Анализ климатических условий и их влияние на экологоэкономический ущерб при эксплуатации автотранспорта Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ЭКОНОМИКА ОТРАСЛИ: ТРАНСПОРТ

УДК 338.14:504.5:621.43.064

Е. Г. Цыплакова

Анализ климатических условий и их влияние на экологоэкономический ущерб при эксплуатации автотранспорта

В статье представлена картина загрязнения Санкт-Петербурга токсичными выбросами автотранспорта зимой. Предложены пути повышения безопасности двигателей автомобилей.

The article presents a picture of pollution in St. Petersburg with toxic emissions of motor transport in the winter. The ways of improving the safety of car engines are suggested.

Ключевые слова: автомобильный транспорт, вредные вещества, окружающая среда, токсичность, загрязнение, двигатель, автомобиль, техническое состояние, экологическая опасность.

Key words: automobile transport, harmful substances, environment, toxicity, pollution, engine, vehicle, technical condition of the environmental danger.

Для обоснования задач исследований и соответствующих им практических рекомендаций по оздоровлению воздушной среды Санкт-Петербурга необходимо прежде всего проанализировать общие природные особенности региона в целом, а затем рассмотреть особенности влияния отдельных климатических факторов на величину эколого-экономического ущерба.

Климатические условия существенно влияют на организацию эксплуатации, хранения автомобилей и на их техникоэкономические и экологические показатели. Поэтому, рассматривая вопросы величины эколого-экономического ущерба от автомобилей, следует учитывать климатические условия конкретного района с целью увеличения надежности автомобилей при их эксплуатации и уменьшения вредного воздействия на окружающую среду.

Как показал анализ литературных источников, на состояние и состав городской воздушной среды влияют климатические и метеорологические особенности региона, которые определяются совокупностью природных факторов. Основными природными факторами, влияющими на климатические и метеорологические особенности региона и отдельных его районов, являются:

- атмосферная крупномасштабная циркуляция, деятельность циклонов, антициклонов и воздушных масс различного происхождения;

- ветровой режим по скорости и направлению;

- приток солнечного тепла;

- физико-географические особенности региона и его районов (рельеф местности, растительность, длительность снежного покрова и т. п.).

На формирование климата большое влияние оказывает атмосферная циркуляция. Наиболее существенные изменения погоды происходят в связи с перемещением и эволюцией воздушных масс, атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов.

Климату Санкт-Петербурга свойствен умеренный и влажный характер. Он относится к переходному типу от морского к континентальному с умеренно холодной зимой и нежарким летом. Это связано с географическим приморским положением города на северо-западе и циркуляцией воздушных масс.

Другим фактором климатообразования в Петербурге является сухой и холодный арктический воздух, проникающий с севера и северо-востока из полярной области высокого давления. Воздействует также континентальный воздух, приходящий с востока и юго-востока из Центральной Азии. Однако наибольшее климатообразующее значение имеют массы воздуха, поступающие из Атлантики.

Частые циклоны обусловливают многолетнюю изменчивость погоды и ее неустойчивость в течение года.

Техногенные факторы (пыль, дым и пр.) создают особый микроклимат в городе. Поэтому летом в центре города днем температура бывает на 2-3 градуса выше, чем в районах, прилегающих к центру, и даже в призаливной части. Зимой же эта разница может достигать 10-12 градусов по сравнению с пригородами.

Средняя годовая температура воздуха - плюс 4,3 градуса. Самый холодный месяц - февраль: средняя суточная температура в этом месяце -7,9 градуса, а в январе -7,7 градуса. Самый жаркий месяц-июль (+17,8 градуса). Средняя продолжительность всего периода с положительной средней суточной температурой - 222 дня, с температурой выше 5 градусов - 165 дней, с отрицательной температурой - 143 дня.

Осадков в среднем в год выпадает около 673 мм, но испарение влаги примерно на одну треть меньше этого количества, что и обусловливает повышенное увлажнение.

Влажность воздуха в Петербурге в среднем в год - около 75 %, летом - 60-70 %, а зимой — 83-88 %. Бывают дни, когда этот показатель достигает 95 % и даже больше.

Для города характерна сезонная и помесячная неравно мерность выпадения осадков. Их максимум приходится на август, а минимум - на март. В течение года среднее количество дней с осадками - около 200 мм, причем большая часть атмосферных

осадков выпадает с апреля по октябрь. В холодный период количество дней с осадками (снег, град, иней) - 61 мм.

В среднем в год в Петербурге бывает лишь 30 безоблачных, солнечных дней. Наибольшая облачность - зимой (свыше 80 % дней), а наименьшая - летом (около 50 % дней). Количество дней с туманами в среднем в год - около 32.

Сформировавшаяся в Петербурге многолетняя роза ветров характеризуется преобладанием ветров западного направления. Ветры, наиболее сильные осенью и зимой, достигают в это время года скорости более 10 м\с. Средняя же годовая скорость ветра около 3 м\с.

Зима в Петербурге обычно наступает в самом начале декабря, хотя бывает, что снег выпадает в первых числах ноября или января. Для городской зимы характерны оттепели, особенно в первую половину этого времени года. Второй же половине присуща более холодная погода. Весна наступает в конце марта, когда начинает таять снег. Средняя суточная температура выше нуля наступает, как правило, в начале апреля. Однако еще в мае бывают заморозки, чаще всего в ночное время. С прекращением заморозков связывается наступление лета, хотя даже в начале июня отмечалось выпадение снега. С возобновлением заморозков (со второй половины сентября) наступает осень. В конце ноября средняя суточная температура падает ниже нуля, осень заканчивается.

Как показывает анализ литературных данных, степень атмосферных загрязнений зависит от следующих природных факторов: направления и скорости ветра, температуры и влажности воздуха, рельефа местности и характера растительности. Такие природные факторы, как отрицательная температура, ветер, давление, влажность, снег и т. д., существенно влияют на организацию эксплуатации, хранение автомобилей, их технико-экономические и экологические показатели и, соответственно, на величину экологоэкономического ущерба.

В связи с этим в рамках данной работы представилось целесообразным рассчитать эколого-экономический ущерб от автотранспортных средств с целью получить оценку в денежной форме возможных отрицательных последствий воздействия автотранспортного комплекса при эксплуатации в различные периоды времени года.

Эколого-экономический ущерб был рассчитан с помощью методики экономической оценки предотвращенного экологического ущерба. Методика предназначена для получения укрупненной эко-лого-экономической оценки ущерба, предотвращенного в результате осуществления экологического контроля, реализации экологических программ и природоохранных мероприятий и т. д.

Предотвращенный экологический ущерб от выбросов в атмосферный воздух загрязняющих веществ передвижным транспортом рассчитывается по формуле:

N

Упрг = Кэ *Уудг * I АМ/ктр X Кэ/

/=1

где Упрг - предотвращенный экологический ущерб от загрязнения атмос ферного воздуха выбросами от передвижных источников в г-м регионе в течение отчётного периода времени в результате осуществления п-го направления природоохранной деятельности, тыс. руб.;

УУДг - показатель удельного ущерба атмосферному воздуху, наносимого выбросом единицы приведенной массы загрязняющих веществ на конец отчётного периода времени для г-го экономического района РФ, руб./усл. т;

Кэ - коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния атмосферного воздуха территорий в составе экономических районов России;

Кэ/ - коэффициент относительной эколого-экономической опасности /-го загрязняющего вещества или группы веществ;

/ - индекс загрязняющего вещества или группы загрязняющих веществ;

N - количество учитываемых групп загрязняющих веществ;

АМ/ктр - фактическое снижение выброса /-го загрязняющего вещества от к-й единицы передвижного транспорта в течение отчётного периода времени, т.

Примеры расчетов приведены на рис. 1-5.

□ СО

□ СН ^Ох

Рис. 1. Величина годового предотвращенного ущерба, тыс. руб.:

1 - холодный период, 400 автомоб.; 2 - теплый период, 400 автомоб. 3 - холодный период, 300 автомоб.; 4 - теплый период, 300 автомоб. 5 - холодный период, 200 автомоб.; 6 - теплый период, 200 автомоб. 7 - холодный период, 100 автомоб.; 8 - теплый период, 100 автомоб. 9 - холодный период, 90 автомоб.; 10 - теплый период, 90 автомоб.; 11- холодный период, 70 автомоб.; 12- теплый период, 70 автомоб.

8000 -7000 -6000 -5000 -

4000 -

а СО

Рис. 2. Величина предотвращенного ущерба, тыс. руб., от выбросов СО, г\мин, от автомобиля при выезде с территории стоянки и возврате при разных температурах окружающей среды: 1 - (+20 0С); 2 - (+10 0С); 3 - (+5 0С);

4 - (-5°...-10о); 5 - (-10°...-15о); 6 - (-15°...-20о); 7- (-20°...-25о); 8 - (ниже -25о); 9 - предпусковой разогрев двигателя при отрицательных температурах;

10 - подогрев двигателя при межсменной стоянке

1600 1400 1200 1000 -800 600 400 200 0

Рис. 3. Величина предотвращенного ущерба, тыс. руб., от выбросов СН, г\мин, от автомобиля при выезде с территории стоянки и возврате при разных температурах окружающей среды: 1 - (+20 0С); 2 - (+10 0С); 3 - (+5 0С);

4 - (-5о...-10о); 5 - (-10о.-15о); 6 - (-15о.-20о); 7- (-20о.-25о); 8 - (ниже -25о); 9 - предпусковой разогрев двигателя при отрицательных температурах,

10 - подогрев двигателя при межсменной стоянке

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

Рис. 4. Величина предотвращенного ущерба, тыс. руб., от выбросов ЫОх, г\мин, от автомобиля при выезде с территории стоянки и возврате при разных температурах окружающей среды: 1 - (+20 0С); 2 - (+10 0С); 3 - (+5 0С);

4 - (-5о...-10о); 5 - (-10о.-15о); 6 - (-15о.-20о); 7- (-20о.-25о); 8 - (ниже -25о); 9 - предпусковой разогрев двигателя при отрицательных температурах;

10 - подогрев двигателя при межсменной стоянке

700

600

500

400

300

200

100

0

□ БО

Рис. 5. Величина предотвращенного ущерба, тыс. руб., от выбросов SО2, г\мин, от автомобиля при выезде с территории стоянки и возврате при разных температурах окружающей среды: 1 - (+20 0С); 2 - (+10 0С); 3 - (+5 0С);

4 - (-5°...-10о); 5 - (-10°...-15о); 6 - (-15°...-20о); 7- (-20°...-25о); 8 - (ниже -25о);

9 - предпусковой разогрев двигателя при отрицательных температурах;

10 - подогрев двигателя при межсменной стоянке

Из приведенных рисунков видно, что максимальный ущерб приходится на холодный период времени года. С понижением температуры воздуха величина ущерба увеличивается. Как видно из рисунков, снизить величину ущерба можно за счет применения теп-лоэлектронагревателей для облегчения пуска двигателя автомобиля. Особенно эффективен разогрев двигателя в период межсменной стоянки автомобиля. Другим способом снижения ущерба является поддержание автомобиля в технически исправном состоянии.

Техническое состояние транспортных средств оказывает заметное влияние на выброс вредных веществ. Отказы по основным агрегатам, влияющие на выбросы автомобиля, распределены следующим образом: система питания - 38 %, двигатель - 26 %, система зажигания - 21 % и трансмиссии - 15 %. Только из-за отсутствия необходимой регулировки карбюратора бензинового двигателя внутреннего сгорания выброс оксида углерода может возрасти в 4-5 раз. В зимний период времени эти показатели увеличиваются. Из этого следует, что для снижения экологоэкономического ущерба автотранспорт должен находиться в технически исправном состоянии вне зависимости от климатических условий региона, а для этого проанализируем, как воздействуют факторы среды на системы и агрегаты автомобиля.

Как показал проведенный анализ, основным показателем, характеризующим климатические условия, является температура наружного воздуха, оказывающая непосредственное влияние на физико-химические свойства эксплуатационных материалов, а следовательно, на пусковые качества и работу двигателей и других агрегатов автомобилей, и их воздействие на экологию окружающей среды.

Наименьшее количество оксида углерода, углеводородов и окислов азота выбрасывается автомобилями при температуре окружающей среды 20 °С. С увеличением температуры усиливаются процессы испарения топлива, что приводит к увеличению концентрации вредных веществ в ОГ автомобиля (рис. 6). Действие вредных веществ усиливается летом в условиях высоких температур повышенной солнечной радиации. Низкие температуры отрицательно влияют на состояние агрегатов и эксплуатационных материалов, усложняют обслуживание автомобиля, уменьшают его надежность, увеличивают интенсивность изнашивания автомобилей, их агрегатов и механизмов, затрудняют пуск двигателей, увеличивают время прогрева двигателя, ухудшают экономичность (увеличивают расход топлива), что приводит к увеличению концентраций вредных веществ в ОГ автомобиля. На основании обобщения данных, полученных при испытаниях в различных лабораториях Западной Европы на двигателях, было установлено, во сколько раз в среднем эмиссия вредных веществ при холодном пуске двигателя при различных температурах воздуха превышает эмиссию этих же веществ при работе прогретого двигателя. Сводные результаты в виде отношения ехол \егор - эмиссия при работе холодного и прогретого двигателя показаны на рис. 7.

45.00

40.00

35.00

30.00 3 25.00 ^ 20.00

15.00

10.00

5.00

0.00

за 31 25 20 и 8

Т. гр*Д.С

Рис. 6. Зависимость пробеговых выбросов углерода, углеводородов и диоксида азота от температуры окружающей среды.

Скорость движения автомобиля 32 км/ч

Как видно из рис. 7, при температуре окружающей среды минус 10о эмиссия СО при пуске холодного двигателя в пять раз больше, чем при пуске прогретого, СН - в три раза больше, NОx - 1,4 раза больше.

Температура наружного воздуха, “С

Рис. 7. Эмиссия токсичных веществ при холодном и горячем пуске двигателя: 1 - СО; 2 - СН; 3 - NOx

Фракционный состав и упругость паров выпускаемых автомобильных бензинов может обеспечить достаточную испаряемость их только при положительных температурах. Начиная с 0 оС и ниже испарение происходит настолько неполно и медленно, что большая часть засасываемого топлива скапливается во впускном трубопроводе в виде жидкой пленки. При отрицательных температурах в сочетании с сильными ветрами вследствие охлаждения двигателя процесс распыливания и испарения топлива ухудшается еще больше, что способствует увеличению выброса продуктов неполного сгорания топлива.

Скорость ветра и влажность наружного воздуха оказывают влияние на интенсивность отвода тепла от агрегатов автомобиля, приводя к снижению их температурного режима во время движения и межсменной стоянки.

Ветер в значительной степени ускоряет остывание нагретых деталей и механизмов автомобиля, усложняет его техническое обслуживание, так как увеличение скорости ветра на 1 м/с равнозначно по интенсивности охлаждения снижению температуры воздуха на 10 %. Необходимо учитывать также, что снег, измельченный под воздействием низкой температуры и сильного ветра, легко проникает через щели и отверстия в кабину, кузов, недостаточно защищенные механизмы, подкапотное пространство и т. д. Попадая, например, в подкапотное пространство, снег проникает в приборы электрооборудования, прерыватель-распределитель, нарушая их работу, замыкает контакты, затрудняет пуск двигателя и т. д. Затруднения при пуске двигателя, повышенный износ деталей, агрегатов и механизмов, перерасход топлива увеличивают вредное воздействие автомобиля на окружающую среду.

Влажность воздуха влияет на обледенение таких деталей карбюратора, как дроссельная заслонка, диффузор, жиклеры. При вы-

сокой влажности воздуха (95...100 %) и температуре, близкой к нулю, возможно отложение льда на заслонке и других деталях карбюратора, которое будет препятствовать нормальному движению заслонки, и состав горючей смеси будет заметно отличаться от оптимального, в результате чего перерасход бензина может достигать 10 %, а содержание СО в отработавших газах повысится на 30.40 %. Образование льда в диффузоре вызывает значительное обогащение рабочей смеси и снижение экономичности двигателя. Обледенение жиклеров приводит к ухудшению поступления топлива в камеры сгорания двигателя. Все это приводит к повышению токсичности выхлопных газов. С понижением температуры наружного воздуха снижается и влажность, особенно при температуре минус 20 оС и ниже.

Особенно труден при зимней эксплуата ции машин пуск холодного двигателя. Каждый пуск и прогрев двигателя при температуре +5 оС дает такой же износ, как и при пробеге автомобиля с прогретым двигателем, равном 30-40 км. При пуске же холодного двигателя с вязким маслом на морозе износ может быть равноценным износу за пробег автомобиля 200-250 км. Многочисленными исследованиями и практикой установлено, что износы при пуске и прогреве плохо разогретого двигателя составляют большую часть (свыше 60 %) общих износов за все время эксплуатации автомобиля. Каждый пуск двигателя зимой без предварительного разогрева приводит к весьма интенсивному образованию износов основных деталей: цилиндров, поршневых колец, шеек коленчатого вала и др., что в свою очередь способствует увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу.

В процессе эксплуатации текущие неисправности, износ деталей и нарушения регулировки приводят к ухудшению показателей токсичности и топливной экономичности, особенно при эксплуатации автомобиля в зимних условиях. Изменение интенсивности изнашивания, естественно, влияет на показатели надежности, экономичности и экологичности. Общая схема воздействия низких температур на показатели надежности машин показана на рис. 8. Снижение надежности машин при отрицательных температурах вызывается рядом причин. В первую очередь, эти причины приводят к увеличению частоты пусковых отказов, снижению долговечности элементов машин, ухудшению ремонтопригодности, что в свою очередь приводит к ухудшению показателей токсичности и топливной экономичности.

Г

Затруд-

нение

писка

двига-

телей

Ухудшение смазывающих свойств масел и смазок

I

Застывание рабочих жидкостей и дизельного топлива

Воздействие

Замер-

зание

охлаж-

дающих

жидко-

стей

Снижение

ударной.

вязкости

металлов

Отвердевание и повышение хрупкости полимерных материалов

Обледенение и попадание снега 8 механизмы и агрегаты

Структурные изменении и повреждения

Снижение

несущей

способности

элементов

Снижение качественных показателей материалов

Появление

дополни-

тельных

нагрузок

Замыкание 6 электрических цепях

Увеличение

частоты

пусковых

отказов

Увеличение параметра потока рабочих отказов'

Снижение долговечности элементов

Ухудшение ремонтопри -годности

Увеличение вредного воздействия на окружающую среду

Рис. 8. Общая схема воздействия отрицательных температур на показатели надежности автомобилей

В условиях отрицательных температур снижается мощность двигателя и увеличивается расход топлива, что объясняется переохлаждением и неприспособленностью некоторых двигателей для эксплуатации в условиях отрицательных температур (рис. 9).

20 16 12

Q,%

8 4

0

-25 -20 -15 -10 -5 0

Температура воздуха, С

Рис. 9. Зависимость расхода топлива от температуры окружающего воздуха: а - удельного для двигателей; 1 - карбюраторного; 2 - дизеля

Таким образом, преждевременный износ и недостаточный технический уровень автомобильной техники приводит к перерасходу до 12-15 % топлива, а следовательно, и увеличивает на 15-20 % объем вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, преждевременный износ деталей и агрегатов из-за негерметичности приводит к непосредственному загрязнению окружающей среды канцерогенными продуктами сгорания.

Как показал анализ литературных данных, при эксплуатации автомобиля с отклонениями параметров технического состояния от нормативных расход топлива может возрасти на 40 %, а токсичность отработавших газов - в несколько раз.

В карбюраторных двигателях автомобилей эти показатели снижаются: из-за отклонений в системе питания - на 30.40 %, в системе зажигания - на 25.30 %, в механической части двигателя - на 20.25 %, в трансмиссии и ходовой части - на 15 %. Наибольшее влияние на превышение выбросов СО оказывает нарушение регулировок в системе питания: нормы стандарта могут быть превышены на 70 % и более.

В дизельных двигателях практически любая неисправность топливоподающей системы влияет на дымность отработавших газов: это закоксовывание сопловых отверстий и деформация струй топлива, неравномерность цикловой подачи по цилиндрам, уменьшение давления впрыска. Увеличение цикловой подачи сверх номинальной на 25 % увеличивает дымность отработавших газов на 40 %. В результате естественного износа деталей топливной аппаратуры расход топлива к моменту исчерпания ресурса возрастает на 8.10 %, дымность - на 20.30 %. С понижением температуры окружающего воздуха показатели токсичности увеличиваются.

Ухудшение пусковых свойств топлива, вызванных отрицательными температурами, может является причиной отложений на впускных клапанах. Между отложениями на деталях и топливной аппаратуре и токсичностью отработавших газов наблюдается непосредственная связь. Например, выявлена прямая зависимость между отложениями на впускных клапанах двигателей с непосредственным впуском бензина и содержанием СО, NОx и углеводородов в отработавших газах. При эксплуатации двигателя с непосредственным впрыском бензина эти отложения достигают 2 мм толщины и, имея пористую структуру, адсорбируют легкие фракции топлива, не пропуская их в цилиндры. После очистки поверхностей клапанов токсичность отработавших газов снова снижается. Это наблюдается только при пуске холодного двигателя.

При разности температур наружного воздуха и топлива, находящегося в баке автомобиля, содержащаяся в воздухе влага осе дает в виде инея на свободных от топлива стенках бака, который, попадая в топливо, вызывает резкое увеличение содержания в нем воды. Капли воды, попадающие вместе с топливом в топливопрово-

ды, могут замерзнуть и закупорить каналы и приборы питания ледяными пробками.

В условиях зимней эксплуатации автомобилей ухудшаются условия работы механизмов и деталей трансмиссии и подвески. Техническое состояние трансмиссии оказывает значительное влияние на количество вредных выбросов и расход топлива автомобилями.

Разогрев масла в механизмах трансмиссии при эксплуатации автомобилей зимой зачастую производится за счет тепла, выделяющегося от трения при работе под нагрузкой. При этом масло разогревается очень медленно, и до нагрева до температуры 10.15 ° С шестерня и подшипники работают без достаточной смазки, что повышает интенсивность их износа. Установлено, что износ зубьев шестерен и подшипников главной передачи автомобилей, работающих продолжительное время на масле, имеющем температуру минус 5 °С и ниже, в 10.12 раз выше, чем износ этих деталей при работе их в масле, имеющем температуру +35 °С и выше.

Несвоевременная подача масла к местам трения ведет не только к увеличенным износам, но может привести к аварии двигателя (выплавление подшипников и задиры шеек коленчатого вала, поршней цилиндров и других деталей.

Автомобили, находясь на безгаражной стоянке, подвергаются воздействию отрицательных температур, ветра и атмосферных осадков, что вызывает разрушение окраски, коррозию деталей автомобилей.

Все вышесказанное показывает сложность и многообразие влияния факторов среды на эксплуатацию и экологичность автомобильного транспорта и, следовательно, на величину экологоэкономического ущерба. Поэтому к решению проблемы повышения эффективности работы автомобильного транспорта в зимний период года и снижения его вредного воздействия на окружающую среду следует подходить, учитывая влияние факторов всего комплекса.

В этих условиях необходим тщательный приборный контроль за техническим и экологическим состоянием автотранспорта, а также экологический контроль территорий, используемых для безгаражного хранения автотранспорта, особенно на импровизированных дворовых стоянках.

Поддержание двигателей и автомобилей в технически исправном состоянии - одно из основных, но далеко не единственное условие снижения эколого-экономического ущерба от автотранспорта, особенно при зимней эксплуатации. 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, рациональных методов и приемов вождения автомобиля, методы хранения подвижного состава и ряда других факторов, зависящих от водителей и обслуживающего персонала.