Технические науки/ Транспорт
Д.т.н.,
профессор Е.Е. Баженов
Уральский
государственный лесотехнический университет, Россия
Инженер
Л.В. Баженова
Уральский
государственный университет путей сообщения, Россия
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧНОСТИ
АВТОМОБИЛЯ
Совершенство транспортного средства в настоящее время определяется не
только использованием современных или перспективных материалов и технологий, не
только оснащенностью системами автоматики и электроники, но и топливной экономичностью и экологичностью,
которые, в конечном итоге, характеризуют и технический и технологический
уровень страны, выпускающей автомобиль.
Существуют несколько путей повышения
экономичности и экологичности транспортных средств: компьютеризация автомобиля, применение более
дешевого топлива, эксплуатационные свойства которого не уступают традиционному,
использование современных технологий для очистки выхлопных газов от вредных
примесей.
Наиболее доступным методом решения
проблемы экономичного и рационального использования топливных ресурсов с
одновременным улучшением экологических показателей является создание
эффективных конструкций газобаллонной аппаратуры и широкое внедрение газообразного топлива на грузовых и легковых
транспортных средствах.
В России газовое топливо для двигателей
внутреннего сгорания стало применяться
с 1974 года. Это позволило сэкономить несколько миллионов тонн более дорогого
жидкого топлива. При создании и использовании газобаллонного оборудования
эксплуатационные характеристики автомобиля должны отличаться от базовых (то
есть при работе на жидком топливе) не более чем на 7%.
Сжиженные нефтяные газы представляют собой
легкие углеводороды, которые получают, как правило, перегонкой, крекингом или пиролизом (высокотемпературной
деструктуризацией) нефтепродуктов. Так же такие газы образуются при разделении
на фракции нефтяного попутного и природного газов.
Нефтяные газы при сравнительно невысоком
избыточном давлении (1-2 МПа) и широком
диапазоне температур находятся в жидком состоянии. Основными компонентами
нефтяных газов являются пропан, бутан и пропилен.
Физико-химические свойства пропана и
бутана значительно отличаются. Бутановая составляющая является наиболее
калорийным и легкосжижаемым компонентом, а пропан и пропилен обеспечивают
оптимальное насыщение паров в газовом баллоне. Даже незначительное изменение
процентного соотношения этих газов в газовом топливе оказывает влияние на
режимы работы двигателя. Состав газового топлива регламентируется ГОСТ
57578-87. По этому стандарту предусматривается две марки газового топлива:
зимнее – ПА (пропан автомобильный), и летнее – ПБА (пропан-бутан
автомобильный). ПА содержит от 80 до 95% пропана, а ПБА 40-60%.
Особенностью нефтяных газов является то,
что они транспортируются и хранятся в жидком состоянии, а используются как
топлива в двигателе – в газообразном.
Газовое топливо должно обладать хорошими
испаряемостью и смешиваемостью с воздухом. Это необходимо для образования
однородной и высококалорийной горючей
смеси, имеющей высокие антидетонационные свойства и минимальное содержание
смолистых веществ и механических примесей.
Основные компоненты газового топлива
(пропан и бутан) не имеют ни цвета, ни запаха. Поэтому, чтобы обнаружить их
утечку из системы питания, в газ добавляют одоранты – вещества с неприятным
запахом. В качестве одоранта используют этилмеркаптан. Это приводит к тому, что
запах газа ощущается уже при 0,5% содержании в объеме. Одоранты в небольших
количествах абсолютно безвредны.
При атмосферном давлении нефтяные газы не
токсичны по причине плохой растворимости в крови человека. Но, смешиваясь с
воздухом и попадая в организм человека, компоненты газовой смеси уменьшают
содержание кислорода в крови. Пропан-бутановые смеси, выливаясь из емкости в
жидкой фазе, испаряются, отнимая тепло, поэтому сжиженный газ, попадая на тело
человека, может вызвать обморожение.
Важным преимуществом газового топлива
является относительно невысокая стоимость.
Наработка между капитальными ремонтами
двигателя, работающего на сжиженном газе, увеличивается в 1,5 раза по сравнению
с двигателями на жидком топливе. Газовое топливо не смывает масляную пленку со
стенок цилиндра, что приводит к улучшению условий смазки цилиндропоршневой
группы, не дает нагара и лаковых отложений в двигателе и системе питания. При
работе двигателя на сжиженном газе не возникает явления разжижения моторного
масла и загрязнения его продуктами коксования и прочими загрязнениями, что
ведет к увеличению периодичности замены масла и масляных фильтров. Значительно
(до 40%) увеличивается срок службы свечей зажигания.
Октановое число газового топлива лежит в
пределах 95 – 110 единиц. Это дает
возможность применять его на двигателях с высокими степенями сжатия (до 12 ).
Огромное преимущество газового топлива –
его высокая экологичность. Контролируемых токсичных составляющих в отработавших
газах значительно меньше, чем у бензиновых двигателей: окиси углерода (СО) в
3-4 раза; углеводородов (СН) в 1,2-1,4
раза; окислов азота (NO) в 1,2-2
раза. В газах нет вредных соединений свинца. Но эти показатели достигаются
благодаря профессиональной регулировке
газоподающей аппаратуры и правильной ее эксплуатации.
Скорость сгорания газовоздушной смеси
значительно ниже, чем бензовоздушной. Это ведет к ощутимому уменьшению шумности
двигателя (до 10 дБ), двигатель работает мягче. Это снижает нагрузки в
кривошипно-шатунном механизме, повышая его ресурс.
Но не все так радужно. Использование
газового топлива приводит к уменьшению мощности двигателя на 5-7%. Причина –
меньшая теплота сгорания топлива, уменьшение коэффициента наполнения и скорости
распространения фронта пламени в цилиндрах двигателя.
Пусковые качества холодного двигателя на
газовом топливе при положительных температурах окружающего воздуха и при
понижении температуры до минус 5оС не отличается от пуска двигателя
при работе на жидком топливе. При температурах ниже минус 5оС пуск
затруднен. Обычно рекомендуется при
низких температурах пуск двигателя осуществлять на жидком топливе, а после
прогрева включать питание от газобаллонной установки. Прогретый же двигатель
запускается как при положительной температуре окружающего воздуха.
При эксплуатации автомобилей с
газобаллонными установками большинство дефектов связаны с нарушением
герметичности трубопроводов и систем или с разрывами мембран. Появление
внутренней разгерметизации в газовой аппаратуре, в отличие от бензиновой,
вызывает снижение эксплуатационных свойств автомобиля и снижает безопасность
эксплуатации.
Эффективная и безопасная эксплуатация
газобаллонных автомобилей требует комплексного подхода, включающего, в первую
очередь, разработку простой по конструкции и надежной в эксплуатации
газобаллонной арматуры. Во-вторых - создание сети специализированных
предприятий по установке газобаллонного оборудования и его технического
сопровождения. Но самое главное – подготовка высококвалифицированных
специалистов всех уровней, способных обеспечить грамотную эксплуатацию и ремонт
оборудования.
Для очистки выхлопных газов от вредных примесей целесообразно
использовать современные молекулярные технологии. Нанотехнологии
– мало исследованные дисциплины. Основные открытия, предсказываемые в этой
области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают
хорошие результаты. Нанотехнология —
следующий шаг развития наукоёмких
производств, за нанотехнологиями будущее во многих областях науки и
техники.
В развитых странах большое значение имеют
результаты работ по нанотехнологиям, это приводит к разработке множества программ по их развитию на государственном
уровне.
Развивающаяся в мире технология управления
структурой вещества с атомного уровня позволяет получать такие объекты как
нанотрубки и фуллерены двух типов: органические (углеродные и полимерные) и
неорганические [1,2].
Углеродные нанотрубки являются, вне сомнений, уникальным и
перспективным материалом. Из них можно
делать различную продукцию, так как они превосходят традиционные материалы, за
счет своей развитой поверхности и
устойчивости структуры.
Углеродные нанотрубки применяются во
многих областях. Но к сожалению, в экологии пока не нашли широкого
применения. А экология, тем временем,
играет одну из важных ролей в современном мире. Особенно остро стоит проблема
загрязнения воздуха в крупных городах и промышленных центрах. Основной источник
загрязнения – автомобильный транспорт.
Во всем мире пытаются разработать, либо
найти высокоэффективные адсорбенты, позволяющие решать задачи в области
экологии (контроль загрязняющих веществ и способы очистки от них водных и
воздушных сред).
Экологические проблемы можно было бы
объединить в одно направление на базе применения наноструктур – нанотрубок.
Применение и использование углеродных нанотрубок позволило бы решить многие экологические задачи.
Нанотрубки – это своеобразные цилиндрические
молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких
микрометров. Нанотрубки демонстрируют целый спектр самых неожиданных
электрических, магнитных, оптических свойств. Нанотрубки могут быть и
проводниками, и полуметаллами, и полупроводниками. В них наблюдается и
сверхпроводимость. Несмотря на кажущуюся хрупкость, нанотрубки оказались на
редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений,
превышающих критические, нанотрубки не рвутся и не ломаются, а перестраивают
свою структуру [2,4].
Неорганические нанотрубки встречаются в
природе в виде минералов. Один из таких минералов – асбест. Существует два основных типа асбестов — хризотил-асбест и амфибол-асбест
[4].
Хризотиловый асбест – волокнистый минерал группы серпентина, водный силикат
магния Mg3Si2O5(OH)4. Химический состав может варьироваться в
зависимости от того или иного месторождения. В качестве примесей в нем могут
присутствовать Al, Fe, Ca, Ni, Mn, K, Na. Хризотиловый асбест - основной на сегодня
вид асбеста, применяемый в промышленности.
Хризотиловый асбест имеет очень интересную
нестандартную кристаллическую структуру. Он состоит из структурных слоев,
которые ограничены с внутренней стороны кремнекислородной сеткой, а с внешней –
сеткой, отвечающей гидроокиси магния. Поскольку размеры внутренней сетки
меньше, чем внешней, слои хризотилового асбеста стремятся свернуться в цилиндры
(трубки).
Помимо огнестойкости, устойчивости к
воздействию кислот и щелочей и других свойств, промышленная ценность асбеста
определяется длиной волокна и его прочностью. Так, по длине волокна
хризотил-асбест подразделяется в нашей стране на 8 сортов (от 0 до 7). Для
нулевого сорта длина волокна превышает 13 мм, а для седьмого – менее 1 мм.
Хризотил-асбест
используется для производства огнеупорных костюмов (для пожарных), труб и
шифера, всевозможных картонно-бумажных
изделий. Хризотил-асбест, не содержащий железа, является электроизолятором и
используется в промышленности. Лучшие длинноволокнистые сорта хризотил-асбеста
применяются в текстильной промышленности. Наиболее качественное волокно идет на
изготовление фильтров.
Ни один из известных материалов
заменителей асбеста не имеет всей гаммы полезных свойств, которыми обладает
хризотил-асбест [1,5].:
- прочность на разрыв более 3000 Мпа, что превосходит
сталь;
- плотность от 2.4 до 2.6 г/см3;
- температура плавления от 1450 до 15000 С;
- коэффициент трения 0.8 единиц;
- щелочестойкость от 9.1 до 10.3 рН;
- удельная поверхность 20 м2/г.
Хризотил-асбест представляет собой наноразмерные
трубки природного происхождения, имеющие разброс по диаметру, плотноупакованные
в минерале и собранные в жгуты.
Хочется обратить внимание, что
хризотил-асбест по своей структуре и
свойствам очень похож на углеродную нанотрубку, и обладает множеством полезных
свойств.
Основные различия хризотила по сравнению с
углеродными нанотрубками [1,5].:
- большая жесткость;
- изначально являются многослойными;
- трубки образуются открытыми без фуллереновых
полусфер;
- кривизна (следовательно, и диаметр нанотрубок)
определяется исключительно внутренней кристаллической структурой;
- более дешевый материал.
Россия
возглавляет мировой список по запасам и добыче природного и уникального
материала хризотила.
В настоящее время в России, да и во всем
мире, остро стоит проблема экологии (особенно автотранспорт). Ученые пытаются
разработать, либо найти высокоэффективные адсорбенты, позволяющие решать задачи
в области экологии (контроль загрязняющих веществ и способы очистки от них
водных и воздушных сред).
Получение и применение нового
наноматериала (хризотил-асбеста) могло бы кардинально изменить экологическую ситуацию.
Литература
1. Елецкий А. В. Углеродные нанотрубки и их эмиссионные
свойства. Успехи физических наук, т. 172, № 4, 2002 – 401с.
2.
Елецкий А. В. Углеродные
нанотрубки, Успехи физических наук, т. 167, № 9, 1997 – 954с.
3.
Промышленная экология: Учебное пособие / Под ред.
В. В. Денисова. — М., ИКЦ 2007.
4.
Асбест // Энциклопедический
словарь Брокгауза и Ефрона: В 86
томах (82 т. и 4 доп.). — СПб,
1890—1907.
5.
Лозовик Ю. Е., Попов А. М. Образование и рост углеродных наноструктур, Успехи физических
наук, т. 167, № 7. 1997 - 263с.