лежит в узких пределах 14,5- 14,7. Если горючая смесь будет богаче, то упадет эффективность нейтрализации СО и СН, если беднее- NOx. Поддерживать стехиометрический состав горючей смеси можно было только одним способом- управлять смесеобразованием, немедленно получая информацию о процессе сгорания, то есть, организовав обратную связь.

Для этого в выпускной коллектор поместили специально разработанный кислородный датчик- так называемый лямбда-зонд. Он вступает с раскаленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень которого зависит от количества кислорода в выхлопе. Если кислорода осталось много- значит, смесь слишком бедная, если мало- богатая. А по результатам мгновенного анализа, которым занимается электроника, можно быстро корректировать состав смеси в ту или иную сторону.

Напряжение на выходе кислородного датчика принимает два уровня. Если смесь бедная, то низковольтный сигнал дает команду на обогащение топливной смеси, и наоборот. На современных нейтрализаторах устанавливается два кислородных датчика. Первый определяет качество смеси- богатая или бедная. Другой, установленный за нейтрализатором, отслеживает эффективность нейтрализации.

Дальнейшим развитием систем коррекции являются адаптивные системы с возможностью «самообучения» в процессе эксплуатации. Суть работы таких систем заключается в том, что по мере изменения характеристик различных систем и компонентов двигателя в процессе эксплуатации (например, загрязнение форсунок, уменьшение компрессии, подсос воздуха) в специальной области памяти блока управления накапливаются «поправочные коэффициенты», используемые процессором при расчете длительности времени впрыска на различных установившихся режимах. Это позволяет поддерживать стехиометрический состав смеси даже при значительных отклонениях в состоянии системы.

Сравнительно небольшое содержание вредных компонентов в отработавших газах дизелей не требовало в прошлом установки специальных устройств. Однако ужесточение норм токсичности (Евро-3 и Евро-4) коснулось и их. Основные претензии к дизелям экологи предъявляют из-за содержания частиц сажи и окиси азота (NOx) в выхлопе. Поэтому и на дизелях появились системы снижения токсичности выхлопа, включающие рециркуляцию отработавших газов, каталитический нейтрализатор и специальный сажевый фильтр.

Система рециркуляции выхлопных газов (ЕGR) применяется на бензиновых, дизельных и газовых двигателях. Предназначена для снижения токсичности отработавших газов (главным образом содержания оксидов азота NOx) в режимах прогрева и резкого ускорения двигателя, который на данных режимах работает на обогащённой топливной смеси. Часть отработавших газов попадает в обратно в цилиндры, что вызывает снижение максимальной температуры горения и, как следствие, уменьшение выбросов оксидов азота, образующихся при высоких температурах и являющихся одними из самых токсичных веществ. Система EGR не используется на холостых оборотах (прогретый двигатель), на холодном двигателе и при полностью открытой заслонке. Работа системы вызывает снижение эффективной мощности двигателя.

Сажевые фильтры изготавливают в виде пористого фильтрующего материала из карбида кремния. В конструкциях прошлых лет фильтры периодически очищали от накопившейся сажи отработавшими газами, температуру которых для этого повышали путем обогащения смеси. Очистка фильтра происходила по команде блока управления после каждых 400-500 км пробега автомобиля.

Однако в этом случае резко увеличиваются выбросы других вредных веществ. Поэтому современный сажевый фильтр чаще всего работает в паре с окислительным нейтрализатором, который восстанавливает NОx до NO 2 и одновременно дожигает сажу, причем при более низких температурах – около 250°С.

В фильтрах нового поколения общий принцип остался прежним: задержать и уничтожить. Но как добиться нужной для сгорания частиц сажи температуры? Во-первых, фильтр разместили сразу за выпускным коллектором. Во-вторых, через каждые 300-500 км пробега контроллер включает режим многофазного впрыска, увеличивая количество поступающего в цилиндр топлива.

И, наконец, главное: поверхность фильтрующего элемента покрыта тонким слоем катализатора, который дополнительно повышает температуру выхлопных газов до необходимых 560-600°С. Фильтрующий элемент состоит, как правило, из керамической (карбид кремния) микропористой губки. Толщина стенок между ее каналами не превышает 0,4 мм, так что фильтрующая поверхность очень
большая. Иногда эту «губку» делают из сверхтонкого стального волокна, также покрытого катализатором.

Набивка настолько плотная, что задерживает до 80% частиц размером 20-100 нм. Новые фильтры стали активно участвовать в управлении работой двигателя. Ведь режим обогащения включается по сигналу от датчиков давления, установленных на входе и выходе фильтра. Когда разность показаний становится значительной, компьютер воспринимает это как признак закупоренности «губки» сажей. А выжигание контролируют с помощью датчика температуры.

Яркий пример современного механизма очистки выхлопа дизелей – электронная система управления дизельным двигателем EDС (electronic diesel control), разработанная компанией Bosch. Ее конструкция включает в себя многокомпонентную систему выпуска отработавших газов, в которой предусмотрено семь датчиков – два лямбда-зонда, два температурных, два давления и один уровня сажи в выхлопе, а также три очистительных элемента – каталитический нейтрализатор, катализатор-накопитель и сажевый фильтр накопительного типа.

Датчики в системе выхлопа позволили оптимизировать процессы смесеобразования и сгорания. Кстати, для этого под контроль «мозгу» EDС передали и многие системы двигателя – топливо- и воздухоподачи, рециркуляции отработавших газов, электронную дроссельную заслонку и турбонаддув. С помощью датчиков давления на входе и выходе из сажевого фильтра EDС контролирует степень его загрязнения. Эффективность работы катализаторов оценивается по показаниям двух лямбда-зондов
(на входе и выходе). Корректировка работы систем двигателя осуществляется на основании показаний лямбда-зондов, датчиков температуры и уровня сажи на выходе. Каталитический нейтрализатор «перерабатывает» токсичные составляющие выхлопа – NO, NO 2 , CO, CН – в нетоксичные и малотоксичные соединения – H 2 O, N 2 , CO 2 ,
а катализатор-накопитель выполняет функции дополнительной очистки от окиси азота (NO 2) и предварительной – от частиц сажи.

Основные правила эксплуатации автомобиля с каталитическим нейтрализатором

Для обеспечения эффективной работы нейтрализатора необходимо использовать только качественное не этилированное топливо, так как содержащийся в бензине тетраэтилсвинец необратимо “отравляет” каталитическую поверхность.

Во время и после работы двигателя корпус нейтрализатора имеет достаточно высокую температуру. В связи с этим, во избежание пожара, не следует парковать автомобиль над легко воспламеняющимися предметами, например сухими листьями, травой, бумагой и т.д.

Следует соблюдать основные правила, приведенные в инструкции по эксплуатации автомобилей. Они направлены на предупреждение ситуации, когда в нейтрализатор может попасть значительное количество не сгоревшего топлива. В этом случае возможная вспышка может привести к его разрушению.

не следует бесполезно крутить двигатель стартером длительное время;
в холодное время года, если двигатель не запустился с первой попытки, необходимо избегать повторных включений стартера через короткие промежутки времени;
нельзя пускать двигатель путем буксировки;
запрещается проверять работу цилиндров, отключая свечи зажигания.

К экологичным автомобилям относятся те, что по сравнению с обычным автомобилем, работающем на бензине или на аналогичном топливе, менее загрязняют окружающую среду. Различают несколько типов экологичных автомобилей:

Транспорт на водороде. В таком автомобиле в качестве топлива используется водород. Там может быть установлен как ДВС, так и водородные топливные элементы.
Гибридный автомобиль. Гибрид представляет собой и ДВС и Электродвигатель в одном «флаконе». Питается как зарядом электрического тока, так и горючим, тем самым снижая расход топлива и выхлопных газов.
Электромобиль. Данный автомобиль приводится в движение лишь за счёт электрической энергии от батарей, а не от ДВС.
Автомобиль на природном газе. Двигатель этого автомобиля является лишь модификацией. Это ДВС переделанный для использования в качестве топлива сжиженного или сжатого природного газа.
Воздухомобиль. Имеет пневматический двигатель и работает на сжатом воздухе. Имеет встроенный компрессор.

В данный момент правительства разных стран, в том числе и большие компании, всячески поощряют владельцев экологичных автомобилей и тех, кто хочет их приобрести. Это и предоставление кредитов, и всяческие льготы. Это связано с тем, что люди очень обеспокоены состоянием окружающей среды, и соответственно экологичные автомобили имеют всё больший спрос.

Автомобили с невозобновляемым природным топливом потихоньку уходят на второй план. Основной особенностью экологичных автомобилей является то, что они используют средства сохранения энергии, «рекуперацию». При торможении кинетическая энергия не рассеивается, как это происходит в обычном автомобиле, а подаётся на генераторы и другие системы.

Примечательно то, что электромобили появились раньше своих бензиновых аналогов. Но с приходом ДВС (который стоит дешевле и проще в обслуживании) о них забыли. О них вспомнили лишь в середине 1970-х, когда очень сильно подскочили цены на нефть.

При всех своих плюсах, и у экологичного автомобиля есть минусы. В основном это связано с материалами из которых построен автомобиль. Некоторые из них хоть и используют экологически чистое топливо, это топливо также является невозобновляемым в природе.

На данный момент многие производители ломают себе голову над тем, как построить действительно хороший во всех отношениях автомобиль. Экологичность идёт в ущерб запасу хода и красоте, а красота и больший запас хода идут в ущерб экономичности и экологичности. Создать экономичный, быстрый, красивый и экологически чистый автомобиль, мечта всех инженеров.