Влияние транспорта на окружающую среду

1. Влияние транспорта на окружающую среду

Как известно, экологическая обстановка на Земле  и в нашей стране продолжает ухудшаться: озоновая дыра в Антарктике не уменьшается, а загрязненность Мирового океана и  воздушной оболочки планеты повышается.

Известно, что более 60 млн. тонн вредных веществ  выбрасывают в атмосферу ежегодно наши промышленные предприятия, около 37 млн. тонн таких веществ попадает в нее вместе с выхлопными газами автотранспорта, примерно 30 млрд. м3 воды, загрязненной промышленными и бытовыми отходами, стекает в реки, озера, моря. В более чем 100 городах, где  проживает приблизительно 50 млн. человек, предельно допустимые концентрации вредных веществ, превышены в 10 (и  больше!) раз.

Автомобили  на сегодняшний день в России - главная  причина загрязнения воздуха  в городах. Сейчас в мире их насчитывается  более полумиллиарда. В России автомобиль имеет каждый десятый житель, а  в больших городах - каждый пятый. Выбросы от автомобилей в городах  особенно опасны тем, что загрязняют воздух в основном на уровне 60-90 см. от поверхности земли и, особенно на участках автотрасс, где стоят  светофоры. Автомобили выбрасывают  в атмосферу диоксид и оксид  углерода, оксиды азота, формальдегид, бензол, бензопирен, сажу (всего около 300 различных токсичных веществ). При истирании автомобильных шин об асфальт атмосфера загрязняется резиновой пылью, вредной для здоровья человека. Автомобиль расходует огромное количество кислорода. За неделю в среднем легковой автомобиль выжигает столько кислорода, сколько его четыре пассажира расходуют на дыхание в течение года. С ростом числа автомобилей уменьшается площадь, занятая растительностью, которая дает кислород и очищает атмосферу от пыли и газа, все больше места занимают площадки для парковок, гаражи и автомобильные дороги. На свалках скапливаются изношенные шины, ржавые корпуса. Впрочем, старые кузова автомобилей можно увидеть и во дворах и на пустырях.

Автомобили  загрязняют почву. Одна тонна бензина, сгорая, выделяет 500-800 кг. вредных веществ. Если двигатель машины работает на бензине, с добавлением свинца, то они загрязняют почву этим тяжелым  металлом вдоль дороги в полосе шириной 50-100 м, а если дорога идет вверх, и  двигатель работает с нагрузкой, и загрязненная полоса имеет ширину до 400 м! Свинец, загрязняющий почву, накапливается  растениями, которыми питаются животные. С молоком и мясом металл попадает в организм человека и может стать  причиной тяжелых болезней.

Волгоградская область относится к территории с невысокой плотностью дорожной сети (всего 72 км. на 100 км2), однако в расчете на одного жителя в год выбрасывается до 126 кг. вредных веществ в атмосферу. Количество автомобильного транспорта, по данным Волгоградского областного Госкомстата, по сравнению с 2002 г., увеличилось на 1900 ед. Объем выбросов от автотранспорта (без учета транзитного) составляет 563,05 тыс. тонн в год. Вступая в трудовую жизнь люди должны иметь четкое представление о том, что природные ресурсы не бесконечны и технология любой продукции должна удовлетворять такому основному, с экологической точки зрения, требованию, как минимальное потребление материалов и энергии. Они хорошо должны знать законы природы, понимать взаимосвязь природных явлений, уметь предвидеть и оценивать последствия вмешательства в естественное течение процессов. У них должно быть сознание приоритетности решения экологических проблем при осуществлении любых проектов, создании машин и механизмов, при всяком хозяйственном начинании, а также твердое убеждение в том, что без уверенности в безвредности для окружающей среды того или иного мероприятия оно не должно реализоваться. При этом важно укрепить такую жизненную позицию: небрежное, безответственное отношение к природе безнравственно; чувство ценности окружающей нас природы обогащает духовный мир человека, возвышает его моральные принципы. Ведь, по словам писателя С.П. Залыгина, "отношение человека к окружающей среде - это уже и сам человек, его характер, его философия, его душа, его отношение к другим людям".

2 Двигатели внутреннего сгорания

В настоящее  время существует большое количество устройств, использующих тепловое расширение газов. К таким устройствам относятся  карбюраторный двигатель, дизели, турбореактивные  двигатели и т.д. Тепловые двигатели  могу быть разделены на две основные группы:

1. Двигатели  с внешним сгоранием - паровые  машины, паровые турбины, двигатели  Стирлинга и т.д.

2. Двигатели  внутреннего сгорания. В качестве  энергетических установок автомобилей  наибольшее распространение получили  двигатели внутреннего сгорания, в которых процесс сгорания  топлива с выделением теплоты  и превращением ее в механическую  работу происходит непосредственно  в цилиндрах. Отсюда и происходит  название этого двигателя. Двигатели  внутреннего сгорания работают  на жидком топливе (бензин, керосин,  нефть) или на горючем газе. На большинстве современных автомобилей  установлены двигатели внутреннего  сгорания. Наиболее экономичными  являются поршневые и комбинированные  двигатели внутреннего сгорания. Они имеют достаточно большой  срок службы, сравнительно небольшие  габаритные размеры и массу.  Основным недостатком этих двигателей  следует считать возвратно-поступательное  движение поршня, связанное с  наличием кривошипно-шатунного механизма,  усложняющего конструкцию и ограничивающего  возможность повышения частоты  вращения, особенно при значительных  размерах двигателя. А теперь  немного о первых ДВС. Первый  двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был создан в 1860 г. французским  инженером Этьеном Ленуаром (1822-1900), но эта машина была еще весьма несовершенной, её мощность была около 12 л. с. Двигатель представлял собой одноцилиндровую машину двойного действия, работавшую на смеси воздуха и светильного газа с зажиганием от постороннего источника. В 1862 г. французский изобретатель Альфонс Бо де Роша (1815-1891) предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл:

1) всасывание;

2) сжатие;

3) горение  и расширение;

4) выхлоп.

Эта идея была использована немецким изобретателем  Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. КПД такого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов. Быстрое распространение  ДВС в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и стационарной энергетике была обусловлена рядом  их положительных особенностей. Осуществление  рабочего цикла ДВС в одном  цилиндре с малыми потерями и значительным перепадом температур между источником теплоты и холодильником обеспечивает высокую экономичность этих двигателей. Высокая экономичность - одно из положительных  качеств ДВС. Среди ДВС дизель в настоящее время является таким  двигателем, который преобразует  химическую энергию топлива в  механическую работу с наиболее высоким  кпд в широком диапазоне изменения мощности. Это качество дизелей особенно важно, если учесть, что запасы нефтяных топлив ограниченны. К положительным особенностям ДВС стоит отнести также то, что они могут быть соединены практически с любым потребителем энергии.

Это объясняется  широкими возможностями получения  соответствующих характеристик  изменения мощности и крутящего  момента этих двигателей. Рассматриваемые  двигатели успешно используются на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных машинах, тепловозах, судах, электростанциях  и т.д. Следовательно, ДВС отличается хорошей приспособляемостью к потребителю. Сравнительно невысокая начальная  стоимость, компактность и малая  масса ДВС позволили широко использовать их на силовых установках, находящих  широкое применение и имеющих  небольшие размеры моторного  отделения. Установки с ДВС обладают большой автономностью. Даже самолеты с ДВС могут летать десятки  часов без пополнения горючего. Важным положительным качеством ДВС  является возможность их быстрого пуска  в обычных условиях. Двигатели, работающие при низких температурах, снабжаются специальными устройствами для облегчения и ускорения пуска. После пуска двигатели сравнительно быстро могут принимать полную нагрузку. ДВС обладают значительным тормозным моментом, что очень важно при использовании их на транспортных установках. Положительным качеством дизельных двигателей является способность одного двигателя работать на многих топливах. Так известны конструкции автомобильных многотопливных двигателей, а также судовых двигателей большой мощности, которые работают на различных топливах - от дизельного до котельного мазута. Но, наряду с положительными качествами, ДВС обладают рядом недостатков: ограниченная по сравнению, например с паровыми и газовыми турбинами, агрегатная мощность, высокий уровень шума, относительно большая частота вращения коленчатого вала при пуске и невозможность непосредственного соединении его с ведущими колесами потребителя, токсичность выхлопных газов, возвратно - поступательное движение поршня, ограничивающее частоту вращения и являющиеся причиной появления неуравновешенных сил инерции и моментов от них. Но невозможно было бы создание двигателей внутреннего сгорания, их развития и применения, если бы не эффект теплового расширения. Ведь в процессе теплового расширения, нагретые до высокой температуры, газы совершают полезную работу. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, резко повышается давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня в цилиндре. А это-то и есть та самая нужная технологическая функция, т.е. силовое воздействие, создание больших давлений, которая выполняет тепловое расширение, и ради которой это явление применяют в различных технологиях и в частности в ДВС.

3 Основы устройства поршневых ДВС

Поршневые ДВС состоят из механизмов и систем, выполняющих заданные им функции  и механизмов, взаимодействующих  между собой. Основными частями  такого двигателя являются кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный  механизм, а также системы питания, охлаждения, зажигания и смазочная  система. Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Механизм газораспределения  обеспечивает своевременный впуск  горючей смеси в цилиндр и  удаление из него продуктов сгорания. Система питания предназначена  для приготовления и подачи горючей  смеси в цилиндр, а также для  отвода продуктов сгорания. Смазочная  система служит для подачи масла  к взаимодействующим деталям  с целью уменьшения силы трения и  частичного их охлаждения, наряду с  этим циркуляция масла приводит к  смыванию нагара и удалению продуктов  износа. Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим  работы двигателя, обеспечивая отвод  теплоты от сильно нагревающихся  при сгорании рабочей смеси деталей  цилиндров поршневой группы и  клапанного механизма.

Система зажигания предназначена для  воспламенения рабочей смеси  в цилиндре двигателя.

Внутри  цилиндра перемещается поршень с  компрессионными (уплотнительными) кольцами, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через  поршневой палец и шатун связан с коленчатым валом, который вращается  в коренных подшипниках, расположенных  в картере. Коленчатый вал состоит  из коренных шеек, щек и шатунной шейки. Цилиндр, поршень, шатун и  коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм. Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами  и, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого  вала, а следовательно, и с перемещением поршня. Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее - нижней мертвой точкой (НМТ).

Безостановочное движение поршня через мертвые точки  обеспечивается маховиком, имеющим  форму диска с массивным ободом. Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S=2S. Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ  называется камерой сгорания; ее объем  обозначается через Vc; пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh. Сумма всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя. Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия. Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, так как сильно влияет на его экономичность и мощность

4 Принцип работы ДВС

Действие  поршневого двигателя внутреннего  сгорания основано на использовании  работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ. Нагревание газов в  положении ВМТ достигается в  результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При  этом повышается температура газов  и давления. Так как давление под  поршнем равно атмосферному давлению, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы - расширятся, совершая полезную работу. Вот здесь-то и дает о себе знать тепловое расширение газов, здесь и заключается его  технологическая функция: давление на поршень. Чтобы двигатель постоянно  вырабатывал механическую энергию, цилиндр необходимо периодически заполнять  новыми порциями воздуха через впускной клапан и топливо через форсунку или подавать через впускной клапан смесь воздуха с топливом. Продукты сгорания топлива после их расширения удаляются из цилиндра через впускной клапан. Эти задачи выполняют механизм газораспределения, управляющий открытием  и закрытием клапанов, и система подачи топлива.

5 Принцип действия четырехтактного  карбюраторного двигателя

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обуславливающих  превращение тепловой энергии в  механическую работу. Если рабочий  цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным. Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному  циклу, который совершается за два  оборота коленчатого вала или  четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска. В карбюраторном  четырехтактном одноцилиндровом двигателе  рабочий цикл происходит следующим  образом:

1. Такт  впуска. По мере того, как коленчатый  вал двигателя делает первый  полуоборот, поршень перемещается  от ВМТ к НМТ, впускной клапан  открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение 0,07-0,095 МПа, вследствие чего свежий  заряд горючей смеси, состоящий  из паров бензина и воздуха,  засасывается через впускной  газопровод в цилиндр и, смешиваясь  с остаточными отработавшими  газами, образует рабочую смесь.

2. Такт  сжатия. После заполнения цилиндра  горючей смесью при дальнейшем  вращении коленчатого вала (второй  полуоборот) поршень перемещается  от НМТ к ВМТ при закрытых  клапанах. По мере уменьшения  объема температура и давление  рабочей смеси повышается.3. Такт  расширения или рабочий ход.  В конце такта сжатия рабочая  смесь воспламеняется от электрической  искры и быстро сгорает, вследствие  чего температура и давление  образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается  от ВМТ к НМТ. В процессе  такта расширения шарнирно связанный  с поршнем шатун совершает  сложное движение и через кривошип  приводит во вращение коленчатый  вал. При расширении газы совершают  полезную работу, поэтому ход  поршня при третьем полуобороте  коленчатого вала называют рабочим.  В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ  открывается выпускной клапан, давление  в цилиндре снижается до 0,3-0,75 МПа, а температура до 950-1200 С.4. Такт выпуска. При четвертом  полуобороте коленчатого вала  поршень перемещается от НМТ  к ВМТ. При этом выпускной  клапан открыт, и продукты сгорания  выталкиваются из цилиндра в  атмосферу через выпускной газопровод.

6. Причины загрязнения воздуха  отработавшими газами автомобилей

Основная  причина загрязнения воздуха  заключается в неполном и неравномерном  сгорании топлива. Всего 15% его расходуется  на движение автомобиля, а 85 % "летит  на ветер". К тому же камеры сгорания автомобильного двигателя - это своеобразный химический реактор, синтезирующий  ядовитые вещества и выбрасывающий  их в атмосферу. Даже невинный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания, превращается в ядовитые окислы азота.