Определение:
Детонация моторных топлив - чрезмерно быстрое сгорание топливной смеси в цилиндре карбюраторного двигателя из-за накопления органических пероксидов в топливной смеси. Вызывает характерный металлический “стук”, вибрацию, перегрев двигателя.
[Советский энциклопедический словарь, Москва 1989]
Детонация повреждает двигатель и снижает его эффективность. Существуют два способа борьбы с детонацией:
1. добавление в топливо антидетонаторов.
2. увеличение содержания в топливе углеводородных изомеров, отличающихся более плавным сгоранием - увеличение октанового числа
Традиционно в качестве антидетонатора используются соединения свинца (тетраэтил свинца). Современное законодательство запрещает использование бензина с содержанием свинца из-за его высокой токсичности в автомобильных выхлопах.
Топливо с октановым числом 95 и выше не требует применения специальных антидетонаторных добавок. Такой бензин носит название lead-free (без содержания свинца) и рекомендован к применению во всех развитых странах. Существуют также марки бензина с октановыми числами 96, 98, 99 и 100.
После появления на рынке поступает нового или улучшенного технического устройства для снижения эмиссии транспортного средства, требуется определенное время для того чтобы стали заметны результаты нововведения. В течение этого времени новое оборудование заменяется старым на значительной части автомобилей. Так или иначе, общий уровень эмиссии постепенно снижается по мере того, как распространяются все новые и новые технические усовершенствования.
Улучшение экологических характеристик бензинового двигателя, прежде всего, связано с уменьшением основных газов эмиссии: углеводородов СН, угарного газа СО и окислов азота NOx .
Для комплексной системы контроля эмиссии на автомобиле должны использоваться:
· соответствующее топливо
· система электронного контроля зажигания
· каталитический конвертер
· бортовая диагностическая система
При этом подразумевается правильное содержание и эксплуатация автомобиля. В противном случае использование технических средств не будет иметь результата.
Справка: каталитический конвертер
Каталитический конвертер - устройство выхлопной системы автомобиля преобразующее токсичные газы выхлопов в безвредные путем химической реакции.
Каталитический конвертер уменьшает выброс углеводородов СН, угарного газа СО и/или окислов азота NОх, окисляя их до сравнительно безопасных углекислого газа СО2, воды Н2О и оксида азота NO2.
При использовании каталитического конвертера необходимо использовать бензин без содержания свинца Pb для предотвращения засорения катализатора свинцом (С октановым числом не ниже АИ-95).
При использовании таких систем количество вредных выбросов минимально. Иногда при плохом качестве окружающего воздуха выхлопные оказываются газы даже чище.
Однако, даже оснащенный такими комплексными системами, автомобиль имеет очень высокую эмиссию в первые минуты поездки, когда двигатель еще не прогрелся до рабочей температуры и катализатор не функционирует. В настоящее время, усилия технологов сконцентрированы именно на этом отрезке цикла движения автомобиля. Но уже сегодня возможно достичь прогрева до рабочей температуры для начала действия катализатора менее чем через 500 метров пути, при старте автомобиля с холодным двигателем.
Система контроля эмиссии работает с максимальным эффектом при равномерном движении автомобиля. В этом случае, когда выброс углеводородов и окислов азота незначителен, эмиссия увеличивается при многоразовом ускорении и торможении.
Важное направление исследований для снижения эмиссии - улучшение качества топлива. Бензин с улучшенными характеристиками состава эмиссии ожидается уже в ближайшие несколько лет. Пониженное содержание серы S уменьшит неприятный запах сульфида серы H2S, который характерен для каталитических систем.
Таким образом, для достижения полного контроля над эмиссией бензинового двигателя в странах Европы считается необходимым сочетание между каталитическими системами контроля и качеством топлива.
Дизельный двигатель - наиболее распространенная альтернатива бензинового двигателя. Эффективность использования топлива в нем улучшена с 30% (30е годы) до 45% (сегодня).
Сравнительная эффективность карбюраторных двигателей сегодня немногим более 30%.
Улучшение достигалось в четыре последовательных этапа:
1. прямое впрыскивание
2. турбокомпрессор
3. комбинация турбокомпрессора с теплообменником промежуточного охлаждения
4. турбодвигатель
Справка: турбокомпрессор
Турбокомпрессор - устройство, позволяющее повысить мощность двигателя с минимальным увеличением массы. Турбокомпрессор забирает тепловую энергию выхлопных газов и использует ее для сжатия воздушно-топливной смеси, существенно увеличивая мощность двигателя.
За последние 10 лет эмиссия окислов азота и твердых составляющих от работы дизельного двигателя была уменьшена примерно на 50%. Понижая температуру вспышки, уровень выбросов окислов азота может быть сокращен еще больше.
Так же, как и бензин, дизельное топливо нуждается в лучшей очистке. Стандартное дизельное топливо содержит слишком высокий уровень ароматических углеводородов и серы. Однако в последнее время продолжается работа по созданию “экологического дизельного топлива”, в котором содержание серы уже уменьшено с 0.1-0.3% до 0.001%, т.е. в 1000 раз.
При использовании топлива с низким содержанием серы становится возможным использовать окисляющий каталитический конвертер совместно с дизельными двигателями. При этом содержание углеводородов и угарного газа в эмиссии уменьшается до уровня, достигнутого карбюраторными двигателями.
Развитие автомобильных двигателей на обычном топливе в течение последних десяти лет показывает, что опасность прямого воздействия токсичных выбросов на окружающую среду возможно сдерживать в приемлемых пределах. Однако уровень выбросов углекислого газа СО2 создает гораздо более сложную для решения проблему.
Снижение вредного воздействия транспортного движения возможно при использовании альтернативных видов энергии.
Применение альтернативных видов энергии целесообразно в следующих случаях:
· при острой необходимости улучшить качества воздуха в определенной зоне городской среды,
· для снижения накопления в атмосфере избыточного количества СО2. Это особенно актуально и для отдельных городов, расположенных в котловинах, не продуваемых ветрами,
· при необходимости замены дорогого топлива на более дешевые и экологичный виды энергии. Например, максимальное использование для пассажирских перевозок электротранспорта (трамваи, троллейбусы, метро).
Для крупных городов, кроме электроэнергии, интерес вызывают альтернативные виды топлива: этанол, метанол и природный газ, особенно в районах с плохим качеством воздуха.
Теоретически рассматривается использование в качестве горючего водород Н2, как самый экологичный вид топлива.
Почему? - При сжигании водорода образуется только вода. 2Н2+О2=2Н2О
В случае практического использования новых видов топлива возникают серьезные проблемы:
1. затраты на производство нового топлива в целом значительно превышают затраты на виды топлива, получаемые из нефти
Пример:
Водород в настоящее время производится в основном методом электролиза (разложение воды под действием постоянного тока), что требует высоких энергозатрат. Для того чтобы водород можно было практически использовать, его необходимо сжать до жидкой фазы, что предполагает дополнительные затраты энергии.
2. более низкая энергетическая ценность нового топлива по сравнению с нефтью. Это означает потребность в больших объемах топлива, что вызывает увеличение массы транспортного средства и в конечном итоге - повышение расхода топлива. Так же из-за больших объемов, занимаемых баллонами, трудно использовать газообразные виды топлива для автомобилей.
Пример:
Теплотворная способность жидких видов топлива (энергетическая ценность)
| Вид топлива | теплотворная способность/баррель |
| мазут | 6 287 000 |
| реактивное топливо (керосин) | 5 670 000 |
| автомобильный бензин | 5 253 000 |
| сжиженный природный газ | 3 955 000 |
| этанол | 3 400 000 |
| метанол | 2 720 000 |
| водород | 1 300 000 |
Однако, проблемы использования новых видов топлива скорее экономические, чем технологические. Технически новые двигатели уже существуют и могут быть запущены в массовое производство при появлении нового топлива при доступном уровне цен. Однако введение нового топлива вызовет необходимость реорганизации системы хранения и транспортировки топлива.
Основная из причин возможного использования альтернативного топлива - понижение выбросов СО2 в атмосферу. Однако для конечной оценки влияния топлива на загрязнение атмосферы нужно просчитать всю цепочку, которую проходит топливо, от добычи сырья до потребления. Возможно, что в этом случае отрицательные результаты влияния нового топлива на экологию не окажутся меньше, чем у традиционного топлива.
Справка: В Европе (Евросоюзе) 75% в городских пассажирских перевозках приходится на личный автотранспорт, 1.5% - на велосипедный и только 1% на электротранспорт (трамваи, метро).
В настоящее время легкий рельсовый электротранспорт получает новое развитие во многих городах мира.