Анализ влияния дизельных двигателей на экологию

Аннотация: в этой статье рассматриваются экологические воздействия химических веществ, присутствующих в выхлопных газах дизельных двигателей, а так же дается обзор на альтернативные двигатели, их преимущества и недостатки.
Ключевые слова: дизельный двигатель, выхлопные газы, экологические последствия, карьерный транспорт, здоровье.
Дизельный двигатель, названный в честь Рудольфа Дизеля, является двигателем внутреннего  сгорания,  в котором  воспламенение  топлива вызвано повышенной температурой воздуха в цилиндре из-за механического сжатия ( адиабатическое сжатие ). Такой двигатель отличается от двигателей с искровым зажиганием, таких как  или , которые используют свечу зажигания для воспламенения топливовоздушной смеси.
Дизельный двигатель имеет самый высокий тепловой КПД среди всех двигателей внутреннего и внешнего сгорания, благодаря очень высокой степени расширения и обедненному горению, что позволяет рассеивать тепло избыточным воздухом. Небольшая потеря эффективности также предотвращается по сравнению с двухтактными бензиновыми двигателями без непосредственного впрыска, поскольку несгоревшее топливо не присутствует при перекрытии клапана и, следовательно, топливо не поступает непосредственно из впускного или впрыскивающего устройства в выхлопную трубу. Низкоскоростные дизельные двигатели (используются на судах и в других областях, где общий вес двигателя относительно не важен) могут достигать эффективности до 55%. [1]Дизельные двигатели могут быть сконструированы как двухтактные, так и четырехтактные. Первоначально они использовались в качестве более эффективной замены стационарных паровых двигателей. С 1910-х годов они используются на подводных лодках и кораблях. Использование в локомотивах, грузовиках, тяжелом оборудовании и электростанциях последовало позже. В 1930-х годах их постепенно начали использовать в легковых автомобилях. С 1970-х годов в США возросло использование дизельных двигателей в более крупных дорожных и внедорожных транспортных средствах. [2]Самые крупные в мире дизельные двигатели, введенные в эксплуатацию, - это 14-цилиндровые двухтактные судовые дизельные двигатели; они вырабатывают пиковую мощность почти 100 МВт каждая.
Воздействие дизельного двигателя на здоровье и экологию
Необходимо отметить, что на автомобили и оборудование с дизельным двигателем приходится почти половина всех оксидов азота (NOx) и более двух третей всех выбросов твердых частиц.
Твердые частицы или сажа образуются при неполном сгорании дизельного топлива. В его состав часто входят сотни химических элементов, в том числе сульфаты, аммоний, нитраты, углерод, конденсированные органические соединения и даже канцерогенные соединения и тяжелые металлы, такие как мышьяк, селен, кадмий и цинк. [2, 3]Твердые частицы различаются по размеру от крупных частиц (менее 10 микрон в диаметре), до мелких частиц (менее 2,5 микрон) и до ультратонких частиц (менее 0,1 микрон). Сверхтонкие частицы, которые достаточно малы, чтобы проникать в клетки легких, и составляют 80-95% загрязнения дизельной сажи.
Твердые частицы раздражают глаза, нос, горло и легкие, вызывая респираторные и сердечно-сосудистые заболевания и даже преждевременную смерть. Каждый человек подвержен загрязнению дизельной сажей, но дети, пожилые люди и люди с уже существующими респираторными заболеваниями являются наиболее уязвимыми. По оценкам исследователей, по всей стране десятки тысяч людей ежегодно умирают преждевременно в результате загрязнения частицами. [3]Дизельные выбросы оксидов азота способствуют образованию озона на уровне земли, который раздражает дыхательную систему, вызывая кашель, удушье и снижение объема легких. Загрязнение озоном представляет опасность, как для здоровых взрослых, так и для людей, страдающих от респираторных заболеваний. Загрязнение озоном в городах вызвало увеличение госпитализации по поводу респираторных заболеваний, таких как астма. [9]Помимо влияния на здоровье, выбросы дизельного топлива способствуют загрязнению воздуха, воды и почвы; уменьшению видимости; и глобальному изменению климата. В результате были, созданы программы контроля, направленные на сокращение выбросов дизельного парка. Изменения в топливе, такие как снижение содержания серы и ароматических веществ, привели к немедленным улучшениям во всем автодорожном и внедорожном парке дизельных двигателей и обещают дальнейшие улучшения в будущем. [5]Технологические изменения, такие как модификации двигателя, рециркуляция выхлопных газов и каталитическая обработка, требуют более длительного времени для полной реализации из-за медленной смены парка. Тем не менее, они в конечном итоге приводят к значительному сокращению выбросов и будут постоянно расширяться во всем мире. Новые технологии, такие как гибриды и топливные элементы, демонстрируют значительные перспективы в снижении выбросов из источников, в которых в настоящее время преобладает использование дизельного топлива. Агентства по борьбе с загрязнением должны учитывать существующие выбросы с помощью программ, таких как модернизация отработавших газов и инспекция дыма.
Альтернативные двигатели
Горнодобывающую промышленность невозможно представить без карьерной техники, такой как карьерные самосвалы, экскаваторы и погрузчики, которые работают с использованием дизельных двигателей. Негативное воздействие дизельных двигателей известно довольно давно и в настоящее время проводится поиск новых двигателей, способных превзойти дизельный двигатель по КПД, снижению вредных выбросов и экономичности. [4]Наиболее распространенной маркой карьерных самосвалов является БЕЛАЗ. Ежегодно в России продается около 800 самосвалов, а работает в карьерах - 1725 и эти числа постоянно увеличиваются.
Среди российских производителей погрузчиков в 2018 году большой скачок вперед сделало ЗАО "ЧСДМ", выпустив 401 погрузчик.
Наиболее широкое применение в практике карьерной техники наряду с дизельным двигателем, получили роторный и газотурбинный двигатели.
Роторный двигатель - это бензиновый двигатель, имеющий принципиально иную конструкцию основного силового агрегата. Роторный двигатель не имеет цилиндров и коленчатой ​​группы. Вместо поршней с их возвратно-поступательным движением он имеет вращающийся ротор, который передает крутящий момент через зубчатую передачу. В роторном двигателе нет клапанов, а есть только впускные и выпускные отверстия. [6]
Без подробного анализа структурных и технико-экономических характеристик этого двигателя (меньшая масса, компактность, высокая скорость, высокая удельная мощность на единицу массы, простота производства, отсутствие вибрации, способность работать на топливе с низким октановым числом, и т. д.), отметим, что он дает немного меньше токсичных выхлопов из-за снижения содержания оксидов азота. Благодаря конструктивным особенностям и компактности, роторный двигатель облегчает установку дополнительных устройств для очистки выхлопных газов и улучшает протекание реакций в них за счет более высокой температуры выхлопных газов (несмотря на более низкую температуру сгорания). [7]
Главная причина лежит в меньшей экономичности роторного двигателя по сравнению с традиционным поршневым. Кроме этого, до конца не удалось преодолеть существенные конструкционные трудности с обеспечением необходимой плотности между корпусом (блоком) двигателя и ротором по мере износа их в процессе эксплуатации. В силу названных причин новые автомобили с роторными двигателями почти перестали появляться на выставках (салонах) автомобилей. Тем не менее ряд зарубежных фирм работают над усовершенствованием этого двигателя.
Газотурбинный двигатель. Газовые турбины, как известно, широко применяются на воздушном транспорте. Они имеют малую массу, рекордную удельную мощность, компактность, малое число подвижных частей, плавность работы и другие качества. [6, 7]Попытки использовать газотурбинный двигатель в автомобиле были сделаны давно. Еще в 1959 году в СССР был создан экспериментальный автобус с газотурбинным двигателем. В ходе его испытаний были обнаружены существенные недостатки, среди которых важное место занимали низкая топливная эффективность двигателя, а также трудности адаптации его к условиям эксплуатации транспортного средства (низкая реакция дроссельной заслонки, невозможность динамического торможения).
В 1970 году в СССР был изготовлен карьерный самосвал грузоподъемностью 120 тонн и газовой турбиной мощностью 880 кВт. Позже новый отечественный газотурбинный двигатель мощностью 260 кВт был испытан на новой модели грузовика МАЗ-6422. [8]
Преимуществами этого двигателя являются отсутствие вибрации, низкий уровень шума, возможность работы без системы водяного охлаждения и достаточно чистые выхлопные газы. Были опубликованы прогнозы, согласно которым в США в 1980 году планировалось выпустить 50 тысяч автомобилей с газотурбинными двигателями. Однако эти прогнозы не оправдались, так как основной причиной является более низкая эффективность создаваемых газовых турбин по сравнению с карбюраторным двигателем и дизельным двигателем. [6]
Недостаточный КПД газовой турбины связан с относительно невысокой температурой рабочего процесса. Повышение этой температуры требует применения дорогих жаропрочных металлов и сложных конструкций турбинных лопаток. Все еще газотурбинный двигатель остается сложным по конструкции и дорогим. Что касается отработавших газов, то результаты большинства испытаний говорят о существенно меньшей их токсичности в части окиси углерода и углеводородов. [8]Таким образом, можно отметить, что дизельный двигатель является наиболее эффективным из наиболее распространенных двигателей на сегодняшний день. Дизельные двигатели перемещают большую часть мировых товаров, приводят в действие большую часть мирового оборудования и генерируют электроэнергию более экономично, чем любое другое устройство в своем диапазоне размеров. Но дизельное топливо является одним из крупнейших источников проблем загрязнения окружающей среды во всем мире, и останется таковым, поскольку ожидается значительное увеличение числа транспортных средств и пройденных миль транспортных средств, что приведет к постоянно увеличивающимся глобальным выбросам. Выбросы дизельного топлива способствуют развитию рака; воздействие на сердечно-сосудистую систему и органы дыхания, а так же загрязнению воздуха, воды и почвы; уменьшению видимости; и глобальному изменению климата.
Для решения этих проблем проводятся исследования по поиску новых или усовершенствованию известных двигателей, которые будут способны обойти дизельные двигатели по коэффициенту полезного действия, экономичности и минимальности выделяемых вредных веществ в окружающую среду.
Список литературы:
1. Потапов, М.Г. Карьерный транспорт; Недра; Издание 5-е, перераб. и доп. - М., 2016. - 239 c.
2. Мариев П. Л., Егоров А. Н., Клименюк В. И. БелАЗ - горному производству - М.: Горный журнал, № 1, 2012. – 64с.
3. Пухов Ю.С. Рудничный транспорт., 2-е издание, перераб. и доп., Москва, «Недра», 2001. – 454с.
4. Мельников Н. Н., Решетняк С. П. Перспективы решения научных проблем при отработке мощных глубоких карьеров - Якутск: Горное дело - ИГД СО РАН, 1994.
5. Журнал Природа и человек. №8, изд.: Наука Москва 2003.- 84с.
6. Яковлев В. Л., Бахтурин Ю. А., Столяров В. Ф. Некоторые перспективные направления исследований в области карьерного транспорта//Материалы международной научно-технической конференции по карьерному транспорту. - Екатеринбург, 2002. – 238с.
7. Яковлев B.Л. Теория и практика выбора транспорта карьеров - Новосибирск: Наука, 2009. – 326с.
8. Ерохов В.И., Бондаренко Е.В. Статья: Экспериментальные исследования режимов работы автотранспортных средств в промышленных условиях эксплуатации. - Вестник ОГУ - 2004. – 364с.
9. Михайлов В.А., Бересневич П.В. Снижение запыленности и загазованности воздуха - Киев: Техника, 1999. – 298с.