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Automobil - Emissionskontrolle

Emissionskontrollen

Nebenprodukte des Betriebs des Benzinmotors sind Kohlenmonoxid , Stickoxide und Kohlenwasserstoffe (unverbrannte Kraftstoffverbindungen), von denen jeder ein Schadstoff ist. Um die zu steuernLuftverschmutzung durch diese Emissionen, Regierungen legen Qualitätsstandards fest und führen Inspektionen durch, um sicherzustellen, dass die Standards eingehalten werden. Die Standards sind zunehmend strenger geworden, und die dafür erforderlichen Geräte sind komplexer geworden.

Verschiedene Motormodifikationen, die die Emissionseigenschaften verändern, wurden erfolgreich eingeführt. Dazu gehören angepasste Luft-Kraftstoff-Verhältnisse, verringerte Kompressionsverhältnisse, verzögerte Zündzeitpunkte, verringerte Verhältnisse von Oberfläche zu Volumen in der Brennkammer und engere Produktionstoleranzen. Um das Fahrverhalten ("Ansprechverhalten") einiger Anordnungen zu verbessern, wird vorgewärmte Luft von einem Wärmetauscher am Abgaskrümmer zum Luftfilter geleitet.

Die unerwünschte Verdunstung von Benzin Kohlenwasserstoffe in die Luft wurden kontrolliert, indem der Kraftstofftank verschlossen und der Tank durch einen Flüssigkeits-Dampf-Abscheider in einen Kanister mit Aktivkohle entlüftet wurde. Während des Motorbetriebs werden diese Dämpfe im Motor desorbiert und verbrannt.

Zu den in den 1970er Jahren entwickelten Abgasreinigungsgeräten gehörten Katalysatoren (Vorrichtungen zur Förderung der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in derAbgas ), Abgasrückführungssysteme, Verteilerdrosseln, Kraftstoffeinspritzung und einheitliche Zündelemente.

Ein Katalysator besteht aus einer isolierten Kammer, die ein poröses Bett oder Substrat enthält, das mit katalytischem Material beschichtet ist, durch das heißes Abgas strömen muss, bevor es in die Luft abgegeben wird. Der Katalysator gehört zu einer Vielzahl von Metalloxiden, üblicherweise Platin oder Palladium, die durch Abgas auf etwa 500 ° C (900 ° F) erhitzt werden. Bei dieser Temperatur werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid weiter oxidiert, während Stickoxide in einer zweiten Kammer mit einem anderen Katalysator chemisch reduziert werden. Probleme mit Katalysatoren betreffen ihre Unverträglichkeit gegenüber bleihaltigen Brennstoffen und die Notwendigkeit, eine Überhitzung zu verhindern.

Die Abgasrückführung ist eine Technik zur Kontrolle von Stickoxiden, die durch die chemische Reaktion von Stickstoff und Sauerstoff bei hohen Temperaturen während der Verbrennung entstehen. Durch Verringern der Konzentrationen dieser Elemente oder Verringern der Spitzenzyklustemperaturen wird die Menge der erzeugten Stickoxide verringert. Um dies zu erreichen, wird Abgas vom Abgaskrümmer zum Ansaugkrümmer geleitet. Dies verdünnt das ankommende Kraftstoff-Luft-Gemisch und senkt effektiv die Verbrennungstemperatur. Der Umwälzbetrag ist eine Funktion der Drosselklappenstellung , beträgt jedoch durchschnittlich etwa 2 Prozent.

Verteilerreaktoren sind vergrößerte und isolierte Abgaskrümmer, in die Luft eingespritzt wird und in denen das Abgas weiter brennt. Die Wirksamkeit solcher Einheiten hängt von der erzeugten Wärmemenge und der Zeitdauer ab, in der sich das Gas im Verteiler befindet. Edelstahl und Keramikmaterialien werden verwendet, um eine lange Lebensdauer bei hohen Betriebstemperaturen (nahe 1.300 ° C) zu gewährleisten.

Die Kraftstoffeinspritzung als Ersatz für die Vergasung wird fast überall eingesetzt, um die Abgasemissionen zu reduzieren. Die genaue Dosierung des Kraftstoffs für jedenDer Zylinder bietet ein Mittel, um sicherzustellen, dass das chemisch korrekte Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Motor verbrannt wird. Dies eliminiert Schwankungen von Zylinder zu Zylinder und die Tendenz von Zylindern, die am weitesten vom Vergaser entfernt sind , weniger Kraftstoff als gewünscht aufzunehmen. Eine Vielzahl von Mess- und Steuerungssystemen ist im Handel erhältlich. Bei einer Reihe von Fahrzeugen wird eine zeitgesteuerte Einspritzung verwendet, bei der während des Einlasshubs des Kolbens eine kleine Menge Benzin in jeden Zylinder oder Einlassventilanschluss gespritzt wird.

In verschiedenen Zeitgesteuerte Einspritzsysteme, einzelne Pumpen an jedem Einlassventil werden von einem Mikroprozessor geregelt (zeitgesteuert), der das Ansaugvakuum, die Motortemperatur, die Umgebungslufttemperatur und die Drosselklappenstellung überwacht und die Einspritzzeit und -dauer entsprechend anpasst.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden in den Vereinigten Staaten mehr als 3,2 Billionen Meilen pro Jahr Kraftfahrzeuge gefahren. Dies ist eine Steigerung von mehr als 58 Prozent in 30 Jahren.

Elektrisch undHybridfahrzeuge

Moderne Elektroautos und -lastwagen werden seit den 1980er Jahren in kleinen Stückzahlen in Europa, Japan und den USA hergestellt. Ein elektrischer Antrieb ist jedoch nur für Fahrzeuge mit relativ geringer Reichweite möglich, die mit Batterien oder Brennstoffzellen betrieben werden . In einem typischen System wird eine Gruppe von Blei-Säure - Batterien in einer Reihe elektrischer Kräfte verbunden Wechselstrom- (AC) Induktionsmotoren das Fahrzeug anzutreiben. Wenn Nickel-Metallhydrid-Batterien ausgetauscht werden, verdoppelt sich die Reichweite. Ein Halbleitergleichrichter oder Wechselrichter ändert den Gleichstrom(DC) wird vom Akkupack an einen Wechselstromausgang geliefert, der vom Fahrer mithilfe eines Gaspedals gesteuert wird, um die Ausgangsspannung zu variieren. Aufgrund der Drehmomenteigenschaften von Elektromotoren werden herkömmliche Getriebe in den meisten Konstruktionen nicht benötigt. Gewichts- und Widerstandsreduzierung sowie regenerative Systeme zur WiederherstellungEnergie , die sonst verloren gehen würde, sind wichtige Überlegungen zur Verlängerung der Batterielebensdauer. Batterien können innerhalb von sechs Stunden an einer Haushaltssteckdose aufgeladen werden.

Konventionell Speicherbatteriesysteme haben keine hohen Leistungsgewicht-Verhältnisse für die Beschleunigung oder Energie-Gewichts-Verhältnisse für die Reichweite, um benzinbetriebenen Allzweckfahrzeugen zu entsprechen. Spezielle Anwendungen können jedoch aufgrund der hervorragenden emissionsarmen Eigenschaften des Systems praktisch sein. Solche Systeme wurden verwendet, um Fahrzeuge auf dem Mond und in speziellen kleinen Fahrzeugen, die in Fabriken gefahren werden, anzutreiben.

Derzeit werden mehrere Hybridfahrzeuge produziert. Sie kombinieren einen effizienten Benzinmotor mit einem leichten Elektromotor mit hoher Leistung , der bei Bedarf zusätzliche Leistung erzeugt. Während der normalen Fahrt wird der Motor zu einem Generator zum Aufladen des Akkus. Dadurch muss das Auto zum Aufladen nicht mehr an eine Steckdose angeschlossen werden. Der Hauptvorteil von Hybriden besteht darin, dass das System die Verkleinerung des Motors ermöglicht und durch die Verwendung fortschrittlicher elektronischer Motor- und Getriebesteuerungen immer in seinem optimalen Wirkungsgradbereich arbeitet .

Experimentelle Systeme

The U.S. automotive industry spends $18 billion or more on research and development of future products in a typical year—the most spent by any industry in the United States. Increasing pressure from various governments is requiring manufacturers to develop very low- and zero-emission vehicles. Authorities in California have estimated that motor vehicles produce 40 percent of the greenhouse gases that they consider to be responsible for climate change. To meet this challenge, manufacturers are working on a timetable to produce more efficient vehicle designs.

Es ist zu erwarten, dass die Expansion des gesamten potenziellen Automobilmarktes in der Zukunft und die Sorge um die Umwelt die Autos der Zukunft verändern werden. Möglicherweise sind Spezialfahrzeuge für bestimmte städtische oder ländliche Funktionen mit geeigneten Stromversorgungssystemen für jede Art der Nutzung erforderlich. Zu den Möglichkeiten gehören Solar-, Dampf-, Gasturbinen-, neue Hybridkombinationen und andere Stromquellen.

Dampfkraftwerke wurden im Lichte moderner Technologie und neuer Materialien erneut geprüft . Der zur Erwärmung des Dampferzeugers verwendete kontinuierliche Verbrennungsprozess bietet potenziell verbesserte Emissionseigenschaften.

Gasturbinen wurden ausgiebig getestet und weisen gute Drehmomenteigenschaften auf, arbeiten mit einer Vielzahl von Brennstoffen, haben ein hohes Leistungsgewicht, erfüllen die Emissionsstandards und bieten einen leisen Betrieb. Einige Studien haben gezeigt, dass die Vorteile des Systems am besten in Schwerlastfahrzeugen realisiert werden, die mit langen, nahezu konstanten Geschwindigkeiten fahren. Wirkungsgrade und Betriebseigenschaften können durch Erhöhen der Betriebstemperaturen verbessert werden. Dies kann unter Verwendung von kostengünstigen Keramikmaterialien kommerziell machbar werden. Erfolgreiche Konstruktionen erfordern regenerative Systeme, um Energie aus heißem Abgas zurückzugewinnen und an die einströmende Luft zu übertragen. Dies verbessert den Kraftstoffverbrauch, senkt die Abgastemperaturen auf ein sichereres Niveau und macht einen Schalldämpfer überflüssig in einigen Designs.

Eine Reihe anderer Konstruktionen wurde untersucht, die Variationen von Motorverbrennungszyklen umfassen, wie z. B. turbogeladene Benzin- und Dieselkonstruktionen (Zwei- und Viertakt). Rotationsmotoren wurden in Deutschland und Japan hergestellt, wurden jedoch aufgrund der Komplexität der Abgasreinigung fast vollständig eingestellt. Eine variable Ventilsteuerung kann die Leistung und Wirtschaftlichkeit optimieren und ein konstanteres Motordrehmoment bei verschiedenen Motordrehzahlen liefern. Durch die Verzögerung des Öffnens des Motorauslassventils wird das Abgas effektiv zurückgeführt, um die Auspuffemissionen zu reduzieren. Zu diesem Zweck können elektrohydraulische Ventile verwendet werden, die die Komplexität der Nockenwellenkonstruktionen vollständig ersetzen , oder Spannrollen, die bewegt werden können, um die Geometrie der Steuerkette der Nockenwelle zu ändern und das Öffnen des Ventils zu verzögern.

Solarbetriebene elektrische Demonstrationsfahrzeuge wurden von Universitäten und Herstellern gebaut. Solarkollektorflächen haben sich jedoch für konventionelle Autos als zu groß erwiesen. Das Design von Solarzellen wird weiterentwickelt .

Mikroprozessoren sind für die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und die Reduzierung unerwünschter Abgasemissionen für alle Fahrzeugtypen immer wichtiger geworden. Die Forschung zur Entwicklung sogenannter intelligenter Fahrzeuge, die den Fahrer unterstützen und sogar ohne Eingreifen des Fahrers arbeiten können, zumindest auf speziellen Straßen, hat einige Fortschritte erzielt , wobei die unterstützende Technologie zunehmend zum Standard wird. Diese Entwicklungen wurden durch hochzuverlässige digitale Festkörpercomputer und ähnlich zuverlässige elektronische Sensoren ermöglicht. Die Automobilindustrie hat mit Regierungsbehörden zusammengearbeitet, um Fahrzeuge mit ihrer Umgebung zu verbindenVerwendung fortschrittlicher Telekommunikationssignale, elektronischer Systeme und digitaler Computer sowohl innerhalb des Fahrzeugs als auch an Bord von Satelliten und an anderen entfernten Standorten. Anwendungen können in Funktionen für grundlegende Fahrzeugsystemunterstützung, Sicherheitsanwendungen sowie Informations- und Unterhaltungssysteme unterteilt werden.

Die Automobilindustrie ist für etwa zwei Drittel des Kautschuks, die Hälfte des Platins, ein Drittel des Aluminiums, ein Siebtel des Stahls und ein Zehntel des in den USA jährlich verbrauchten Kupfers verantwortlich. Ungefähr vier Fünftel des Materials in einem Auto sind recycelbar, und in den Vereinigten Staaten werden 19 von 20 verschrotteten Autos recycelt. Da das Automobil wahrscheinlich ein wichtiger Bestandteil des Transportsystems bleibt , müssen die Sicherheit und die Emissionskontrolle sowie die Leistung und die Kosten kontinuierlich verbessert werden.