Экология, окружающая среда и человек

В США и Европе автомобиль выделяет в 30—50 раз меньше токсичных веществ на 1 км пробега, чем в России. В Москве каждый пятый автомобиль, имеющий талон техосмотра, выбрасывает в атмосферу токсичных веществ больше, чем предусмотрено даже российским стандартом.

_В последние годы во всех промышленно развитых странах разрабатываются транспортные средства нового поколения. В США, например, действует программа партнерства правительства и автомобильной промышленности «Partneships for a New Jeneration of Vehicles» создания прототипа экологически чистого легкового автомобиля с расходом топлива не более 3 л на 100 км пробега. В 1996—2004 гг. на эти цели израсходован 161 млрд долларов.

Минтранс России не может вести регулярные наблюдения за вредными выбросами на сотнях тысяч автотранспортных предприятий, этим должны заниматься администрации субъектов Федерации под постоянным контролем территориальных органов Госкомэкологии России.

Согласно закону об «Охране атмосферного воздуха» (1999) запрещены производство и эксплуатация транспортных средств, содержание вредных (загрязняющих) веществ в выбросах которых превышает установленные технические нормативы выбросов.

Технический норматив выброса — норматив выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух, который устанавливается для передвижных и стационарных источников выбросов, технологических процессов, оборудования и отражает максимально допустимую массу выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух в расчете на единицу продукции, мощности, пробега транспортных или иных передвижных средств и другие показатели.

Порядок выдачи разрешений на выбросы вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух при эксплуатации транспортных и иных передвижных средств устанавливается специально уполномоченным федеральным органом исполнительной власти в области охраны атмосферного воздуха.

Органы государственной власти субъектов РФ могут в пределах своей компетенции ограничивать въезд транспортных и иных передвижных средств в населенные пункты, места отдыха и туризма и регулировать их передвижение.

Транспортные и иные передвижные средства, выбросы которых оказывают вредное воздействие на атмосферный воздух, должны регулярно проверяться в порядке, определенном Правительством РФ.

Юридические лица и граждане при производстве и эксплуатации транспортных и иных передвижных средств и установок должны обеспечивать соблюдение установленных технических нормативов выбросов.

Мониторинг атмосферного воздуха в местах скопления автотранспорта. В 2000 г. Москомприроды России проводил мониторинг атмосферного воздуха в местах наибольшего скопления автотранспорта. Для этого в городе было создано 50 постов непрерывного контроля (10 стационарных и 40 мобильных), оборудованных американской техникой. Приборы были размещены на столбах на Таганской площади, Садовом кольце в районе Сухаревской площади, на проспекте Мира, в районе Рижского вокзала, а также установлены на автотранспорте.

В 2001 г. в некоторых районах Москвы появились автоматы, отслеживающие уровень загрязнения воздуха. Особое внимание уделяется району третьего транспортного кольца. Здесь работают автоматические анализаторы — специальные системы, определяющие уровень примесей в воздухе, и в первую очередь выхлопных газов.

В целях реализации статьи 15 Федерального закона «Об охране атмосферного воздуха» Правительство РФ приняло распоряжение № 641-р от 7 мая 2001 г., в котором предусмотрено:

♦ определить, что сертификаты, подтверждающие соответствие содержания вредных (загрязненных) веществ в выбросах технических, технологических установок, двигателей, транспортных и иных передвижных средств и установок техническим нормативам выбросов, а также сертификаты, подтверждающие соответствие топлива нормам и требованиям охраны атмосферного воздуха, выдаются в порядке, предусмотренном законодательством Российской Федерации о сертификации;

♦ Госстандарту России по предоставлению МПР России, согласованному с заинтересованными федеральными органами исполнительной власти, вносить в номенклатуру продукции и услуг (работ), обязательная сертификация которых предусмотрена законодательными актами Российской Федерации, дополнения, устанавливающие требования по соответствию содержания вредных (загрязняющих) веществ в выбросах технических, технологических установок, двигателей, транспортных или иных передвижных средств и установок техническим нормативам выбросов, а также требования по соответствию топлива нормам и требованиям охраны атмосферного воздуха.

Совершенствование двигателя внутреннего сгорания. В последние годы все крупные автомобильные компании мира заняты разработкой экологически безопасных автомобильных двигателей. Постоянно совершенствуя моторы, они создают новые, с наиболее полным сгоранием топлива. Появились двигатели, работающие на переобедненных смесях, многоклапанные системы перераспределения, впрыск топлива вместо карбюраторного смесеобразования, электронное зажигание. При запуске холодного двигателя в современных карбюраторах используются автоматы пуска и прогрева. На режимах торможения двигателя применяют экономайзер принудительного холостого хода — клапан, отключающий подачу топлива.

Большое внимание уделяется подбору обедненных регулировок дозирующих систем карбюратора. На двигателях с впрыском топлива появились электронные системы корреляции состава горючей смеси в зависимости от температуры, климатических и других условий. Система термостатирования воздуха, поддерживающая его температуру на входе в двигатель, создает оптимальные условия для приготовления горючей смеси. Система зажигания с высокой энергией распада свечи повышает надежность воспламенения смеси, особенно на режимах холостого хода.

Для уменьшения выброса окислов азота используется рециркуляция — перепуск части отработанных газов из выпускного трубопровода во впускной. При этом понижается температура сгорания и газов образуется значительно меньше. Рециркуляция применяется не только на двигателях с искровым зажиганием, но и на дизелях. Перспективны в этом плане системы электронного регулирования, оптимизирующие работу двигателя во всех режимах. Кроме того, автомобильные заводы планомерно ужесточают технологические допуски и повышают точность изготовления приборов питания и зажигания, впускной и выпускной систем, деталей кривошипного механизма и газораспределения. Поэтому автомобили ведущих фирм Европы и США выбрасывают в атмосферу в 10—16 раз меньше вредных веществ, чем в 80-х годах.

Автомобиль можно сделать экологически чистым, применяя электронные системы управления, оптимизирующие работу двигателя, тормозов и других систем. В Германии поставлена задача сократить средний расход автомобильного топлива с 9 до 5 л на 100 км пробега.

В 1998 г. на Заволжском моторном заводе разработано семейство новых двигателей для легковых и малотоннажных грузовых машин. Базовый ЗМЗ—406.10 успешно прошел государственные приемочные испытания на автомобиле ГАЗ—3102 «Волга» и показал хороший результат по сравнению со своими предшественниками: на 100 км пробега он экономит 2 л бензина, а снижение токсичности выхлопов составляет по окиси углерода — 40%, а по углеводородам плюс окислам азота — 25%. Новые моторы имеют 4 клапана на цилиндр, микропроцессорную систему управления впрыском и зажиганием. Всемирно известные фирмы «Рикардо» (Великобритания) и АВЛ (Австрия) провели экспертизу двигателя и подтвердили его соответствие современным мировым стандартам. Завод выпускает 4- и 8-цилиндровые автомобильные моторы.

В ближайшие 5—10 лет рынок новых машин должны завоевать модели с двигателем прямого впрыска топлива, который обеспечивает расход топлива на уровне дизельных двигателей и скоростные характеристики спортивных машин на бензиновом ходу. Компания «Мицубиси моторе» выпускает машины с двигателями нового класса. Однорядный, 4-цилиндровый двигатель с рабочим объемом 1,8л, не имеющий камеры предварительного смешения, отличается от аналогов с предкамерным впрыском вдвое большей степенью сжатия (20:1), способен работать при соотношении в смеси 40:1, более стабилен на малых оборотах. Благодаря этому на 25% повышается экономия топлива в городских условиях, на 8% снижается потребление топлива при движении со скоростью свыше 120 км/ч по сравнению с обычными бензиновыми двигателями и на 85% увеличивается мощность по сравнению с дизельными аналогами.

В 2000 г. инженеры французской группы Р51, в которую входят «Пежо» и «Ситроен», сконструировали на базе серийного двухлитрового бензинового двигателя мотор HPI, который на 20% экономичнее конвейерного аналога. Достигаются такие показатели благодаря устойчивой работе мотора на сверхбедной смеси (до 30:1), строгой дозировке ее компонентов (давление воздуха достигает 100 бар против традиционных 35 бар) и организации вихревого «антициклического» (по часовой стрелке) движения смеси в камере сгорания, обеспечивающей послойное ее сгорание. Главное достоинство двигателя — экологичность, содержание в выхлопных газах самое минимальное (табл. 3).

Таблица 3Токсичность выхлопа HPI при движении по смешанному циклу, г/кг
Требования к двигателю	Окись углерода	Углеводороды	Окислы азота
Двигатель НР1	0,5	0,075	0,06
Евро-3 (с 2000 г.)	2,3	0,2	0,15
Евро-4 (с 2005 г.)	1	0,1	0,08

В мировом моторостроении доминируют поршневые двигатели внутреннего сгорания. Но ведутся поиски альтернативных решений. Одно из наиболее оригинальных — двигатель внешнего сгорания, или так называемый двигатель Стирлинга. Не вдаваясь в технические подробности, скажем, что работает такой мотор почти бесшумно и практически на любом топливе. Токсичность отработанных газов очень низкая, да и расход топлива примерно равен расходу дизеля с непосредственным впрыском. Однако для получения хотя бы средних значений удельной мощности требуются очень высокие рабочие температуры и, как следствие, дорогие жаропрочные материалы. Конструкция двигателей Стирлинга весьма замысловата, для них нужна сложная аппаратура управления. Все это делает такие моторы весьма дорогими как в производстве, так и в эксплуатации.

Российские ученые создали принципиально новую технологию работы автомобильного поршневого двигателя, не имеющего аналогов в мире. В основу разработки положено открытое группой ученых во главе с членом-корреспондентом РАН Ю. Васильевым и профессором Ю. Свиридовым явление С-процесса — молекулярного смесеобразования со 100%-ным испарением бензина. В двигатель поступает сухая безвоздушная газовая смесь (бензогаз), которая сгорает полностью и быстро. Выхлоп такого двигателя экологически чист. В результате отпадает необходимость в дорогостоящих технологиях, связанных с нейтрализацией выхлопов. С-процесс с гомогенным горением может быть внедрен на серийных отечественных двигателях.

Российские автомобили станут бесшумными и смогут ездить со скоростью иномарок, используя изобретение Г. Гребенюка. В зубчатом сцеплении крутящий момент, передаваемый от двигателя к колесам, ограничен прочностью зуба. Гребенюк сделал зуб особой формы (в торце — окружность, а в нормальном сечении — элолипс), а также уменьшил его высоту (она почти равна ширине), благодаря чему прочность увеличилась почти в 10 раз. В эвольвентой передаче, которая обычно установлена в коробке передач автомобиля, зубья в шестерне сцепляются по линии, что сопровождается небольшим ударом. Отсюда шум. Вот в том варианте сцепления, который предложил Гребенюк, площадь контакта гораздо больше. Поэтому его шестерня работает и более плавно и тише, а главное, передает усилия (крутящий момент) от двигателя на колеса в пять—десять раз больше. Заинтересовались изобретением и западные фирмы, в частности «Мерседес» и «Ауди».

В 2004 г. Правительство России подготовило проект постановления, направленного на повышение экологической безопасности автомобильной техники «О повышении экологической безопасности автомобильной техники, вводимой в эксплуатацию на территории РФ» и соответствующий проект технического регламента. Эти документы предусматривают введение экологической классификации на автомобили как производимые в стране, так и ввозимые из-за границы. Ужесточаются требования к качеству моторного топлива в соответствии с международными стандартами. Документы увязывают действующие экономические механизмы, например плату за загрязнение, с экологическим классом автомобиля и устанавливают запрет на ввоз автотранспорта, не соответствующего экологическому классу России.

Повышение качества автомобильных бензинов. Бензины с улучшенными экологическими свойствами за счет снижения содержания в них свинца, серы, бензола и ароматических углеводородов выпускаются в нашей стране уже почти 10 лет. Однако производство принципиально нового для России топлива с европейскими экологическими характеристиками Евро-3 запущено на Московском нефтеперерабатывающем заводе впервые. Для этого создана специальная установка по выпуску кислородосодержащего компонента (ТАМЭ) проектной мощностью 200 тыс. т бензина в год. Технология разработана российскими специалистами. Причем речь идет о выпуске не только АИ-95 Премиум Евро, но главным образом высококачественного АИ-92 Регуляр Евро экологически чистого бензина.

Новое топливо прошло межведомственные испытания и получило соответствующий сертификат. На заправках Московской топливной компании (МТК) оно появилось в июне—июле 2003 г. Его транспортируют специальными бензовозами и заливают на заправках в специальные емкости.

Экологический бензин европейского качества намерены производить и другие нефтеперерабатывающие компании, в частности, Тюменская (ТНК), которая организует производство экологического бензина на Рязанском НПЗ, Башкирская (Ново-Уфимский нефтеперерабатывающий завод). Промышленное производство бензинов с улучшенными экологическими показателями осваивает ОАО «ЛУКОЙЛ»: «Евросупер-плюс» (АИ-98) и «Евросупер» (АИ-95).

Снизить вредную нагрузку на природу можно, не только усовершенствовав конструкцию двигателей и установив на машины нейтрализаторы отработавших газов, но и повысив качество топлива. Однако технические требования на наиболее массовые отечественные бензины в России еще не отвечают международным стандартам по содержанию серы, бензола и моющих присадок. Большинство отечественных заводов выпускают только два вида бензинов: летний и зимний, которые приводят к появлению паровых пробок, потере мощности при температуре воздуха выше +30°С, а зимой затрудняют пуск двигателей. Экологические бензины во многом лишены таких недостатков.

Ориентир для российских нефтепереработчиков — бензины, применяемые в Европе, которые по качеству, как правило, выше норм, регламентированных и без того жестким международным стандартом ЕМ 228. В Европе давно используют экологический бензин марки Super (или Unleaded) с пониженным содержанием свинца и серы и с добавками, которые дожигают вредные выбросы в моторе. И стоит он меньше, чем обычный: муниципалитеты поддерживают низкие цены на это топливо, чтобы владельцы машин заправлялись именно им. У российских городских властей таких возможностей нет. Кроме того, внедрению экологически безопасного топлива в нашей стране мешают отсутствие законодательной базы, разрозненность сетей автозаправок, когда невозможно проконтролировать качество бензина и самого продавца.

Россия отстает от Европы в производстве новых видов топлива на поколение. Чтобы бензина нового вида в нашей стране было много, необходимо модернизировать все нефтеперерабатывающие заводы, затраты на это составят сотни миллионов долларов. Возможно, модернизацию ускорит стремление наших производителей выйти на мировые рынки не только с нефтью, но и со своим бензином. Необходима также соответствующая государственная программа, которая обеспечила бы приток инвестиций в нефтеперерабатывающую промышленность.

Чтобы экологического бензина в стране стало много, нужно решить проблему одновременного выпуска, раздельного хранения, транспортировки и продажи топлива обычного и улучшенного качества. На это требуются существенные затраты в системе неф-тепродуктообеспечения.

Хотя выпуск бензинов с улучшенными экологическими показателями увеличивает себестоимость на 5—8%, экономический эффект от их использования на автотранспорте в несколько раз выше затрат на производство.

В 2004 г. Минтрансом России «запущен» проект, который позволит обеспечить автоперевозчиков экологически чистым горючим. На международных трассах можно будет приобрести новые бензин и масла, причем отечественного производства. Стоить они будут ненамного дороже обычных.

Ведомство намерено заключить с основными поставщиками специальный договор, рассчитывая, что таким образом можно будет удержать цену топлива в пределах себестоимости. Себестоимость же горючего с низким содержанием серы, по подсчетам ведомства, выше обычного на 9%, а бессерного — на 11%.

Первый для России центр исследований и разработок построила нефтяная компания ЮКОС. Этот центр создан по мировым стандартам, аналог подобного есть только в Англии. Теперь из России можно разрабатывать и тестировать принципиально новые продукты нефтехимии, контролировать качество нефтепродуктов, заботиться об их экологической безопасности.

Если ныне на тысячу жителей приходится не менее 150 автомобилей, то каждый год количество личных автомобилей будет увеличиваться как минимум на 8%. А ведь на долю автомобилей приходится 45% всех выбросов вредных веществ в атмосферу. В городах этот показатель вдвое выше. Теперь появилась надежда на то, что воздух станет чище.

В научно-инженерном центре «Цеосит» Сибирского отделения РАН разработана установка для получения высокооктанового бензина из углеродного сырья различного происхождения. Здесь применяется высокоэффективная технология получения чистых высокооктановых фракций без каких-либо добавок. Сырьем служат попутный газ и газовый конденсат, образующийся при добыче нефти, и другие углеводородные соединения.

На Западно-Сибирском металлургическом комбинате сооружена экспериментальная установка превращения в высокооктановый бензин доменных и коксовых газов, десятилетиями выбрасывавшихся в атмосферу. Оказалось возможным превращать в бензин компоненты газов, сжигаемых на ТЭЦ, на заводах синтетического каучука, не говоря уже о топливных газах нефтеперерабатывающих заводов.

На столичном рынке работают 8 крупных нефтяных компаний. Если еще в 2002 г. количество контрафактного топлива составляло 7—10% общего оборота, то теперь его не более 5%. Жесткая конкуренция на этом рынке — лучший контролер. Каждый хозяин АЗС обязан предоставить покупателю полные сведения о продаваемом топливе, его происхождении и основные эксплуатационные характеристики: марку, ГОСТ, информацию об изготовителе и поставщике топлива, содержании присадок, температуру застывания (для дизельного топлива в зимний период).

Экологически опасный этилированный бензин использовался на территории России как минимум до конца 2002 г.

Этилирование бензина — добавление тетраэтилсвинца для увеличения его октанового числа с 76 до 93 и соответственно цены и акциза. Если в 1995 г. доля неэтилированного бензина в общем объеме производства всех остальных марок не превышала 50%, то сегодня в стране его производится 99,6%.

Применение такого бензина вызывает стойкую свинцовую интоксикацию, что особенно пагубно для детей, вызывает задержку умственного и физического развития, анемию и нарушения в работе центральной нервной системы. Законом «Об ограничении оборота этилированного бензина» введен запрет на использование и реализацию этого вида топлива с 1 января 2003 г. По мнению экспертов, на неэтилированном бензине могут эффективно работать двигатели любого типа.

В 2002 г. из 950 автозаправочных станций (АЭС) в Москве контролировалось не больше 25% в месяц. Некачественным ежегодно признается более 10% продаваемого бензина и 24% дизельного топлива. Меры столичного правительства для борьбы с этим явлением (публикация списков недобросовестных АЗС, знаки качества топлива, вывешенные на видном месте) результатов не принесли.

Постановлением правительства Москвы «О введении экологического знака для автозаправочных станций» от 12 ноября 2002 г. знак (сине-голубая капля с серо-белой каймой, а сверху — кленовый лист светло- и темно-зеленого цветов с надписью желтыми буквами «ЭКО» и словом «топливо» белого цвета, располагаемым снизу, вдоль границ капли). Этот знак выдается владельцам АЗС, добросовестно относящимся к соблюдению экологических требований и гарантирующим качество топлива. Разместить его предлагается на видном месте.

Получить знак смогут те АЭС, у которых в течение года не выявлено никаких нарушений и сотрудники которых прошли курсы экологической безопасности. Если продаваемое топливо не соответствует требованиям, экологического знака могут и лишить. А за использование поддельного придется нести ответственность.

Большинство европейских государств и США в 1998 г. приняли Декларацию о прекращении добавления свинца в бензин для общего использования автомобильным транспортом не позднее 1 января 2005 г.

Нейтрализаторы. Первые нейтрализаторы выхлопных газов, появившиеся в начале 70-х годов, были двухкомпонентными устройствами окислительного типа. Окись углерода и несгоревшие частицы дожигались в выхлопной системе машины (в результате образовывались углекислый газ и вода). А затем появились и трехкомпонентные катализаторы, которые извлекали окислы азота.

Принципиально до последнего времени конструкция нейтрализаторов не менялась: устройство со специальным блоком-носителем подключается к выхлопной системе автомобиля. Блок имеет множество продольно расположенных каналов-сот, поверхность которых покрыта тончайшим микрорельефным слоем катализатора, ускоряющего химические реакции дожигания газов при высоких (около 600—800°С) температурах. Блок изготавливают из керамики или металлических лент. Его соты образуют поверхность около 20 тыс. м2.

Поначалу в роли катализатора выступала медь, но она оказалась нестойкой к сернистым соединениям, выбрасываемым двигателем, и ее заменили платиной.

Платину в чистом виде или с добавлением палладия наносят слоем 20—60 мк. В трехкомпонентном устройстве к ним добавляют родий. На один нейтрализатор в среднем уходит 3—5 г благородных металлов. Стоимость системы нейтрализации газов составляет 700— 1000 долларов. В США ими оборудовано более 85% автомобилей. Однако для нормальной работы нейтрализаторов необходимы особые условия горения топлива в двигателе и высокое качество самого горючего. Например, этилированный бензин выводит платину из строя. А пропуски зажигания в карбюраторном моторе приводят к вспышкам несгоревшего топлива в нейтрализаторе, сплавлению керамики, блокировке мотора. (В случае с металлическим носителем катализатора — сплав хрома с никелем в виде пенометалла — устройство лишь перестает работать, но не глушит двигатель.)

Для оперативного управления смесеобразованием в зависимости от того, как протекает в данный момент горение, и был создан кислородный датчик — лямбда-зонд. Первая машина, на которой были установлены зонд и трехкомпонентный нейтрализатор («Вольво»), появилась в 1977 г. Теперь они должны быть на всех автомобилях, продающихся в развитых странах.

Нейтрализатор практически не действует при запуске холодного двигателя и прогреве его до рабочего режима. Поэтому сегодня его не только размещают ближе к выпускному коллектору, но и раскаляют его соты сигнальным подогревом (токами высокой частоты мощностью 2 кВт — большей, чем требуется для стартера).

Для нейтрализаторов необходим чистый, без примесей бензин, а его у нас почти нет. И устанавливать дожигатели резонно лишь на «впрысковые» двигатели, которые тоже очищают недостаточно. Поэтому наиболее близки к ним сейчас лишь автомобили «ВАЗ-2110». Впрыск примеряется уже и на старые модели завода, чтобы снабдить их затем нейтрализаторами, которых только на Уральском электрохимическом заводе можно выпускать до 1 млн в год. Однако почти 90% автомобильного парка России составляют машины, которые проектировались 30 лет назад и более. Поэтому обновление парка более современными автомобилями не менее важна, чем установка нейтрализаторов.

Ведущие производители намерены также снизить потребление палладия примерно на 20% за счет совершенствования конструкции катализатора и использования вторичного металла, снятого со старых машин. Пока этот показатель составляет 71,4% (2001). В новых покрытиях применяются кристаллические структуры на основе относительно дешевых металлов, которые восстанавливают кислород из всяких вредных соединений.

В 1996 г. Мосгордума приняла закон «О применении на автотранспортных средствах нейтрализаторов отработавших газов и иных технических устройств». Он предусматривает поэтапное оснащение нейтрализаторов на выхлопные трубы грузовиков, автобусов и легковых автомобилей в Москве, чьи двигатели внутреннего сгорания работают с превышением региональных норм выброса отработавших газов.

Законопроект предусматривает оборудование очистными устройствами наиболее экологически «грязных» машин — дизельных автобусов и грузовиков. А затем — всего автотранспорта, принадлежащего юридическим лицам, путем установки нейтрализаторов и на частных автомашинах.

Законом предусматривается создание сети сертифицированных мастерских со специально подготовленными специалистами. Без них нейтрализаторы на машинах не появятся. Стоимость российского нейтрализатора составляет 1000 руб., а установка обойдется в 200 руб. Поощрять покупку транспортных средств, отвечающих экологическим нормам, городские власти могут за счет налоговой скидки при регистрации новой машины. Законом предусмотрены жесткие экологические нормы для въезжающих в Москву автолюбителей: если в выхлопах обнаружат превосходящие норму вредные вещества, то транспорт будут останавливать за пределами города. За соблюдением этого правила будут следить ГАИ, московская транспортная и экологическая инспекции.

В том же году принят второй закон, предусматривающий систему мер, обеспечивающих наличие на московских АЗС только неэтилированного топлива. Меры в основном носят административный характер — штрафы для юридических лиц до 100, для руководителей АЗС — 3 МРОТ. За повторное нарушение заправочные станции будут лишаться права торговли топливом, а за неоднократное игнорирование требований закона лицензия будет отбираться навсегда.

Новые катализаторы, способные избавить автомобильный выхлоп от наиболее вредных его составляющих — оксидов углерода и азота, разработаны в Институте физической химии Российской академии наук.

Проблемой выхлопа озабочены экологи всех стран, а в Европе глушители автомобилей уже снабжены специальными катализаторами. Благодаря им содержащиеся в выхлопном газе оксид углерода и углеводороды дожигаются до углекислого газа, а не менее токсичный оксид азота превращается в азот. Но, к сожалению, зарубежные катализаторы недоступны для большинства российских автомобилистов, поскольку выполнены из благородных металлов — платины и родия — и потому чрезвычайно дороги.

Российский нейтрализатор автомобильных выхлопов, созданный учеными Института нефтехимического синтеза РАН, эффективнее и дешевле зарубежных. Он удостоен премии московского правительства. Это устройство очищает выброс автомобиля на 90%, а его цена минимум вдвое, а то и втрое ниже, чем у зарубежных, поскольку в нем нет дорогих металлов. Состоит он из меди, никеля, хрома, железа. Уже проведены испытания на «Волге», которая прошла 20 тыс. км на обычном российском бензине. Результаты — самые оптимистичные.

А суть в следующем. Если правильно подобрать комбинацию разных катализаторов, можно получить систему, где, скажем, два металла, влияя друг на друга, во много раз усилят эффект. Этот теоретический и технологический прорыв открывает принципиально новые возможности для создания экологически чистых автомобилей с дешевыми, но эффективными катализаторами.

Дизельное топливо. Немецкий инженер Рудольф Дизель (1858— 1913) удостоился, пожалуй, самой высокой чести, о которой может мечтать изобретатель, — его имя навсегда стало неотделимо от сконструированного им теплового двигателя. В последнее время в мире наблюдается тенденция возврата к дизельным двигателям.

Дизельными двигателями оборудованы 15% иномарок. Появились они и на вазовских моделях. Самый распространенный дизельный автомобиль тольяттинского производства — «ВАЗ-21045». Ставят дизели и на «Нивы». По заказу можно купить дизельную «Волгу» или «УАЗ». Между тем многие автомобилисты с недоверием относятся к машинам с дизельным двигателем, так как не знают, как этот двигатель работает, считают, что он годится лишь для грузовиков.

Конструктивно дизель во многом схож с бензиновым мотором. Он также работает по четырехтактному циклу, но в нем нет системы искрового зажигания и способа формирования рабочей смеси, ее воспламенения и сгорания иной. Если в бензиновом двигателе смесь образуется во впускной системе, попадает в цилиндры практически в готовом виде и воспламеняется искрой от свечи зажигания, то у дизеля на такте всасывания в цилиндр поступает чистый воздух. Там он сжимается (такт сжатия) и разогревается до температуры воспламенения топлива (700—800°С). И только в этот момент в камеру сгорания под большим давлением (10—30 МПа) через форсунки впрыскивается топливо. Впрыск выполняется топливным насосом высокого давления (ТНВД) — один из самых сложных и ответственных агрегатов двигателя. Это дает возможность использовать в качестве топлива более тяжелые фракции нефти (солярку) и работать на обедненных смесях, у которых выбросы окиси углерода меньше, чем у бензиновых фракций. Отсюда меньшее загрязнение окружающей среды и более высокая экономичность дизельных двигателей.

Есть и еще одно отличие: число оборотов бензинового двигателя регулируют, изменяя расход воздуха, поступающего во впускной коллектор, а на дизелях изменяют подачу топлива. Кроме того, дизели развивают высокий крутящий момент в очень широком диапазоне скоростей вращения коленчатого вала (в отличие от бензиновых моторов), что немаловажно как для тяжелой техники и вездеходов, так и для легковых машин. Первым это помогает выбраться из грязи, вторым — сэкономить топливо.

Дизельное топливо меньше, чем бензин, изнашивает стенки цилиндров, поршней и поршневых колец. Стук в поршневой группе и в клапанном механизме или повышенный угар масла у дизелей встречается куда реже, чем у бензиновых моторов. Так что хлопот с дизелями меньше, хотя масло нужно менять чаще.

Разумеется, у дизельных двигателей есть и недостатки. Главный из них — большой вес. При одинаковой мощности дизель почти на треть тяжелее бензинового мотора. Кроме того, он сильнее вибрирует и шумит. Объясняется это более высокой степенью сжатия (19—24 против 9—11) и быстрым ростом давления в камере сгорания в момент воспламенения смеси.

У дизельных автомобилей меньше токсичность отработавших газов (по сумме компонентов примерно втрое ниже, чем при бензиновых моторах). Но и дизельные двигатели экологически небезопасны: в их выхлопах содержатся твердые частицы — сажа, аэрозоли масла и несгоревшего топлива, продукты износа двигателя, сернистый ангидрид, а также полициклические ароматические углеводороды, в том числе бензопирен, присутствуют альдегиды, представленные формальдегидом и акролеином, являющиеся высокотоксичными соединениями.

Для очистки выхлопных газов на дизелях устанавливают не только окислительные нейтрализаторы, но и сажевые фильтры, системы рециркуляции. Сажевый фильтр представляет собой монолитный блок с большим числом заглушенных с одного конца параллельных каналов с пористыми стенками. Отработанные газы очищаются, проходя через пористые стенки из одного канала в другой. Фильтры делают из пенокерамики и пенометалла, поскольку поры этих материалов эффективно задерживают дизельную сажу.

С 1 января 1997 г. в Москве на муниципальном транспорте запрещено использовать дизельное топливо с содержанием серы более 0,05%. ГОСТ 17.02—02.01—84 «Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Дымность отработанных газов. Нормы и методы измерений» дает подробные рекомендации водителю, как определить содержание окиси углерода в выхлопе, как отрегулировать двигатель. Отечественные стандарты предусматривают дальнейшее поэтапное ужесточение норм выброса токсичных веществ.

Программа развития дизельного автомобилестроения позволила к 2000 г. решить новые проблемы. Если в 1998 г. на Ярославском моторном заводе выпускалось около 22 тыс. двигателей, то уже в 2000-м — 50 тыс. С 2004 г. в России не должно существовать новых автомобилей с характеристиками ниже Евро-2. Группа заводов готова выпускать автомобили с характеристиками Евро-2. Но сегодня ставится задача «Евро-2», «Евро-3» и «Евро-4», которую должны решить с 2003 по 2008 г.

В 2002 г. одобрен проект программы «Развитие дизельного автомобилестроения на 2003—2008 гг.», реализовывать которую будет автомобильный консорциум, состоящий из МАЗа, БелАЗа, УралАЗа, КамАЗа и Ярославского моторостроительного завода.

Автомобили на газе. Перевод автомашин на газовое топливо позволит почти в 100 раз снизить выбросы канцерогенных веществ в атмосферу. Сократится и расход нефтепродуктов: каждая тысяча газобаллонных автомобилей сэкономит на грузовых перевозках

12 тыс. т, на таксомоторных — 6, на пассажирских автобусах — 30 тыс. т в год. Значительно сократятся затраты и на охрану окружающей среды и воздушного бассейна.

Наиболее реальной альтернативой бензину и дизельному топливу становится сжиженный или сжатый газ. Запасы его в несколько раз превосходят запасы нефти, да и технология переработки проще, чем метод извлечения бензина из нефти. Кроме того, для перехода на газообразное топливо не требуются конструктивные изменения в двигателях внутреннего сгорания. Концентрация окислов углерода и азота в выхлопе мотора, работающего на газе, значительно ниже, чем бензинового мотора, даже снабженного самым современным трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором с замкнутым контуром. Наконец, газовое топливо не содержит соединений свинца и серы.

Газ великолепно смешивается с воздухом и равномерно распределяется по цилиндрам двигателя, что гарантирует его полное сгорание и высокую топливную экономичность.

Эти преимущества особенно ярко проявляются по мере понижения температуры окружающего воздуха.

Кроме того, газовое топливо продлевает жизнь автомобильного двигателя почти в 1,5 раза: если бензин смывает со стенок цилиндров смазку, разжижает и портит ее, то газ не нарушает масляную пленку между трущимися деталями, и они меньше изнашиваются.

Сейчас из 500 млн автомашин, эксплуатируемых в мире, 1,2 млн работают на природном газе — метане, лишенном серы, свинца и различных примесей. Очевидно, что их доля будет постоянно расти, так как низкая стоимость и экологическая чистота делают их все более популярными. Использование природного газа на автотранспорте при полной загрузке только действующей сети автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) позволило бы снизить вредные выбросы на 10%.

Автомобилисты, установившие в автомобиль газовое оборудование, в этом, как правило, не разочаровываются. Во-первых, снижается износ двигателя, во-вторых, дешевизна газового топлива по сравнению с бензином позволяет уже через год-полтора окупить установку оборудования. Одной заправки баллона независимо от его объема и вида топлива хватает на 150—500 км. Правда, до сих пор сеть газовых заправок России остается неразвитой, и это надо учитывать в дальних поездках. Прежде чем устанавливать на свой автомобиль систему, работающую на газовом топливе, надо определиться, на каком газе вы собираетесь ездить — на сжатом природном (метане) или сжиженном пропан-бутане. Метан дешевле и безопаснее, но имеет ряд минусов. Мощность двигателя при работе на сжатом газе падает примерно на 20%. Да и запас хода на таком топливе у автомобиля с 90-литровым баллоном едва достигает 150 км. Пропан-бутановая смесь дороже метана, двигатель при правильной регулировке оборудования практически не теряет в мощности, а запас хода на одной заправке возрастает до 500 км.

В итоге стоимость пробега автомобиля при использовании про-пан-бутановой смеси примерно в два раза дешевле, а метана — почти в четыре раза, чем при работе на бензине. Однако переделка двигательной системы автомобиля под сжатый газ обойдется существенно дороже, чем под пропан-бутановую смесь.

Российский газовый гигант намерен в ближайшее время стать мировым лидером по производству моторного топлива. «Газпром» заинтересован в поставках сжиженного природного газа (СПГ) американским потребителям. Опираясь на значительные ресурсы шельфа арктических морей, корпорация прорабатывает ТЭО по созданию инфраструктуры производства СПГ и поставок на рынки Северной Америки. «Газпром» намерен развивать производство природного газа и для российского рынка.

В 2004 г. производством газового топлива для автомобильного транспорта занимается его дочернее предприятие — компания «Сибур». В компании производством сжиженного углеводородного газа занимаются 4 завода, общий объем производства в 2004 г. составил 3,1 млн т. В стране работают 100 заправок пропан-бутановой смеси. Предполагается довести их число в ближайшие годы до 230.

В будущем планируется освободить от уплаты различных экологических сборов автовладельцев, чьи транспортные средства работают на газе. Существенные выгоды для водителей, отказавшихся от привычного горючего, гарантируются законом «Об использовании природного газа в качестве моторного топлива».

Автомобили, работающие на природном газе, не будут ставиться на учет как источники вредных воздействий на атмосферный воздух. Соответственно их владельцам не придется получать разрешение на выброс вредных -веществ. Кроме того, машинам, в которых вместо бензина используется газ, разрешат не проходить так называемую проверку на окись углерода.

Решено также материально заинтересовать водителей: стоимость газа должна быть значительно ниже, чем стоимость топлива из нефтепродуктов.

Подобные привилегии предполагается предоставлять частным и коммерческим структурам. Транспортные средства государственных предприятий решено принудительно переводить на газ.

Создание в Москве сети газозаправочных станций станет своеобразным стартом для перехода на этот более экологичный вид горючего. Даже частичная газификация автотранспорта снизит вредные выбросы в атмосферу почти в 6 раз. В связи с этим уже в 2003 г. в столице переориентировано на газовое топливо 950 городских автобусов и 15 тыс. грузовиков. Личный автопарк владельцы перевести на газ смогут самостоятельно. Через 3 года в Москве будет действовать не менее 50 мастерских, специализирующихся на установке газобаллонного оборудования. К этому же сроку планируется решить проблему с заправкой газифицированных автомашин.

Немало стран, где правительство и деловые круги осознали необходимость газификации транспорта. В США, Италии, Испании, Новой Зеландии, Венесуэле разработаны государственные программы перевода транспорта на газомоторное топливо. Работа эта многогранна. Она не имеет одноразового решения. Это растянутый на годы процесс. В США, например, в федеральный закон поправки вносятся уже 11 лет. Этим законом и законами штатов регулируются налоговые и кредитные льготы, дотации на приобретение оборудования для АГНКС и газобаллонного оборудования для автомобилей.

Водород — автомобильное топливо XXI в. Использование водорода в_качестве основного вида топлива может коренным образом изменить будущую техническую цивилизацию. Важнейшая проблема современности — охрана окружающей среды от загрязнения — будет практически решена.

Характеристики водорода как моторного топлива уникальны: высокая теплота сгорания — 120 МГж/кг (у бензина почти в 3 раза ниже); хорошая воспламеняемость; безвредность отработанных газов; высокая скорость сгорания (в 4 раза выше, чем у смеси «бензин—воздух»).

В мире производится около 50 млн т водорода в год, в основном путем конверсии жидкого и газообразного топлива. Под конверсией понимают химическую реакцию углеводородов с водяным паром (паровая конверсия), либо с паром и кислородом (парокислородная конверсия), либо с кислородом (кислородная конверсия), в результате которых образуются водород и окиси углерода. Наибольшее распространение получила паровая каталитическая конверсия метана. Процесс протекает при умеренной температуре — 800—850°С.

В первой четверти XXI в. ученые прогнозируют рост производства и потребления водорода в несколько раз по сравнению с сегодняшним уровнем.

Разработан ряд перспективных методов получения водорода, например путем электролиза воды. По различным данным, из воды ежегодно получают от 0,5 до 1,5 млн т водорода (1—3% общего количества). Пока получение электролизного водорода обходится в два раза дороже, чем конверсионного, но при использовании промышленных электролизеров следующего поколения в будущем водород может сравняться по стоимости с конверсионным, а затем стать дешевле.

Получают водород и с помощью угля, однако это не чистый водород, а его смесь с монооксидом углерода — синтез-газ и искусственные энергоносители. Совершенствование этих процессов должно привести к снижению затрат на получение водорода и син-тез-газа и к их применению в районах крупных угольных месторождений.

В результате сгорания водорода образуется водяной пар — рабочее тело паротурбинных установок. Поэтому его использование в энергетике потребует усовершенствования энергопроизводящих систем.

В каком виде можно применять водород? Газообразный, даже сильно сжатый водород невыгоден, так как для его хранения нужны баллоны большой емкости. Более реальный вариант — жидкий водород. Правда, в этом случае необходима установка дорогостоящих криогенных баков со специальной термоизоляцией. Возможно хранение водорода в твердой фазе в составе металлогидридов, что безопаснее хранения бензина в цистернах. Связывать водород при определенных условиях могут интерметаллические соединения на основе редкоземельных металлов, титана, железа и др. В Институте металлургии РАН разработан интерметаллический сплав на основе никеля и редкоземельного металла лантана. Благодаря своей структуре сплав обладает некоторыми свойствами неметаллов и может поглощать (сорбировать) и удерживать газы, а при нагревании до 150°С — выделять их. При этом объем сорбируемого водорода в 500 тысяч раз превышает объем самого интерметалла.