CC BY
166
УДК 621.43.068.4
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ
П.М. Канило, профессор, д.т.н., К.В. Костенко, науч. сотр., М.В. Сарапина, аспирант, М.А. Костыркин, студент, ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрены основные аспекты современной топливно-экологической проблемы автомобильного транспорта, в том числе перспективы замещения нефтяных топлив альтернативными энергоносителями. Приведены результаты экоисследований легковых автомобилей по Европейскому городскому ездовому циклу при использовании различных, в том числе газообразных, топлив. Дан комплексный анализ эколого-химических показателей автомобилей (с учетом суммарной канцерогенности отработавших газов), предложена методика интегральной оценки эколого-химической опасности автомобилей и их приспособленности к окружающей среде с учетом граничных международных норм.
Ключевые слова: нефтяные и синтетические топлива, биотоплива, отработавшие газы (ОГ), оксиды азота (N0^, канцерогенные углеводороды (КУ), бенз(а)пирен (БП), аэрозольные частицы (АЧ), эколого-химические показатели.
Введение
Из всех глобальных проблем, которые когда-либо решало человечество, самой трудной всегда оставалась проблема производства энергии и транспорта. В последние годы именно топливно-энергетическая, а также экологические проблемы являются наиболее актуальными и масштабными. Все более острой становится проблема нехватки энергетических ресурсов, потребности в которых удовлетворяются в основном за счет ископаемых топлив. В мире насчитывается более 600 млн. автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). За последние 30 лет общее количество автомобилей увеличилось в 3 раза и их производство постоянно растет. Автомобильный транспорт является основным потребителем нефтяных топлив (расходуется примерно 80 % добываемой нефти). Собственные запасы нефти ограничены, например, для Северной Америки - десятью годами, для стран СНГ, включая Россию,
- двумя десятками лет при постоянном снижении уровня ее добычи и существенном повышении стоимости. Поэтому в ближайшие годы прогнозируется снижение потребления
нефтяных топлив на 20 - 30 % практически всеми странами мира. Из известных ныне путей экономии нефтяных топлив весомое практическое значение имеют два: существенное повышение эксплуатационной топливной экономичности автомобилей (применение более совершенных современных двигателей и гибридных энергоустановок с высокой топливной экономичностью и параметрической надежностью) и замещение нефтяных топлив (частичное или полное) альтернативными энергоносителями: при-
родными газами (на переходный период); электроэнергией; синтетическими моторными топливами (СМТ), в том числе спиртовыми, производимыми из углей и сланцев; биотопливами, получаемыми из сельскохозяйственной органики, а также водородом, который может использоваться как высокоэффективная добавка к горючим смесям, так и в качестве необходимого компонента при производстве СМТ.
Анализ топливно-ресурсной проблемы
Сегодня и в обозримом будущем невозможно будет построить энергетику, в том числе
транспортную, только на одном энергоносителе. Перевод всего транспорта на электрическую тягу или водородное топливо энергетически невозможен, так как суммарная мощность двигателей только автотранспортных средств превышает мощность всех электрогенерирующих установок мира, включая и АЭС. Основными факторами, определяющими долю того или иного вида моторного топлива в общей структуре энергопотребления, являются: технико-экономический потенциал и региональные особенности топливно-энергетического баланса, динамика цен на сырье и топливо на мировом рынке, технический уровень и структура промышленности, энергетики и автотранспорта, а также экологическая ситуация в регионе. Однако экономический приоритет выбора топлив для автомобилей может определяться только в результате многофакторного системного анализа с учетом динамики развития отдельных составляющих в применении к конкретному региону.
Стратегию переходного периода обычно связывают с частичной заменой традиционных жидких нефтяных топлив природным газом (или сжиженным нефтяным газом) и водородом. Ресурсных запасов природного газа в странах СНГ, включая Россию и Украину, при современном уровне его потребления, предполагается достаточным примерно на 60 лет. В настоящее время природный газ характеризуется самой низкой энергетической стоимостью (примерно 6 $/ГДж), что практически в 4 - 5 раз ниже стоимости современных бензинов. Поэтому природный газ можно рассматривать на переходный период как один из наиболее приемлемых альтернативных энергоносителей для транспорта Украины, особенно для автотранспортных предприятий крупных городов.
Моторные качества метана (высокие теплотехнические и детонационные показатели, широкий диапазон изменения концентрационных пределов воспламенения, причем граница воспламенения бедной смеси характеризуется атах = 1,67 и остается неизменной для всех значений степеней сжатия е £16) позволяют: существенно повысить степень сжатия в ДВС с принудительным, в том числе форкамерно-факельным, воспламенением горючей смеси, реализовать энергетически и экологически высокоэффективное сжигание обедненных газовоздушных смесей. По дан-
ным ряда автотранспортных предприятий минимальные топливные составляющие обеспечиваются именно при эксплуатации автомобилей на сжатом природном газе, даже без учета существенного улучшения их эколого-химических показателей. При этом более эффективное использование природного газа в городском автотранспорте возможно при достижении следующих условий: существенное снижение стоимости и эксплуатации автогазонаполнительных компрессорных станций, а также с их расположением в черте города; уменьшение массы и стоимости газобаллонной аппаратуры; создание или приобретение газовых двигателей с повышенной (не менее чем на 20 %) эксплуатационной топливной экономичностью. При этом программа перевода, например, части автомобильного транспорта на природный газ должна быть для конкретного города (региона) экономически обоснованной, осуществляться на государственном уровне, а также на основе международного сотрудничества.
Регионально целесообразным или экологически необходимым может также оказаться использование комбинированных топлив: применение более дешевых низкооктановых прямогонных бензинов с антидетонационны-ми и экологически эффективными добавками сжатого природного газа или водорода [1 -3]. Водород как дополнительное топливо имеет ряд преимуществ: высокая удельная теплота сгорания и антидетонационная стойкость, хорошая воспламеняемость углеводородно-водородно-воздушных смесей в широком диапазоне температур и составов, что позволяет организовать качественное регулирование рабочего процесса ДВС, увеличив тем самым термический КПД двигателя на режимах частичных нагрузок, характерных для работы автомобилей в условиях города. Например, добавки водорода (в диапазоне до 10 % мас.) в цилиндры ДВС с традиционным искровым воспламенением обедненных бен-зоводородовоздушных смесей обеспечивают экономию бензина до 40 %. При этом стоимость бензоводородного топлива снижается
на 15 % (А 3б+ н2 ) при замещении 30 % бензина (Б) водородом и его относительной энергетической стоимости (Ц), превышающей стоимость бензина в 2,2 раза (см. рис. 1).
, %
20 10 0 -10 -20
0 10 20 AGБ,%
Рис. 1. Влияние частичного замещения бензина (AGБ) водородом на изменение удельных эксплуатационных затрат по топливной составляющей, где:
Ц = Цту.т.(н2)/Цту.т.(б) ; ТУ. Т. - тонна
условного топлива; 1 -Ц = 2,2; 2 -
Ц = 2,9; 3 -Ц = 3,7
Важным является также то, что при сжигании обедненных бензоводородовоздушных смесей ингибируются процессы образования КУ и АЧ, а также снижаются уровни образования NOX при повышенной полноте выгорания топлива. Модернизация бензиновых двигателей при использовании водорода или природного газа в качестве дополнительного энергоносителя минимальна и касается в основном систем питания и регулирования. Водород при этом можно транспортировать на автомобиле: в газообразном (современные облегченные стеклопластиковые баллоны), в сжиженном (криогенные баки), в связанном твердофазном (гидриды металлов) и жидком (химические соединения - метанол, этанол и т.д.) состояниях.
Известно, что разведанных запасов углей и сланцев на Земле хватит на сотни лет (в том числе и для производства СМТ), причем их месторождения более равномерно распределены по странам мира в отличие от месторождений нефти и газа, что обеспечит стабильность цен на них. В настоящее время потребительская стоимость энергетических углей (Цу) находится на уровне 2 - 4 $/ГДж, что в среднем почти на порядок ниже стоимости современных бензинов. Следует при этом отметить, что еще в 1921 г. (также в период нефтяного кризиса) инженер Бергиус запатентовал технологию производства синтетических топлив, в том числе и бензинов, из бурых углей, запустил ряд заводов и ему была присуждена Нобелевская премия за решение важнейшей в тот период топлив-
но-энергетической проблемы. Однако удельная стоимость производства синтетического бензина по традиционным технологиям (см. рис. 2 [4]) пока существенно выше стоимости природного газа, но уже приближается к стоимости нефтяных топлив.
2 3 4 Цу, $/ГДж
Рис. 2. Стоимость производства СМТ: 1 - метанол + синтез-газ, 2 - метанол, 3 - бензин (метод Фишера-Тропша)
Поэтому предполагают, что совершенствование известных методов газификации углей [5], горючих сланцев, битуминозных песков (в том числе на основе использования современных плазменных технологий [6] и т.д.) с последующим получением метилового спирта и производства на его основе СМТ, позволит в ближайшие десятилетия (с учетом дальнейшего повышения стоимости нефтяных топлив) начать их практическое (более широкое) использование в качестве дополнительного и основного топлива в автотранспорте Украины, как это делается в ряде стран Европы и США. Опыт этих стран показывает, что добавка метанола в количестве 10 - 15 % к бензину с октановым числом 72 повышает октановое число на 8 - 10 пунктов и позволяет использовать такую бензомета-нольную смесь в серийно применяемых карбюраторных двигателях. Применение метанола (или другого спиртового топлива) в качестве основного водородоносителя является также одним из перспективных путей эколо-го-энергетического совершенствования автомобильной техники. Это обусловлено прежде всего тем, что конверсионный газ (конгаз), образующийся в результате конверсии метанола, содержит 67 % об. водорода и 33 % об. оксида углерода, являющихся экологически чистыми составляющими топлива и позволяющими существенно обеднять топливно-воздушную смесь, что в свою очередь способствует повышению экономичности двигателя, а также снижению уровней выбросов токсичных и канцерогенных ингредиентов с ОГ автомобилей. Вторым немаловажным фактором, повышающим экономич-
ность такой энергоустановки, является утилизация внутренней энергии ОГ путем частичного их отбора в реактор на разложение метанола. При 100 % конверсии прирост энергоемкости конгаза составляет примерно 10 % по сравнению с метанолом, а возврат его в цикл позволяет повысить индикаторный КПД двигателя на 3 - 4 %. Следует также учесть и удобство бортового хранения метанола (этанола), практически не отличающегося от хранения бензина. Принципиальная схема работы поршневого ДВС с каталитической конверсией метанола приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема работы ДВС с каталитической конверсией метанола
В выпускном трубопроводе 1 двигателя 2 установлен каталитический реактор 3 для конверсии метанола. В герметичном корпусе реактора размещены два пучка теплообменных труб, один из которых образует испарительную, а другой, заполненный катализатором, - реакционную камеру. Жидкий метанол из топливного бака 4 топливным насосом 5 подается в реактор. Продукты конверсии метанола через охладитель 6, редуктор 7 и регулятор подачи газа 8 подводятся к впускному воздушному ресиверу 9 двигателя. Экспериментальные исследования, проведенные на двигателе ЗМЗ-402 при работе на бензине
А-76, испаренном метаноле и с реактором конверсии метанола (катализатор СНМ-1, степень конверсии ~ 60 %), показали, что при частоте вращения коленчатого вала двигателя 2500 мин-1 и 30 % нагрузки КПД двигателя составлял: соответственно 28, 33 и 36 % при суммарном коэффициенте избытка воздуха 0,95; 1,5 и 2,1; а уровни концентраций NOX соответствовали: 3200, 1200 и 250 млн-1. При использовании конверсионного газа в ОГ двигателя отсутствовали канцерогенные углеводороды. Такая схема конверсии спиртовых топлив представляется особо перспективной для автомобилей будущего с электрохимическими топливными элементами. Модельные образцы таких автомобилей, а также
автомобилей с гибридными энергоустановками испытываются ведущими мировыми автомобильными фирмами («Хонда», «Тойота», «Дженерал моторс», «СААБ» и др.).
С другой стороны в США развернута кампания по замене каждого пятого литра бензина на биотопливо (БТ). В 2005 г. в США из кукурузы было произведено примерно 19 млрд. литров этанола. При таких темпах роста потребления БТ к 2008 г. на его производство уже потребуется половина выращиваемой в США кукурузы. Как заявил вице-президент концерна Dupon по биотехнологиям: «Экономика, национальная безопасность и парниковый эффект создали уникальное совпадение интересов, нацеленных на расширение производства биотоплив». И это не только американская тенденция. Западная Европа предполагает к 2010 г. заменить каждый 20-й литр бензина БТ. В настоящее время в Европе уже производится 1,7 млн. т рапсового БТ. Однако биологический материал также имеет свои пределы и, как считает ряд международных экспертов, реальные объемы замены нефтяных моторных топлив биотопливами могут составить к 2025 г. не более 10 % [7].
Резюмируя изложенное, следует отметить, что проблему замещения нефтяных топлив на автотранспорте природным газом, электроэнергией, синтетическими топливами следует рассматривать комплексно - в сочетании с уровнями потребления энергоресурсов в стационарной энергетике, промышленности и быту. Целесообразно в Украине сокращать потребление природного газа в промышленности и быту (применение энергосберегающих технологий, расширение экономного использования электроэнергии и т.д.), а также в стационарной энергетике - на основе внедрения эффективных технологий сжигания угольной пыли без использования природного газа и мазута (технологии кипящего слоя, плазменные, водородно-кислородные технологии и т.д.). При этом ТЭС должны модернизироваться в энерготехнологические комплексы, в том числе с внутрицикло-вой газификацией угля [5], с целью как повышения их эксплуатационной экономичности и ресурса (обеспечение постоянства работы ТЭС на самом экономичном режиме при электролизном производстве водорода и кислорода, осуществление дополнительного парогазового цикла и т.д.), так и для производства синтетических газообразных и жидких
топлив (с использованием угольной пыли, пара, водорода, кислорода [6]).
Анализ экологической проблемы
Автотранспорт является не только энергоемким потребителем материальных ресурсов, в том числе нефтяных топлив, но и определяющим в экологическом (термическом, химическом, физическом, акустическом и т.д.) загрязнении окружающей среды (ОС), особенно атмосферы крупных городов. При этом интегральные эколого-химические показатели автомобилей в значительной степени определяются их эксплуатационной топливной экономичностью, параметрической надежностью и качеством используемых топлив, в том числе энергетическими показателями, уровнями содержания углерода, водорода, тяжелых металлов, ароматических углеводородов (АУ), серы и т.д. В табл. 1 приведены некоторые энергетические, элементно-экологические и стоимостные показатели для традиционных нефтяных моторных и ряда альтернативных топлив, в том числе синтетических, а также энергетических углей и водорода.
Таблица 1 Данные по топливам
Вид топлива (т) н Н, МДж кг Цена, $ ГДж СТ, кг ГДж СС02(<)
^С02(В) %
Бензин (Б) 44,0 20-30 19,3 100
Дизельное топливо (ДТ) 42,4 20 20,4 106
Пропан-бутан 45,7 15 17,9 93
Природный газ 49,8 6 15,1 79
Уголь 17 - 28 2 1 3 30,0 160
Метанол 19,7 20-30 19,0 96
Этанол 26,8 40 19, 9 99
Рапсовое масло (РМ) 37,2 20 21,1 109
РМ (75 %) + ДТ (25 %) 38,3 20 21,0 109
Водород 120,2 8*-100 0 0
Примечание. СТ - удельное содержание углерода в энергетически сравнимой доле топлива; * - водород, производимый электролизом на угольных ТЭС для собственных нужд; современные отечественные Б и ДТ содержат до 60 % АУ (по международным нормам допускается не более 20 %).
Данные в табл. 1 показывают:
- в настоящее время наиболее низкой энергетической стоимостью обладают уголь и при-
родный газ, а в дальнейшем, при более существенном повышении стоимости нефти, возможно и синтетические топлива на основе углей также будут характеризоваться пониженной относительной стоимостью. В настоящее время стоимость электроэнергии в Украине для потребителей составляет примерно 13 $/ГДж (при этом стоимость электроэнергии на угольных ТЭС для собственных нужд, например для производства водорода электролизом, ~ 6 $/ГДж);
- на первом этапе переходного периода для городского автотранспорта Украины наиболее приемлемым заменителем нефтяных топлив (исходя из ресурсных и стоимостных показателей, а также, как будет показано ниже,
- и с экологической целесообразности) является природный газ, причем его использование решает проблему предлагаемого в Европе снижения уровней выбросов парниковых газов (СО2) с ОГ автомобилей на 20 %. Указанное снижение уровней выброса СО2 также может быть обеспечено при использовании традиционных нефтяных топлив с добавкой примерно 7 % мас. водорода;
- на втором этапе видимо целесообразным будет постепенное внедрение (особенно в крупных городах) электромобилей и замещение нефтяных топлив жидкими синтетическими энергоносителями, а для сельскохозяйственной техники - более широкое использование биотоплив.
Анализ загрязненности атмосферы городов с интенсивным автомобильным движением показал, что наиболее опасными (по степени вредности для человека) являются: N0^ КУ (БП) и особенно их производные - нитрокан-церогенные вещества, обладающие, как следствие явлений синергизма, мутагенными свойствами. Именно БП, среди выделенной учеными приоритетной группы КУ, обладает наибольшим индексом канцерогенной агрессивности (ИКА) и для него установлена среднесуточная предельно допустимая концентрация в атмосфере городов [ЦДКбпЬо = =10-6 мг/м3. Определена корреляционная зависимость между удельными уровнями выбросов с ОГ двигателей БП (тш) и составляющими приоритетной группы КУ (тКУ) с учетом их ИКА Е(тКУ-ИКА.)=1,3тКп, г/км [3]. При этом одними из основных носителей канцерогенов и нитроканцерогенов, причем существенно усиливающими их агрессив-
ность (промотирующее воздействие), являются мелкодисперсные аэрозольные (сажистые) частицы (АЧ), выбрасываемые, в большей степени, с ОГ автомобилей с дизельными двигателями. В США была исследована мутагенная активность АЧ, выбрасываемых с ОГ дизелей. Она оказалась (в расчете на километр пробега) в 6 раз выше, чем с бензиновыми двигателями [8]. Немецкая транспортная ассоциация на протяжении последних лет формирует так называемый экологический рейтинг автомобилей по критериям, отражающим степень вредного воздействия на здоровье человека отдельных составляющих ОГ. В частности, на первое место она ставит КУ. По мнению медиков, именно их доля в риске возникновения злокачественных опухолей составляет в больших городах ~ 85 %. Федеральное ведомство по охране ОС, разделяя эти оценки, в значительной мере способствовало тому, что правительством ФРГ была сформулирована задача: в ближайшие годы уменьшить, обусловленные автотранспортом, выбросы канцерогенов на 90 % [9].
Следует также отметить, что количество серы в топливе оказывает существенное влияние на уровни выбросов АЧ и канцерогенно-мутагенных веществ с ОГ автомобилей. Уровень содержания серы в отечественных ДТ на порядок превышают требования европейских норм (не более 0,02 % мас.). Поэтому особое внимание необходимо обратить на то, что рост дизелизации транспорта может усугубить решение экологических проблем больших городов (более высокие уровни выбросов с ОГ дизелей АЧ, КУ и оксидов серы, а также практическая невозможность применения традиционных каталитических нейтрализаторов ОГ). Необычайно сильное влияние на рост уровней выбросов АЧ и КУ с ОГ автомобилей (на порядок и более) оказывает также плохое техническое состояние ДВС, неисправность топливной аппаратуры, систем воспламенения горючей смеси и т.д. [1, 10]. Рядом исследований также установлено, что по мере увеличения пробега автомобиля его интегральные экологохимические показатели также существенно ухудшаются [11, 12].
В настоящее время только автотранспорт Украины выбрасывает в ОС более 10 млн. т самых различных вредных веществ (ВВ), из которых нормируются только некоторые
(СО, СН, N0^), а для автомобилей, оборудованных дизелями, еще и ТЧ (см. табл. 2). Таблица 2 Европейские нормы на уровни выбросов ВВ с ОГ легковых автомобилей
Нормы, год введения Тип ДВС Выбросы, г/км
[meo] [^ch] [^NOx] [Штч]
Евро-II, 1996 Бензиновые 2,7 0,34 0,25
Дизели 1,06 0,08 0,63 0,08
Евро-III, 2000 Бензиновые 2,3 0,20 0,15
Дизели 0,64 0,06 0,50 0,05
Евро-IV, 2005 Бензиновые 1,0 0,10 0,08
Дизели 0,50 0,05 0,25 0,025
По существу нормирование указанных ВВ является надводной частью «айсберга» эко-лого-химической опасности автомобилей, так как наиболее вредные для человека составляющие ОГ автомобилей, в том числе канцерогенные вещества и их производные, пока «бесконтрольны», а S02 нормируется косвенно: через допустимые уровни содержания серы в топливах. Такое раздельное и неполное нормирование ВВ, выбрасываемых с ОГ автомобильных ДВС, может в недостаточной степени (а часто и ошибочно) оценивать их интегральные эколого-химические показатели и приспособленность к ОС, а также - эффективность конструктивных и технологических усовершенствований ДВС, предлагаемых альтернативных видов топлив и т.д. Поэтому, с целью обоснования научных принципов экологизации транспортных ДВС и автомобилей (с учетом гигиенических и экономических факторов), необходим комплексный анализ эксплуатационных показателей автомобилей с учетом уровней выбросов N0^ АЧ и суммарной канцерогенно-сти ОГ, который позволит интегрально оценивать их экоэнергетический уровень, в том числе при использовании как нефтяных, так и альтернативных топлив.
Ниже, в табл. 3 [13] и на рис. 4 и 5 [14], приведены усредненные данные по уровням выбросов АЧ, БП и N0X с ОГ легковых автомобилей с различными ДВС при их испытании по Европейскому городскому ездовому циклу в зависимости от уровня содержания АУ в моторных топливах.
Таблица 3 Экспериментальные данные
Легковые дизельные автомобили Параметры топлив: АУ,%/ ЦЧ
21,2 52,6 32,4 45,6 56,6 25,9
ВВ: АЧ, г/км / БП, мкг/км
1. Oldsmobile Delta 88 diesel 0,23 0,30 0,24 0,34 1,53 16,8
2. Peugeot 505 D 0,18 0,20 0,94
0,29 0,32 24,2
АЧ,
г/км
4
3
У /•
2 / / у Л
N \ / / * >1
У У . \ X «X* \
у.
БП,
мкг
км
15
10
30
40
50 АУ, %
Рис. 4. Зависимость роста уровней выбросов АЧ (—) и БП (—) от увеличения содержания АУ в дизельном топливе (см. табл. 3)
мкг/км
6
4
2
0
N0 А Г" / С
> / //БП
/ / / / / У *
4 У / /
У (
г/км
1,5
1,0
0,5
0
10
20
30
40
0
АУ, %
Рис. 5. Влияние содержания АУ в моторных топливах на уровни выбросов NOX и БП с ОГ легковых автомобилей типа ГАЗ:
• - метан, ^ - бензин А-76, ▲ - бензин АИ-93
Представленные данные указывают: бензины и дизельные топлива, изготавливаемые из нефти по современным технологиям, характеризуются повышенным содержанием АУ, что приводит при их использовании к росту уровней выбросов АЧ, БП и NOX с ОГ автомобилей, т.е. - к повышению канцерогенно-мутагенной агрессивности ОГ автомобилей и их интегральной эколого-хими-ческой опасности.
В табл. 4 приведены экспериментальные данные по результатам экоиследований ряда легковых автомобилей с ДВС типа ЗМЗ по Европейскому городскому ездовому циклу при использовании различных топлив.
Из представленных результатов следует, что использование энергоносителей с повышен-
ным содержанием водорода (природный газ, бензоводородные смеси и др.) приводит к снижению уровней выбросов АЧ, БП, NOX и СО2 с ОГ автомобилей. При экоиспытании легкового автомобиля с дизелем ГАЗ-560:
т
2,0
тБП » 32 Ч10- 6;
т.
ТЧ
0,8
т,
зо2 ~ 0,6 г/км, причем доля (КУ + ТЧ) в эколого-химической опасности автомобиля с дизелем составляла ~ 60 %, а 802 ~ 7,8 %.
Таблица 4 Экспериментальные данные
№ п/п Моторные топлива Н/С, % 3 о о тсн т^х тБП 106
г/км
1 Бензин АИ-93 16,3 6,7 2,3 2,4 8,9
2 Бензин А-76 16,8 4,9 2,4 2,2 6,3
3 Пропан-бутан 19,0 1,7 2,1 1,0 1,2
4 Бензин А-76 + 30 % метанола 21,9 5,0 1,8 0,9 0,8
5 Природный газ 33,3 1,3 1,0 1,0 0,6
6 Бензин АИ-93 + 10 % водорода 26,0 1,2 0,4 0,5 0,8
7 Метанол 35,0 0,8 1,1 0,8 0,6
8 Водород 100 - - 0,2 -
Примечание. Доля N02/N0x » 0,1.
На основе полученных результатов (см. табл. 4), предлагается удельный интегральный показатель эколого-химической опасности (ЭХО)}- легкового автомобиля, а также -критерий соответствия его интегральных эколого-химических показателей международным нормам К] = (ЭХ°)/[ЭХ°]с учетом: санитарно-гигиенических нормативов [ПДК г- ]сс для токсичных и канцерогенных ингредиентов, а также суммарной канцеро-генности ОГ. Следует отметить, что для оценки эффекта усиления совмещенного токсичного и канцерогенно-мутагенного действия ряда ВВ на человека в условиях городской среды, вводятся экспертные коэффициенты: ^ох = 3 ; £бп = 4 ; £Ку = =
4 Ч1,3 = 5,2. При этом интегральный показатель (ЭХО)б для автомобиля с бензиновым ДВС (без учета СО и СН - см. табл. 5) представляется следующим образом:
ж 0,9т1ч
0,1тЛ
Зх-ч + 5,2- тБП
(ЭХ0)Б = 3 з
Б и [N0]^ [N02]CC ш ' [БП]СС
Допускаемый по Европейским нормам показатель [ЭХО]Б может быть оценен как
2
5
1
0
0
[ЭХ0]б = 3з
ж 0,9[т№0х] 0,1[т№0х] ц
[N0]c
[N02]
ч +
2-1сс ш
+ 5,2
[тБП]
[БП]сс
где: т7, [т7 ]- соответственно, экспериментально полученные и допустимые уровни выбросов ВВ с ОГ автомобиля, г/км; [N0]cc = 0,06 ; [Ш2^ = 0,04 ; [БП]сс =
= 10- 6 мг/м3.
Допустимые уровни выбросов БП [тБП]Б определялись по следующей зависимости:
Таблица 6 Граничные и относительные экологохимические показатели исследуемых легковых автомобилей
Моторные топлива (см.табл.4) Евро-ГГ Евро-ГГГ Евро-ГУ
[ЭХО] Ч10- 3, нм3/км / [тБП ] Ч106, г/км
27 / 2,5 17 / 1,5 9 / 0,8
Кб = (ЭХО)б /[ЭХО]б
1 6,5 10,4 19,6
2 5,6 8,9 16,8
3 2,3 3,6 6,9
4 2,0 3,1 5,9
5 0,6 1,0 1,9
6 0,6 0,9 1,7
7 0,6 0,9 1,7
8 0,1 0,2 0,3
3Ж °,9[тМ0х] + 0,1[mNOx] Ц » 5 2Кп]б И [^0]сс [хощсс 1" ’ [ ] '
Обобщенные эколого-химические показатели и долевое участие 7-х ВВ в эколого-химиче-ской опасности исследуемых легковых автомобилей при использовании различных топлив (см. табл. 4) представлены в табл. 5, из которой следует, что доля (С0+СН) в рассматриваемом показателе не превышает для используемых бензинов 2 %, а для остальных топлив - 6 %.
Таблица 5 Эколого-химические показатели исследуемых автомобилей
Моторные топлива (см.табл.4) (ЭХО)бЧ10- 3, нм3/км (ЭХО 7)/( эхо а , %
С0+СН Шх БП
1 176 2 72 26
2 151 2 76 22
3 62 5 85 10
4 53 4 88 8
5 17 6 76 18
6 15 4 68 28
7 15 6 67 27
8 3 - 100 -
Расчетные данные по усредненным граничным значениям [ЭХО]Б и [тБП ]Б , а также по критериям эколого-химической опасности КБ исследуемых легковых автомобилей приведены в табл. 6.
На основании результатов проведенных экоисследований легковых автомобилей, не оборудованных системами нейтрализации ОГ, можно сделать следующие выводы и рекомендации.
1. При использовании в ДВС легковых автомобилей различных углеводородных топлив наиболее вредными ингредиентами, выбрасываемыми с ОГ двигателей, являются N0X и КУ, которые в условиях городской езды синтезируют предельно опасные для человека нитроканцерогенные вещества, обладающие мутагенными свойствами. При этом мелкодисперсные ТЧ (максимальное количество которых содержится в ОГ дизелей) существенно усиливают их агрессивность. Повышенное содержание АУ, характерное для современных нефтяных топлив, резко усиливает эту закономерность.
2. Выполнение международных норм «Евро-11» и «Евро-Ш» указанными легковыми автомобилями возможно при использовании: природного газа, спиртовых моторных топлив, а также водорода в качестве как основного, так и дополнительного энергоносителя. Нормы «Евро-ГУ» фактически будут выполняться только при использовании водорода в качестве основного энергоносителя.
3. Для снижения эколого-химической опасности легковых автомобилей с ДВС необходимо максимальное повышение эксплуатационной топливной экономичности двигателей, что будет способствовать минимизации уровней выбросов особо опасных углеродсодержащих веществ (КУ, АЧ), возможно даже при некотором росте уровней выбросов N0^ Для снижения выбросов N0X рациональным является использование, например, современных восстановительных нейтрализаторов накопительного типа [1]. Целесообразным является также:
- использование обедненных топливно-воздушных смесей с повышенным водородным показателем и пониженным содержа-нием АУ, а также серы;
- существенное повышение качества распы-ливания топлив и смесеобразования, в том числе путем осуществления электронно-управляемой многофазной подачи топлива непосредственно в цилиндры двигателей, применения современных адаптивных систем регулирования качества рабочих процессов и их эколого-химических показателей [1, 15];
- поддержание параметрической (экологоэнергетической) надежности работы ДВС в условиях эксплуатации автомобилей.
4. При необходимости выполнения жестких международных экологических норм дополнительно можно использовать современные плазменные нейтрализаторы ОГ [16] или комплексные системы улавливания АЧ, выбрасываемых с ОГ автомобилей, оборудованных дизелями.
Заключение
Снижение потребления традиционных моторных топлив нефтяного происхождения, а также уменьшение уровней выбросов предельно опасных для человека ВВ, а также СО2 с ОГ автомобилей - задачи, которые в настоящее время являются определяющими. Для уменьшения потребления нефтяных топлив имеются два пути: существенное повышение эксплуатационной топливной экономичности автомобилей и их замещение альтернативными энергоносителями (природным газом, электроэнергий, синтетическим топливами и т.д.). С повышением цены на нефть видимо будет возрастать относительный коэффициент эффективности использования альтернативных топлив не нефтяного происхождения.
Предложена методика интегральной оценки эколого-химической опасности автомобилей с учетом суммарной канцерогенности ОГ. Показано влияние элементного и группового состава топлив на эколого-химические показатели легковых автомобилей и их соответствие Европейским нормам, а также обоснованы рациональные пути экологизации автомобильных ДВС.
Качество, количество и стоимость топлив сейчас во многом определяют структуру автомобильного парка и уровень энерго-эколо-гических требований к самим автомобилям различных категорий. Вместе с тем в Украине нет пока сбалансированной, детально проработанной программы именно по автомобильным топливам исходя из сырьевых возможностей страны, экономических возможностей использования современных технологий для производства высококачественных нефтяных, а также синтетических топлив, с одновременным учетом современных международных требований к экологохимическим показателям автомобилей.
Харьковскому областному управлению по энергетике, транспорту и ресурсосбережению необходимо (с привлечением ученых и специалистов) провести аудит по энергетическим ресурсам области и подготовить долгосрочный план поэтапного снижения потребления нефтяных топлив автотранспортом, а также природного газа в стационарной энергетике, промышленности и быту. Целесообразно в 2007 г. согласовать с рядом городских автотранспортных предприятий (в том числе с частными предприятиями маршрутных такси и т.д.) о приобретении ими нескольких современных образцов газомобилей и мобильной автогазонаполнительной компрессорной станции, а также электромобилей (предоставляя этим предприятиям ряд значимых льгот) с намерением в дальнейшем организовать в г. Харькове производство по модернизации (на современной основе) эксплуатируемых автотранспортных средств на использование природного газа, электроэнергии и синтетических топлив.
Литература
1. Канило П.М., Бей И.С., Ровенский А.И.
Автомобиль и окружающая среда. -Харьков: Прапор. - 2000. - 304 с.
2. Быков Г.А., Пятничко А.И. Эффективность
применения бензиновых смесей в качестве моторного топлива // Хим. технология. - 1991. - № 3. - С. 106 - 109.
3. Канило П.М., Шадрина М.В. Анализ эф-
фективности и перспектив применения водорода в автомобильном транспорте // Пробл. машиностроения. - 2006. - № 2.
- С. 154 - 159.
4. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Куле-
шов Г.Г. Введение в водородную энер-
гетику. - М.: Энергоатомиздат. - 1984. -264 с.
5. Степанов С.Г. Тенденции развития и но-
вые инженерные решения в газификации угля // Уголь. - 2002. - № 11. -С.87 - 92.
6. Канило П.М., Соловей В.В., Костюк В.Е,
Костенко К.В. Водородно-кислородноплазменные технологии сжигания низкореакционных энергоносителей // Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. - № 1. - С. 57 - 64.
7. Мэлор Стуруа, Чайка Ф., Лесков С. Жизнь
после нефти: альтернативные источники энергии. - www.inauka.ru. - Известия науки. - 22.03.2007. С. 1 - 4.
8. Твертнев М. Чтобы дизель не дымил // Ав-
томобильный транспорт - 1997. - № 12.
- С. 26 - 27.
9. Петров Р.Л. Германия: Экологический
рейтинг автомобилей // Автомоб. пром.-сть. - 2001. - № 7. - С. 35 -39.
10. Кутенев В.Ф., Свиридов Ю.В. Экологиче-
ские проблемы автомобильного двигателя и путь оптимального решения их // Двигателестроение. - 1990. - № 12. -С.55 - 62.
11. Коротков М.В., Бондаренко Е.В. Пробег и
экологическая безопасность автомобиля
// Автомоб. пром.-сть. - 2003. - № 5. -С. 8-10.
12. Канило П.М., Шадрина М.В. Эколого-хи-
мическая опасность легковых автомобилей с различными ДВС // Автомоб. транспорт. - Харьков: ХНАДУ. - 2005. -Вып. 17. - С. 35 - 39.
13. Звонов В.А., Козлов А.В., Симонова Е.А.
Оценка и контроль выбросов дисперсных частиц с отработавшими газами дизелей. - М.: Изд-во «Прима-Пресс-М». - 2005. - 132 с.
14. Канило П.М., Шадрина М.В. Эколого-хи-
мические показатели автомобильных ДВС с учетом канцерогенности отработавших газов // Двигатели внутреннего сгорания. - 2006. - № 2. - С. 154 - 159.
15. Лямда-зонд «широкого профиля» // За ру-
лем. - 2002. - № 3. - С. 93.
16. Плазмотрон-нейтрализатор // За рулем. -
2001. - № 3. - С. 56 - 57.
Рецензент: Н.Я. Говорущенко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 14 мая 2007 г.
