Техника - молодёжи 2000-04, страница 24
ПРОБЛЕМЫ И ПОИ К И Вячеслав ХОРТОВ, руководитель Лаборатории перспективных разработок Московского государственного технического университета (б. Московский автомеханический институт) 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). 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. 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 челове «ПЛАМЕННЫЙ МОТОМ ку 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. 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. 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 одновременное 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 кисло рода — 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. 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 1012 т углекислого газа, а сжигаемое топливо ежегодно вносит в нее еще 1 х 1010 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 не- Рис. 1. Зависимость состава отработавших газов двигателя с искровым зажиганием от содержания кислорода в воздухе. ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 4 2 0 0 0 Коэффициент избытка воздуха СО,% 0,68 1,02 НО, чнм 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Отношение воздух/топливо, кг/кг 1800 1600 1400 1200 1000 22 |
