CC BY
68
УДК 656.1:504.3.054
КОНТРОЛЬ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ СВЕРХНОРМАТИВНЫХ ВЫБРОСОВ
ОТ АВТОМОБИЛЯ
А.А. Климашов1
НИИ Военно-Системных Исследований МТО ВС РФ Военной Академии МТО имени генерала армии А.В. Хрулёва, 199034, г. Санкт-Петербург, наб. Макарова 8
Рассмотрены особенности загрязнения воздуха в. г. Санкт-Петербурге автомобильным транспортом различного назначения. Проведен анализ структуры автомобильных выбросов и их количественный состав, а также влияние на них режима работы автомобиля в городских условиях. Приводится описание устройства для предупреждения токсичности выхлопа двигателей транспортных средств, оформленное в виде заявки на изобретение.
Ключевые слова: автомобильные выбросы, токсичность, транспортное средство, окружающая среда, мониторинг.
CONTROL AND PREVENTION OF ABOVE-STANDARD EMISSIONS FROM THE CAR
A.A. Klimashov
Scientific research institute of Military and System Researches MTO Russian Armed Forces Voyennoy Akademii MTO of a name of the general A. V. Hrulyov, 199034, St. Petersburg, Makarov Emb. 8
Features of air pollution of century St. Petersburg are considered by the motor transport of different function. The analysis of structure of automobile emissions and their quantitative structure and also influence of a car mode of behavior on them in city conditions is carried out. The description of the device for prevention of toxicity of an exhaust of engines of vehicles issued in the form of the request for an invention is provided.
Keywords: automobile emissions, toxicity, vehicle, environment, monitoring.
Развитие автомобильного транспорта предопределило две четко выраженные и противоречивые тенденции. С одной стороны, достигнутый уровень автомобилизации отражает технико-экономический потенциал развития общества и степень удовлетворения социальных потребностей населения в транспортных услугах, а с другой - он обусловливает увеличение масштаба негативного воздействия на окружающую среду и нарушение экологического равновесия. Наиболее вредному воздействию со стороны автомобильного транспорта подвержена воздушная среда крупных городов и промышленных центров. Поэтому мероприятия по защите среды относятся к числу важных и актуальных социально-экономических факторов современного общества.
Общий объём выбросов загрязняющих веществ автомобильным транспортом в атмосферу составляет примерно 70% от всех видов транспорта, или около 40% общего количества антропогенного загрязнения атмосферы, а по такому ингредиенту, как окись углерода достигает 90 - 95 %. Особенно остро проблема автомобильных выбросов проявляется в крупных городах. Так, Санкт-Петербург входит в число 12 городов России с выбросами более 100 тыс. т/год и уступает по этому показателю только Москве. Это объясняется массовой эксплуата-
цией автомобилей со сверхнормативными уровнями токсичности и дымности двигателей. Количество выбросов, кроме того, зависит от концентрации автомобилей - 30 %, их технического состояния - 30 % и состояния дорожного покрытия и организации дорожного движения на улицах города - 40 %.
В Санкт-Петербурге сосредоточено около 1200 тыс. автомобилей, в том числе более 70% - легковых, а из них 78% - индивидуального пользования. Государственный автотранспорт представлен, в основном, грузовыми видами транспорта, которые являются преобладающими и составляют 59,7%. Преобладающим видом индивидуального автотранспорта является легковой, составляющий 98,3%. Если индивидуальный автотранспорт работает, в основном, на бензине, то государственный представляет следующее соотношение: на бензине -50%, дизельном топливе - 40%, газовом - 10%. При этом следует отметить, что в последнее время наблюдается заметное сокращение числа автомобилей, работающих на газе. От этого зависит количественный состав отработанных газов, а, следовательно, и их токсичность, которую определяют оксиды углерода, азота, альдегиды, углеводороды, сажа, нитродиалкиламины и другие вредные выбросы.
1 Климашов Алексей Алексеевич - оператор научной роты НИИ ВСИ МТО, тел.: 8 977-362-67-66, е-mail:Klimaschov@gmail. com
К особенностям автомобильного транспорта, влияющим на ухудшение санитарных условий проживания в крупных городах, относятся следующие:
1) Высокие темпы роста численности автомобилей (численность автомобилей в городе за последние 10 лет возросла в 2,9 раза и продолжает расти) по сравнению с ростом количества стационарных автостоянок (особенно следует отметить резкий прирост индивидуального транспорта, в основном, за счет ввоза автомобилей из-за границы).
2) Пространственная рассредоточен-ность (автомобили распределяются по территории, занимают до 50% площадей города, в Санкт-Петербурге — более 27 млн.м2 и создают общий повышенный фон загрязнения);
3) Непосредственная близость к жилым районам (автомобили заполняют все местные проезды, дворы жилой застройки, детские площадки, газоны);
4) Более высокая токсичность выбросов автотранспорта по сравнению с выбросами на стационарных автостоянках;
5) Сложности технической реализации средств защиты от загрязнений на автомобилях;
6) Низкое расположение источника загрязнения от земной поверхности и малой высотой выброса, составляющей, в среднем, 0,5-0,7 м от земной поверхности, в результате чего отработавшие газы автомобилей скапливаются в зоне дыхания людей и слабее рассеиваются ветром по сравнению с промышленными выбросами,
которые, как правило, имеют дымовые и вентиляционные трубы значительной высоты.
Перечисленные особенности автотранспорта влияют на создание в городе обширных зон с устойчивым превышением санитарно-гигиенических нормативов загрязнения воздуха. В отдельных районах концентрация диоксида азота превышает ПДК почти в 2 раза, пыли -в 12 раз.
В настоящее время объем вредных выбросов в атмосферу существенно увеличился в связи с ростом парка старых автомобилей, особенно иностранного происхождения.
Максимальная концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе наблюдается в часы пик, а также в районах плотной застройки высотных зданий со слабым ветровым потоком. Наибольший ущерб здоровью наносят машины, находящиеся в непосредственной близости от жилых зданий, особенно во дворах-«колодцах» под окнами жилых квартир. Вредные выбросы автомобильного транспорта в атмосферу связаны с:
- картерными газами, т.е. смеси отработанных газов с парами смазочного масла;
- топливными испарениями, поступающими в атмосферу из системы питания двигателя;
- отработанными газами автомобилей, содержащими токсичные компоненты.
Структура выбросов и их количественный состав приведен в таблице 1 [1].
Таблица 1 - Количество токсичных веществ в отработанных автомобильных газах
Токсичные Количество токсичных ве- Токсичные Количество токсичных ве-
вещества ществ при сгорании 1 кг топлива в двигателе вещества ществ при сгорании 1 кг топлива в двигателе
Карбюратор Дизель Карбюратор Дизель
грамм % грамм % грамм % Грамм %
Оксид углерода 225 73,8 25 25,5 Оксиды серы 2 0.7 21 21,4
Оксиды азота 55 18,1 38 38.8 Альдегиды 1 0,3 1 1,0
Углеводороды 20 6,6 8 8,2 Сажа 1,5 0,5 5 5,1
Всего: 304,5 100 98 100
Увеличение концентрации вредных выбросов в атмосфере, как правило, сопровождается следующими последствиями:
- общий вред: неприятные запахи, уменьшение видимости;
- воздействие на здоровье людей: раздражение дыхательной системы, органов зрения, общетоксический эффект, мутагенный и канцерогенный эффекты;
- воздействие на окружающую среду: загрязнение и порча материалов, коррозия, сни-
жение урожаев сельхозкультур и т.д.
Некоторые из этих вредных последствий очевидны и проявляются сразу, в результате чего источники их легко установить и указать конкретно, какие автотранспортные средства, каких типов и где вызывают отрицательный эффект. Например, неприятный запах присущ дизельным двигателям. Другие последствия, напротив, проявляются через некоторое время, в результате чего невозможно точно установить долю ответственности автомобиля, вызвавшего это
А.А. Климашов
негативное явление. Например, не всегда есть прямая связь между увеличением выбросов автотранспортом окислов азота и ростом респираторных заболеваний. Наконец, некоторые последствия загрязнения атмосферы автомобильным транспортом могут проявить себя только по прошествии очень значительного времени, и установить их количественную связь с автомобильным транспортом либо очень трудно, либо в силу недостаточных научных представлений о механизме явления, вообще не предоставляется возможным.
Характер и степень воздействия вредных выбросов автомобильного транспорта на человека в различных условиях и при различных концентрациях неодинаковы и зависят от температуры воздуха, давления, влажности, скорости ветра и т.п. 30% заболеваний горожан непосредственно связаны с загрязненностью воздуха выхлопными газами.
В защите атмосферы от загрязнения автомобильными выхлопами наша страна существенно отстала от развитых стран, причем по многим показателям. Двигатели даже новых отечественных автомобилей, сходящих с конвейеров автозаводов, выбрасывают в расчете на 1 км пройденного пути в 3-5 раз больше вредных веществ, чем их зарубежные аналоги. Проверки показывают, что каждый пятый автомобиль эксплуатируется с повышенной токсичностью или дымностью отработанных газов. В крупных городах доля загрязнения воздуха авто-
К числу мероприятий, позволяющих уменьшить загрязнение воздушной среды города, следует отнести запрет на эксплуатацию автомобилей, чьи выбросы не отвечают суще-
Поддержание двигателей и автомобилей в технически исправном состоянии — одно из основных, но далеко не единственное условие минимальной токсичности автомобилей. Выбросы вредных веществ и расход топлива в значительной степени зависят от соблюдения правил использования автомобилей, включающих в себя качество применяемых топлива и смазки, норм их расхода, использования рациональных методов и приемов вождения автомобиля, методы хранения подвижного состава и ряда других факторов, зависящих от водителей и обслуживающего персонала.
На состав отработанных газов (ОГ) двигателя большое влияние оказывает режим работы автомобиля в городских условиях. Низкая скорость движения и частые ее изменения, многократные торможения и разгоны способствуют повышенному выделению вредных веществ (табл.2) [4].
транспортом достигает 70 - 80 % от общего уровня загрязнения. В ряде городов содержание окиси углерода в воздухе над автомагистралями в 10-12 раз превышает предельно допустимую норму. По оценкам медиков и экологов, автотранспорт заметно сокращает среднюю продолжительность жизни населения.
Ниже, в таблице 3, приводится оценка выбросов вредных веществ от различных автотранспортных средств - легковых, грузовых, автомобилей и автобусов [4].
ствующим нормативам. Представляется, что оперативное решения этой проблемы возможно путем мониторинга транспортного потока в режиме реального времени. Ниже излагается
Таблица 2 - Условия работы автомобиля и показатели токсичности отработанных газов
Режим По времени Доля режима, % По расходу
работы двигателя По объему ОГ По выбросам топлива
gCO gCH gNOx
Холостой ход 39,5 10 13-25 15-18 0 15 3
Разгон (ускорение) 18,5 45 29-32 27-30 75-86 5
Установившийся режим 29,2 40 32-43 19-35 13-23 37
Принудительный холостой ход (ПХХ) 12,8 5 10-13 23-32 0-1,5 13
Таблица 3 - Характеристика количественных показателей выбросов загрязняющих веществ автотранспортом
Вид транспорта Выбросы загрязняющих веществ, (тыс. т)
СО Ш N02 С SO2 Pb
Легковые автомобили 2374 345,6 461 13,9 — 2,4
Городские и междугородные автобусы 2395 191 186 16,9 7,4 0,7
Легкие грузовые автомобили (<3,5 т) 2460 322 301 — — 0,96
Тяжелые грузовые автомобили (>3,5 т) 2820 942 439 203,2 47,4 0,94
Автомобильный транспорт в целом 10049 1900,6 1387 234,0 54,8 5,0
предложение по техническому решению такой системы мониторинга, оформленное в виде заявки на изобретение [2].
Предлагаемое авторами устройство относится к вычислительной технике и системам контроля экологического состояния воздушного бассейна и может быть использовано в приборах и системах контроля загрязненности воздуха и токсичности выхлопа двигателей автотранспортных средств.
Исследование предметной области позволило выявить ряд аналогов. Так описания устройств для контроля объектов управления изложены в авторских свидетельств на изобретения СССР №№ 690499; 982058; патенты РФ №№ 2145120, 2150126, 2236040, 2291489; патент Германии № 3.438.172; патент WO № 02\35495.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является устройство для предупреждения токсичности выхлопа двигателей транспортных средств (патент РФ № 2291489, О 07 С 5\08, 2005), которое и выбрано в качестве прототипа.
Указанное устройство обеспечивает адаптацию к текущим условиям состояния окружающей среды, в частности к состоянию погоды в реальном масштабе времени, и предупреждение о превышении токсичности выхлопа двигателей в функции от состояния погоды и условий эксплуатации двигателя. Кроме того, оно обеспечивает возможность для определения транспортных средств, находящихся в транспортном потоке, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение.
Однако данное устройство обеспечивает возможность только для определения транспортных средств, находящихся в транспортном потоке, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение, но не позволяет ярко обозначить эти средства, задержать и принять соответствующие меры воздействия за нарушение международных или государственных нормативных актов.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем яркого обозначения транспортных средств, находящихся в транспортном потоке, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение, их задержание и принятие соответствующих мер воздействия за нарушение международных или государственных нормативных актов.
Устройство для предупреждения токсичности выхлопа двигателей транспортных средств реализуемо на современной элементарной базе, в том числе в микроэлектронном ис-
полнении, и обеспечивает по результатам сравнения текущего значения контролируемого уровня выбросов с его допустимыми и предельно допустимыми значениями, предупреждения водителя и сотрудников полиции о недопустимости для данных условий текущего режима эксплуатации транспортного средства, чем стимулирует снижение токсичности выхлопа двигателя и снижение загрязнения окружающей среды воздушного бассейна.
Устройство обеспечивает дистанционное определение в транспортном потоке транспортных средств, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение. Это достигается использованием сложных Фмн - сигналов, которые дистанционно передают информацию о тех транспортных средствах, находящихся в транспортном потоке, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение, на пункт контроля.
Сложные Фмн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность сложных Фмн-сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный Фмн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного Фмн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность данных сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменения значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных Фмн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.
Сложные Фмн-сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять данные сигналы среди других сигналов и помех, действующих в той же полосе частот и в те же промежутки времени.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает яркое обозначение транспортных средств, находящихся в транспортном потоке, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение, их задержание и принятие соответствующих мер воздействия за нарушение международных или государственных нормативных актов. Это достигается
использованием на пунктах контроля сигнала управления, который в случае превышения предельно допустимого значения токсичности выхлопа двигателя транспортного средства обеспечивает выключение его двигателя, включение звуковой и световой сигнализации. Причем включенная штатная звуковая и световая сигнализация являются признаками обнаружения транспортного средства, токсичность выхлопа двигателя которого превышает предельно допустимое значение, а выключенный двигатель обеспечивает задержание транспортного средства и водителя. Тем самым функциональные возможности устройства расширены.
Использование штатного оборудования транспортных средств и простота технической реализации предлагаемого устройства позволяют надеяться на широкое его использование на практике, снижение загрязнения окружаю-
щей среды и улучшение экологической обстановки на дорогах и автомагистралях.
Литература
1. Буренин Н.С. и др. Экологическая безопасность автотранспорта в Санкт-Петербурге. Из-во Международного форума истории науки, 1994.
2. Дикарев В.И., Казаков Н.П., Климатов А.А. Способ контроля и регистрации движения транспортных средств. Заявка на изобретение, ВА МТО, 2018.- 25 с.
3. Дикарев В.И., Казаков Н.П., Березин Б.В., Попков В.П. Якубовская Н.А. Система контроля соблюдения правил дорожного движения. Патент РФ № 2.444.793, G 08 G 1/01, 2010.- 20 с.
4. Дикарев В.И., Казаков Н.П., Цыплакова Е.Г. Исследование уровня загрязнения от автотранспорта и его контроль // Инновации и инвестиции, №8, 2013.-С.154 - 160.
УДК 004.93
АВТОМАТИЧЕСКИЙ СБОР ИНФОРМАЦИИ О ПАРАМЕТРАХ ТРАНСПОРТНОГО ПОТОКА В ЦЕЛЯХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ
ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ
О.В. Маковецкая-Абрамова1
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, Санкт-Петербург, улица Садовая, дом 21
Статья содержит результаты экспериментов по сбору информации о параметрах транспортного потока в автоматическом режиме с применением цифровой обработки сигналов.
Ключевые слова: транспортный поток, распознавание образов, растровый датчик, преобразование Фурье.
AUTOMATIC COLLECTION OF INFORMATION ABOUT THE PARAMETERS OF THE TRANSPORT STREAM FOR ROAD SAFETY
O.V. Makovetskaya-Abramova
St. Petersburg state economic university (SPbGEU), 191023, St. Petersburg, Sadovaya Street, 21 The article contains the results of experiments on the collection of information on the parameters of the transport stream in automatic mode with the use of digital signal processing.
Keywords: transport stream, pattern recognition , raster sensor, Fourier transform.
Проблема обеспечения безопасности дорожного движения в мире в последние годы становится все более острой. Постоянное увеличение автомобильного парка, наряду с другими причинами, привело к резкому росту количества дорожно-транспортных происшествий (ДТП), тяжесть последствий которых вполне сравнима с национальным бедствием для многих и стран, в том числе и для России. Причинами смертей в результате ДТП являются многие факторы: это и плохие дороги, и плохие
водительские умения, и вождение автомобиля в состоянии алкогольного опьянения, невнимательность и плохая культура вождения и многие другие факторы. Каждые сутки на дорогах России погибают более 20 и получают ранения около 500 человек. Для решения проблемы безопасности дорожного движения (БДД) требуется проведение комплексных мероприятий:
- уточнение требований к здоровью водителей, совершенствование системы подготовки;
1 Маковецкая-Абрамова Ольга Валентиновна - кандидат технических наук, профессор кафедры Сервиса транспорта и транспортных систем СПбГЭУ, тел.: +7 921 5569306, e-mail: mak-abramova.olga@yandex.ru
