Природоохранные мероприятия

На пересечении улиц Восстания и Бакалейная в ходе выполнения работы было зафиксировано превышение ПДК по окиси углерода в 11,7 раз. Причиной этого могут быть несколько факторов: отсутствие защитной полосы из деревьев, работа двигателей на холостом ходу (во время остановки на светофоре). Для снижения уровня содержания окиси углерода предложены следующие природоохранные мероприятия.

В качестве организационных мероприятий можно выдвинуть установку защитных ограждений вдоль дорог; строительство развязок, в том числе многоуровневых, снижающих количество перекрестков. Необходимо ужесточения контроля за соответствием качества используемого топлива установленным стандартам.

Рис. 3. Защитные ограждения

Рис. 4. Многоуровневая развязка

Наиболее эффективными мы считаем технические решения, такие как:

1. применение водородных топливных элементов

2. возрастание доли электромоболей и автомобилей с КЭУ.

1. Большие надежды возлагаются на водородную энергетику: использование водорода, как одного из основных видов энергоносителя, а топливных элементов, как генераторов электроэнергии. Такой вид энергетики предполагает резкое сокращение добычи и потребления ископаемых видов топлива.

В отличие от современных нефтяных источников энергии, водород не даёт никаких вредных выбросов в атмосферу и является самым экологически чистым. Поскольку в самих топливных элементах нет движущихся частей, их отличает надёжность, долговечность и простота эксплуатации. КПД топливных элементов уже сейчас составляет 50-70%, что намного больше, чем 10-15% у ДВС. Это очень важные преимущества перед современными двигателями. Рассмотрим принцип работы водородных топливных элементов.

Химические реакции в топливном элементе идут на пористых электродах (аноде и катоде), активированных катализатором (обычно на основе платины или других металлов платиновой группы), по следующей схеме. Водород поступает на анод топливного элемента, где его атомы разлагаются на электроны и протоны:

H2 = 2e- + 2H+

Электроны поступают во внешнюю цепь, создавая электрический ток. Протоны, в свою очередь, проходят сквозь протонообменную мембрану на катодную сторону, где с ними соединяется кислород и электроны из внешней электрической цепи с образованием воды:

4H+ + 4e- + O2 = 2H2O

Рис. 5. Устройство водородного топливного элемента

Побочными продуктами реакции, таким образом, являются тепло и водяной пар. Напряжение, возникающее при этом на единичном топливном элементе, обычно не превышает 1,1 В. Для получения необходимой величины напряжения, топливные элементы соединяются последовательно в батареи, а для получения необходимого тока батареи ТЭ соединяются параллельно. Такие батареи ТЭ вместе с элементами газораспределения и терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором. Сердцем топливного элемента является протонообменная мембрана. Обычно протонообменная мембрана представляет собой пленку из полимера, сочетающего гидрофобную основную цепь и боковые фрагменты, содержащие кислотные группы (гидрофильная часть).

Если в мембране присутствует вода, она собирается вблизи кислотных групп и образует гидратную область с линейным размером порядка 1 нм. Именно в этой области и образуются различные гидратированные формы протона, способные свободно перемещаться. Гидрофобная же часть полимера содержит алифатические, ароматические, фторированные или нефторированные фрагменты и образует прочный каркас, обеспечивающий механическую прочность мембраны.

Помимо очевидных плюсов, водородные топливные элементы так же имеют и минусы. Первый и самый пока что весомый – стоимость таких элементов. Она связана в первую очередь с использованием дорогих платиновых элементов. Второй минус – это габариты и вес оборудования. Они превышают параметры современных ДВС из-за большего количества необходимых узлов и агрегатов. Третья проблема – отсутствие водородных заправок. Но прогресс не стоит на месте, и появляются решения данных проблем. В скором времени водород сможет заменить привычные нам бензин, дизельное топливо и газ.

2. Использование комбинированной энергетической установки (КЭУ) на основе свободнопоршневого двигателя (СПД)

Рис. 6. Свободнопоршневой двигатель

1-остов, 2-компрессоры, 3-поршни, 4-буферные крышки, 5-механизм пуска, 6-выхлопные патрубки, 7-клапаны.

Эффективный КПД КЭУ составляет 0,5 – 0,55, а эксплуатационный в городском цикле движения может достигать 45 %, что в 3 – 3,5 раза выше существующих транспортных двигателей. Материалоёмкость КЭУ в 4 – 9 раз меньше дизелей, что позволяет разместить достаточный запас газообразного топлива. Объёмная расширительная машина упрощает трансмиссию (2-хступенчая коробка перемены передач или её полное отсутствие) и управление транспортным средством, включая рекуперативное торможение. За счет количества модулей мощность КЭУ может изменяться в пределах 200 – 3200 кВт, а пиковая мощность за счет ПА кратковременно увеличивается на 40 %.

Разработка защищена российскими патентами.

КЭУ на базе СПД могут применяться с электрической, гидравлической и пневматической передачей. Все варианты достаточно глубоко изучены, проработаны и экспериментально проверены.

Применение СПД в составе КЭУ на транспорте обеспечивает:

-повышение эксплуатационной экономичности (в 2 – 4 раза);

-снижение эмиссии вредных веществ (в 1,5 – 6 раз ниже норм EURO-5);

-снижение материалоёмкости и стоимости;

-снижение эксплуатационных издержек;

-многотопливность - применения низкосортных, синтетических и альтернативных топлив.

Удельные массогабаритные, тягово-динамические, пусковые, эксплуатационные и энерго- эффективные показатели КЭУ делают её очень привлекательной. Такой тип двигателя, инвариантный к его химмотологическому обеспечению, может стать прототипом идеального двигателя для транспортной базы, как вооруженных сил, так и гражданской продукции, поскольку расходы на изготовление и эксплуатацию снижаются в разы [1].