CC BY
164
УДК 621.43.068.4
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АВТОМОБИЛЕЙ С ПОРШНЕВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
П.М. Канило, профессор, д.т.н., М.В. Сарапина, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрены основные аспекты современной топливно-экологической проблемы автомобильного транспорта. Приведены результаты экоисследований легковых автомобилей с различными модификациями двигателей внутреннего сгорания по Европейскому городскому ездовому циклу. Дан комплексный анализ экологохимических 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: вредные вещества (ВВ), аэрозольные частицы (АЧ), канцерогенные углеводороды (КУ), бенз(а)пирен (БП - С20Н12), эколого-химические показатели.
Введение
Автомобильный транспорт является основным потребителем нефтяных топлив и определяющим в эколого-химическом загрязнении окружающей среды (ОС), особенно атмосферы больших городов. Поэтому экономия топлив нефтяного происхождения и природного газа, а также снижение уровней выброса ВВ с отработавшими газами (ОГ) автомобилей - задачи, которые в настоящее время являются наиболее актуальными. Анализ уровней загрязненности атмосферы городов с интенсивным автомобильным движением показал, что наиболее опасными (по степени вредности для человека) являются: N0^ КУ и особенно их производные - нитроканцерогенные вещества, обладающие мутагенными свойствами. При этом основными носителями канцерогенов и нитроканцерогенов, причем существенно усиливающих их агрессивность (промотирующее воздействие), являются мелкодисперсные АЧ, выбрасываемые с ОГ автомобильных ДВС [1,2]. Под АЧ в области экологии транспорта принято понимать все вещества в твердой (ТЧ) и жидкой фазе (за исключением воды), выбрасываемые в ОС с ОГ двигателей. При работе, например, дизеля на режимах с нагрузкой большую часть (до 90 %) массы ТЧ составляет именно сажа.
Высокая потенциальная опасность дисперсных АЧ обусловлена двумя основными причинами. Первая - это сложный химический состав, включающий многие полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), и нитро-ПАУ, в том числе обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами, и образующиеся в основном в результате термосинтеза в камере сгорания. Уче-
ными выделена приоритетная группа ПАУ с указанием индекса канцерогенной агрессивности (ИКА): 1 - флуорантен (0,001), 2 - пирен (0,001),
3 - бенз(а)антрацен (0,01), 4 - хризен (0,01), 5 -бенз(в)флуорантен (0,1), 6 - бенз(е)пирен (0,001), 7 - бенз(а)пирен (1,0), 8 - перилен (0,001), 9 - ин-денопирен (0,001), 10 - дибенз(а,И)антрацен
(0,001), 11 - бенз^,ИД)перилен (0,01), 12 - коро-нен (0,001). Из представленных данных следует, что наибольшим ИКА обладает БП и для него установлена среднесуточная предельно допустимая концентрация в атмосфере [ЛДКБП]сс = = 1 -10-6 мг/м3. Среднесуточные предельно допустимые концентрации для СО, СН, N0, МО2, ТЧ, 802 соответствуют: 3,0; 1,5; 0,06; 0,04; 0,05 и 0,05 мг/м3.
Вторая причина - незначительные размеры частиц, позволяющие им проникать в органы дыхания человека. Достаточно заметить, что размеры частиц, поступающих в атмосферу с ОГ дизелей, не превышают 10 мкм, в том числе 98 % массы пробы составляют частицы с условным диаметром меньше 10 мкм, 94 % - менее 2,5 мкм, 92 % -менее 1 мкм. В частности, АЧ диаметром менее
0,1 мкм наиболее опасны для здоровья человека, в том числе являются причиной воспалительных процессов в дыхательном тракте, аллергических реакций, а также канцерогенных изменений в тканях и мутагенных воздействий на иммунную систему человека. Исследованиями установлено, что при воздействии больших доз АЧ, выбрасываемых с ОГ дизелей, на 40 % повышается риск возникновения рака легких у людей. Поэтому особый интерес вызывает счетная концентрация сверхмелких частиц диаметром менее 1 мкм. В настоящее время подготавливаются стандарты,
нормирующие дисперсный состав АЧ и их счетную концентрацию в ОГ дизелей [2].
В США была исследована мутагенная активность ТЧ, выбрасываемых с ОГ дизелей. Она оказалась (в расчете на километр пробега) в 6 раз выше, чем с бензиновыми двигателями [3]. 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 % [4].
Подтверждается также гипотеза о том, что более высокие уровни выбросов АЧ и канцерогенных веществ (КВ), в том числе БП, с ОГ автомобилей в значительной степени определяются повышенным содержанием тяжелых ароматических фракций (АФ) в используемых нефтяных топливах. В течение последних 30 лет происходило постепенное повышение содержания АФ в автомобильных топливах в связи с расширением использования каталитического крекинга нефти, вызывающего увеличение концентрации ароматики в дистил-лятных фракциях. Ароматические фракции обладают самым низким цетановым числом (ЦЧ) и поэтому являются менее желательными компонентами в дизельных топливах. При этом высоко-ароматизированные бензины, кроме способствованию росту уровней образования КУ в процессе сгорания, характеризуются также повышенной склонностью к детонации на высоких скоростных режимах работы ДВС, когда они особенно опасны, в том числе и из-за трудностей выявления детонации на слух.
Следует также отметить, что количество серы в топливе оказывает существенное влияние на уровни выбросов АЧ и канцерогенно-мутагенных веществ. В целом установлено 25 %-ное снижение указанных ингредиентов при уменьшении содержания серы в дизельных топливах с 0,33 до
0,08 %. Это объясняется снижением эффективности образования капель синтезируемых ПАУ вокруг ядер конденсации, состоящих из серной кислоты и образующихся из серы топлива. В последние годы, в связи со значительным снижением уровней содержания серы в моторных топливах и существенным повышением эксплуатационной топливной экономичности легковых автомобилей с дизелями, выпускаемых ведущими автомобильными фирмами, уровни выбросов АЧ и КВ с ОГ автомобилей снижены ~ в 5 раз. Не-
обычайно сильное влияние на рост уровней выбросов АЧ и КУ (БП) с ОГ автомобилей (на порядок и более) оказывает плохое техническое состояние ДВС, неисправность топливной аппаратуры, систем воспламенения горючей смеси и т.д.
[1, 5].
Особое внимание необходимо обратить на то, что рост дизелизации транспорта может усугубить решение экологической проблемы в Украине (высокие уровни выбросов с ОГ дизелей канцерогенных АЧ и оксидов серы, практическая невозможность применения традиционных каталитических нейтрализаторов ОГ и т.д.). Горение топлива в дизеле осуществляется в диффузионной струе при попадании в нее жидких капель, что однозначно приводит к обильному выделению сажи (углерода) и канцерогенных углеводородов из-за термического распада молекул топлива “без доступа воздуха”. В дизелях концентрация БП в ОГ минимум в 5 раз выше, чем в бензиновых двигателях, причем, как утверждают авторы работы [6], наблюдается положительная корреляция между массовыми уровнями выбросов БП и сажи с ОГ дизельных двигателей.
В настоящее время только автотранспорт Украины выбрасывает в ОС более 10 млн. т самых различных ВВ, из которых нормируются только некоторые (СО, СН, М0Х), а для автомобилей, оборудованными дизелями, еще и ТЧ (см. табл. 1).
Таблица 1 Международные нормы на уровни выбросов ВВ с ОГ легковых автомобилей
Нормы, год введения Тип ДВС Выбросы, г/км
[^оо] [той] [т№0х] [тТЧ]
Евро-11, 1996 Бензиновые 2,7 0,34 0,25
Дизели 1,06 0,08 0,63 0,08
Евро-Ш, 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» экологохимической опасности автомобилей, так как наиболее вредные для человека составляющие ОГ автомобилей, в том числе канцерогенные вещества и их производные, пока «бесконтрольны», а 802 нормируются 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 эко лого-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 эколого-химических показателей легковых автомобилей с учетом уровней выбросов МОх, АЧ и суммарной канцерогенности ОГ, который позволит интегрально оценивать их эко-энергетический уровень.
Экспериментальные исследования
Стендовые экоисследования автомобильного дизеля КамАЗ-740 показали, что удельные выбросы оксидов азота с ОГ очень велики, а выбросы твердых частиц в 8 раз превышают федеральные нормы США. Функциональный индекс агрессивности МОх при этом составляет 57 - 54, а для твердых частиц - 41 - 44 %, т.е. степень загрязнения атмосферы отработавшими газами дизеля на 98 % определяется выбросами МОх и ТЧ. Следует отметить, что при этих испытаниях не определялись уровни выбросов с ОГ дизеля оксидов серы и канцерогенных углеводородов [7].
Кроме того, МОх и канцерогенные ингредиенты (АЧ + КУ) являются не только самыми экологически опасными для человека, но и наиболее сложными с точки зрения уменьшения уровней их выброса с ОГ дизелей. Дело в том, что при традиционном сжигании топлив в цилиндрах дизелей с уменьшением уровней выбросов МОх растут (в основном) уровни выбросов углеродсодержащих ВВ, в том числе (АЧ + КУ). Кроме того, любое воздействие на рабочий процесс дизеля с целью снижения уровней выбросов МОх, как правило, ведет к ухудшению его топливной экономичности. Поэтому снижение уровней выбросов МОх, АЧ и КУ с ОГ современных форсированных дизелей (при условии сохранения или даже снижения удельного эксплуатационного расхода топлива) стало одной из важнейших проблем в мировом автомобилестроении.
На рис.1 и в табл. 2 [8] представлены экспериментальные данные по влиянию параметров рабочих процессов дизелей на их топливную экономичность и эколого-химические показатели. Из приведенных данных следует, что одним из наиболее эффективных методов улучшения топлив-но-эколого-химических показателей дизелей является интенсификация процессов топливоподачи (в том числе путем существенного повышения давления и выбора рационального угла опережения впрыскивания топлива, определяющих динамику испарения и смешения паров топлива с воздухом), а также улучшение газодинамики возду-хоснабжения и процессов смесеобразования в цилиндрах дизеля, в том числе послойного, совместно обеспечивающих: ликвидацию зон с локально низкими значениями коэффициента избытка воздуха (а), работу дизеля при оптимальных зна-
чениях а в зоне горения, сокращение времени и повышение полноты выгорания топлива. При этом рециркуляция ОГ в цилиндры дизеля целесообразна на режимах с частичной нагрузкой для которых характерны высокие значения а^.
-10 -5 0ОПТ, % +5 +10
I-----------1-----------1
40 20 0
Рец. ОГ, %
б)
Рис. 1. Зависимость изменения удельного расхода топлива Age, концентраций оксидов азота (ACNOx) и твердых частиц (АСТЧ) в ОГ от: а - суммарного коэффициента избытка воздуха (as , —) и максимального давления впрыскивания топлива (рф , —); б - угла опережения впрыскивания топлива (0, —) и степени рециркуляции ОГ в цилиндры дизелей (Рец. ОГ , —)
Таблица 2 Экспериментальные данные по дизелям
Методы снижения токсичности ОГ дизеля Диапазон изменения параметра Изменение показателя, %
Age ACNOx АСтч
Оптимизация а 2 - 3 + 10 - 30 - 25
Повышение рфтах? МПа 30 - 90 - 10 - 10 - 85
Управление 9, град. п. к. в. А 50 '“’опт + 5 - 25 + 40
Степень рециркуляции ОГ, % 0 - 25 + 20 - 50 > 100
В табл. 3 и на рис. 2 приведены усредненные данные по уровням выбросов АЧ и БП с ОГ ряда се-
рийных легковых автомобилей с дизелями при их испытании по Европейскому городскому ездовому циклу в зависимости от уровня содержания ароматических углеводородов (АУ) и ЦЧ дизельных топлив [2].
Таблица 3 Экспериментальные данные
Легковые
дизельные
автомобили
1. Mercedes 240D
2. Oldsmobile Delta 88 diesel
3. Peugeot 505 D
Параметры топлив: АУ,%/ ЦЧ
21,2/^ ^^52,6 32,4^ ^45,6 56,6^^" ^^25,9
ВВ: АЧ, г/км / БП, мкг/км
0,22/^ 1,2 0,23^" 1,9 0,32^-^" 2,7
0,23/^ /^0,30 0,24^" ^^0,34 1,53^" ^16,8
0,18^^ ^0,29 0,20/^ ^^0,32 0,94^ /^24,2
30
40
50 АУ, %
Рис. 2. Зависимость роста уровней выбросов АЧ (—) и БП (—) от увеличения содержания АУ в дизельном топливе с 32, 4 до 56,6 % и снижения ЦЧ с 45,6 до 25,9
Представленные данные указывают на то, что при увеличении АУ и соответствующем снижении ЦЧ дизельных топлив действительно происходит одновременный рост уровней выбросов АЧ и КУ (БП) с ОГ рассматриваемых легковых автомобилей. Однако в диапазоне изменений АУ (21-32 %) и ЦЧ (53-46) указанный рост незначительный (на уровне погрешностей измерений). При увеличении же содержания АУ от 32 (примерно соответствующего регламентируемому международными нормами уровню АУ в дизельных топливах) до 57 % и снижении ЦЧ с 46 до 26 наблюдается: существенный рост уровней выбросов АЧ и БП с ОГ автомобилей Oldsmobile Delta 88 diesel и Peugeot 505D, причем усредненное отношение БП/АЧ в ОГ для указанных легковых автомобилей составляет тБП/тАЧ =16-10-6. Следует отметить, что легковой автомобиль с дизелем, соответствующий требованиям Евро-II, выбрасывает с ОГ: ТЧ - 0,08 г/км; БП - 1,76 мкг/км; т.е. тБП/тТЧ = 22-10-6. Поэтому, в первом приближении можно считать, что для легковых автомобилей рассматриваемого класса с дизелями указан-
ное соотношение примерно соответствует тБП / тТЧ и 20-10-6. Важно также отметить незначительный рост уровней выбросов ТЧ и БП с ОГ автомобиля Mercedes 240Б при указанном увеличении АУ и ЦЧ в дизельном топливе. Эти данные могут говорить о потенциальных возможностях положительного влияния качества организации рабочего процесса в дизеле (даже при таких изменениях состава топлива) на суммарную канце-рогенность (АЧ + КУ) ОГ легковых автомобилей.
Для интегральной оценки эколого-химических показателей легковых автомобилей типа ГАЗ были проведены сравнительные исследования и анализ результатов с четырьмя модификациями ДВС типа ЗМЗ с принудительным воспламенением горючей смеси и с дизелем типа ГАЗ-560 ("8ТБТЯ2" - Австрия) на стенде с беговыми барабанами по Европейскому городскому ездовому циклу. В процессе испытаний использовались: электронные газоанализаторы (СО, СН, N0, N0^ 802), фильтрационная система улавливания КУ и ТЧ из ОГ автомобилей, а также спектральнофлуоресцентный метод анализа уровней их содержания [1]. Удельные уровни выбросов токсичных и канцерогенных веществ с ОГ рассматриваемых автомобилей приведены в табл. 4.
Таблица 4 Экспериментальные данные
Тип meo тсн тКОХ твП-106
ДВС г/км
1 6,7 2,3 2,4 8,9
2 0,8 1,0 2,3 0,3
3 1,7 2,1 0,9 0,8
4 0,3 0,2 0,1 0,7
5 1,7 0,3 2,2 40
Примечание. Доля N02/N0x и 0,1.
В табл. 4 введены следующие обозначения:
1 - бензиновый ДВС типа ЗМЗ-402.10 (бензин АИ-93, И); 2 - ДВС типа ЗМЗ-4021.10 (ОСНОГ, И); 3 - ДВС типа ЗМЗ-4027.10 (пропан-бутан, И);
4 - ДВС типа ЗМЗ-4021.10 (И, БСНОГ); 5 - дизель типа ГАЗ-560; И - искровое зажигание горючей смеси; ОСНОГ, БСНОГ - соответственно окислительная и бифункциональная системы каталитической нейтрализации ОГ двигателей.
При проведении экоисследований легкового автомобиля типа ГАЗ с дизелем ГАЗ-560 по Европейскому городскому ездовому циклу определялись уровни выбросов с ОГ автомобиля: СО, СН, N0x, БП, всех ингредиентов указанной выше приоритетной группы ПАУ, а также ТЧ и 802. На основании полученных экспериментальных данных установлено, что БП является своеобразным индикатором, свидетельствующем о наличии ингредиентов приоритетной группы ПАУ в ОГ автомобиля, и при этом численно установлены следующие корреляционные зависимости:
- для массового выброса - тШАУ = 22,9 - (тБП)' или после линеаризации тШАУ = 34,6 - тБП ;
- для приведенной удельной суммарной канцеро-генности (канцерогенной агрессивности) ОГ -
2 КА(ОГ) = 2 т - ИКА,) = 1,15 - (тБП )1,05 или после линеаризации 2 КА(ОГ) = 1,3 тБП , г/км.
Таким образом суммарную канцерогенность ОГ исследуемого автомобиля можно представить через приведенный удельный выброс БП, а именно - тКУ = 1,3 - тБП , г/км.
В соответствии с приведенными данными важно отметить следующее:
- удельные массовые уровни выбросов БП с ОГ исследуемого дизеля в 5 раз выше, чем с ОГ указанного в табл. 4 бензинового двигателя (1), и на порядки - при использовании в ДВС пропанбутана в качестве топлива или систем нейтрализации ОГ;
- выбросы ТЧ и 802 с ОГ дизеля соответствовали: тТЧ и 1,8; т802 и 0,6, г/км;
- выбросы твердых (сажистых) частиц и оксидов серы с ОГ бензиновых ДВС практически отсутствовали.
Ниже, на основе полученных результатов, предлагаются удельные интегральные показатели эко-лого-химической опасности (ЭХО),- легковых автомобилей, оборудованных двигателями с принудительным воспламенением горючей смеси (Б) и дизелями (Д), а также - критерий соответствия интегральных эколого-химических показателей легковых автомобилей международным нормам К, = ЭХОДЭХО], с учетом: санитарно-гигиенических нормативов [ПДК,]сс для токсичных и канцерогенных ингредиентов, выбрасываемых с ОГ, суммарной канцерогенности (агрессивности) ОГ, а также - уровней выброса 802 с ОГ дизеля. Следует отметить, что установленные к настоящему времени [ПДК,]сс предполагают безопасный уровень содержания в атмосфере 1-го ВВ при его индивидуальном (однокомпонентном) воздействии на человека. Поэтому, для оценки эффекта усиления совмещенного действия ряда ВВ на человека в условиях городской среды (в том числе, с учетом явлений синергизма - образования нитроканцерогенов и мутагенов, промотиро-вания мелкодисперсными сажистыми частицами канцерогенной агрессивности ОГ, доокисления N0 в N0^ повышения кислотности ОС), вводятся безразмерные показатели (к,) усиления экологохимической опасности (экспертные коэффициенты) для ряда токсичных и канцерогенных ингредиентов, выбрасываемых с ОГ автомобилей:
кС0,СН =1; к№Эх = 3; кТЧ = 3; кБП = 4; кКУ =
=4-1,3 = 5,2; к8о2 = 2. При этом удельные интегральные показатели эколого-химической опас-
ности легковых автомобилей с различными ДВС могут быть представлены следующим образом:
, I 5 т,(Б) (ЭХО)Б = 103 к,-^-=1 [/]сс
(ЭХО)д = 10 \ 2 к, т,(Д)
=1 Ис
Эти показатели характеризуют удельную кратность разбавления ОГ чистым воздухом (удельный нормообмен) до предельно безопасных для человека концентрации ВВ.
Нормативно допускаемые удельные показатели [ЭХО],- для указанных автомобилей могут быть представлены как
К
[ЭХО] б = 103 ^ к^Б
['=' [,]С(
3 17 [т, ]
[ЭХО]д = 103 ^2 к/
1,=1 [,]с
где [,] = [ПДК,]сс, мг/м ; т,, [т,] - соответственно, удельные реальные и допускаемые уровни выбросов ВВ с ОГ при испытании автомобилей по Европейскому городскому ездовому циклу (см. табл. 4). При этом допустимые уровни выбросов БП с ОГ [тБП], могут быть определены из граничных условий для нормируемых N0X по следующей зависимости:
(
0,9[т
0,1[т
\
[ КО]с
[ N02
[т,
[ БП ]с
а предельные уровни [т802]Д - из соответствующих международных поэтапных требований к содержанию серы в топливе ([СУ]: 0,1; 0,05 и 0,02 %) и вычислены с использованием следующей зависимости: [т802]Д = 0,02 -С] £т, г/км, где gт - расход топлива на 1 км пробега автомобиля при его испытании по Европейскому городскому ездовому циклу, г/км. Расчетные данные по усредненным граничным значениям: [ЭХО],, [тБП], и [т802]Д приведены в табл. 5.
Таблица 5 Граничные показатели
Тип [ЭХО],-10- 3, м3/км / [тБП] -106, г/км
ДВС Евро-II Евро-III Евро^У
Б 27 / 2,5 17 / 1,5 9 / 0,8
Д 78 / 6 59 / 5 29 / 2,5
[т8о2]д, г/км 0,2 0,1 0,04
Представленные данные показывают, что к легковым автомобилям с дизельными двигателями в
настоящее время предъявляются менее жесткие требования к их эколого-химическим показателям.
Обобщенные эколого-химические показатели (ЭХО),, а также долевое участие /-х ВВ в экологохимической опасности исследуемых легковых автомобилей приведены в табл. 6, из которой следует, что (ЭХО)б = .ДШХ, КУ), а (ЭХО)д = .ДТЧ, КУ, Шх).
Таблица 6 Эколого-химические показатели
Тип ДВС (ЭХО);10~3, 3 ^ м /км (ЭХО,)/ (ЭХО),, %
С0+СН N О БП
1 176 2 72 26
2 124 0,7 97 2,3
3 53 3,0 88,4 8,6
4 9 2,3 55 42,7
5 456 0,2 26 68*
* Доля канцерогенности (ТЧ+КУ) в экологохимической опасности автомобиля с указанным дизелем; при этом доля опасности 802 ~ 5,8%.
На рис. 3 представлены данные по соответствию эколого-химических показателей исследуемых легковых автомобилей международным нормам Евро-11, введенным в Украине с 2006 года.
БП с ОГ двигателей ниже предположительно допустимых уровней. Поэтому, оборудование бензиновых двигателей ОСНОГ является одним из важных направлений в снижении загрязнения автотранспортом атмосферы городов канцерогенными и мутагенными составляющими.
4. Показатель К (соответствия международным
требованиям Евро-11) для легкового автомобиля с бензиновым ДВС, оборудованного БСНОГ, ниже условно регламентируемого уровня, т. е. указанный автомобиль (из всех рассмотренных автомобилей) обладает минимальной эколого-
химической опасностью.
5. При испытании легкового автомобиля с дизелем ГАЗ-560 (той же мощности, что и бензиновые ДВС) было установлено, что его относительный эколого-химический показатель (в сравнении с нормами Евро-11) практически сопоставим с указанным показателем автомобиля с традиционным бензиновым двигателем (без системы нейтрализации ОГ) и больше на порядок, чем автомобиля с бензиновым двигателем, оборудованного бифункциональной системой каталитической нейтрализации ОГ. При этом канцерогенность ОГ автомобиля с дизелем была значительно выше (на порядок и более), чем автомобилей, оборудованных двигателями с принудительным воспламенением горючей смеси (см. табл. 4, двигатели
2 - 4).
Рис. 3. Интегральные эколого-химические показатели исследуемых легковых автомобилей
Из приведенных данных следует:
1. Доля СО и СН в интегральном экологохимическом показателе для всех исследуемых автомобилей не превышает 3 %.
2. Снижение уровней выбросов N0 с ОГ двигателей наблюдается при использовании газообразных энергоносителей. Однако минимальные уровни выбросов N0 (ниже нормируемых по Евро-11) обеспечиваются при оборудовании двигателей бифункциональными системами нейтрализации ОГ (БСНОГ).
3. Существенное снижение уровней выбросов с ОГ указанных ДВС канцерогенных углеводородов обеспечивается при использовании газообразных энергоносителей, а также ОСНОГ и БСНОГ. Следует отметить, что при этом выбросы
Рядом исследований установлено, что по мере увеличения пробега легковых автомобилей их эколого-химические показатели существенно ухудшаются (см. рис. 4, [9]).
т,, г/км
12
0
СО *•**
>•' *•** < ►'•** К
ч 1 СН \ ^ **•
255^-1 -г- 1 ^— Шх
К
40
30
20
10
0 10 20 40 60 Ь, тыс.км
Рис. 4. Зависимость эколого-химических показателей легкового автомобиля ВАЗ-2105 от его пробега
Приведенные данные показывают, что при пробеге указанного автомобиля 80 тыс. км его критерий эколого-химической опасности (К) относительно международных требований (Евро-1У) вырос более чем на порядок.
Итак, проблема загрязнения окружающей (городской) среды канцерогенными веществами и окси-
8
4
дами азота в настоящее время является наиболее острой и наименее решенной.
Выводы
1. Наиболее опасными загрязняющими ингредиентами, выбрасываемыми с ОГ легковых автомобилей, являются М0Х и КУ, которые в условиях городской езды синтезируют еще более опасные нитроканцерогенные вещества, обладающие мутагенными свойствами.
2. При дизелизации автотранспорта проблема канцерогенно-мутагенного загрязнения ОС может усугубляться, так как в дизелях образуются более высокие уровни КУ, а сажистые частицы, на которых они сорбируются усиливают их канцерогенно-мутагенное воздействие на человека.
3. При увеличении пробега автомобилей или появлении технических неисправностей двигателей их эколого-химическая, в том числе канцерогенная, опасность резко возрастают.
4. Для снижения эколого-химической опасности автомобилей необходимо:
- использование высококачественных топлив: с пониженным содержанием АУ (не более 30 %) и предельно низким содержанием серы (не более
0,02 %), а также повышенным водородным показателем (Н/С), например, путем применения газообразных энергоносителей (для метана Н/С = 25 %) или использованием добавок водорода к углеводородно-воздушным горючим смесям [10]; усовершенствование рабочих процессов ДВС путем применения современных адаптивных микропроцессорных систем взаимосвязанного управления топливно-эколого-химическими показателями двигателей [1, 11], включающих систему для электронно-управляемой многофазной подачи топлива и организации высококачественного смесеобразования в цилиндрах ДВС и обеспечивающих, при поддержании рациональных уровней обеднения горючей смеси, высокую топливную экономичность ДВС при предельно низких уровнях выбросов углеродсодержащих ингредиентов, в том числе КУ, с ОГ автомобилей;
- отработка и внедрение принципиально нового рабочего процесса гибридного «Отто-Дизеля» (об этом заявлено автомобильными фирмами: «Тойота», «Фиат», «Форд», «Фольксваген») с повышенной (по сравнению с традиционными бензиновыми двигателями) степенью сжатия (е и 15) и комбинированным воспламенением обедненной горючей смеси [10];
- применение восстановительных нейтрализаторов, например накопительного типа [1, 6], обеспечивающих дальнейшее снижение уровней выбросов N0 с ОГ автомобилей, а также использование нетрадиционных бифункциональных плазмотрон-нейтрализаторов [12, 13], в том числе для автомобилей с дизельными двигателями;
- поддержание высокой параметрической, в том числе энерго-экологической, надежности автомобильных ДВС в условиях их эксплуатации.
Заключение
На основании проведенных исследований предложен интегральный показатель экологохимической опасности легковых автомобилей с различными ДВС и обоснованы пути их экологизации.
Литература
1. Канило П.М., Бей И.С., Ровенский А.И. Авто-
мобиль и окружающая среда. - Харьков: Прапор, 2000. -304 с.
2. 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.
3. Твертнев М. Чтобы дизель не дымил // Авто-
моб. трансп. - 1997. - № 12. - С. 2б-27.
4. Петров Р. Л. Германия: Экологический рейтинг
автомобилей // Автомоб. пром.-сть. - 2001. -№ 7. - С. 35 -39.
5. Кутенев В.Ф., Свиридов Ю.В. Экологические
проблемы автомобильного двигателя и путь оптимального решения их // Двигателе-строение. - 1990. - № 12. - С. 55 - б2.
6. Канило П.М., Шадрина М.В. Эколого-хими-
ческие показатели автомобильных ДВС с учетом канцерогенности отработавших газов // Двигатели внутреннего сгорания. -200б. - № 2. - С. 154 - 159.
7. Россинский В.М., Манаенков А.В. Экологиче-
ские свойства автомобильных топлив // Ав-томоб. пром.-сть. - 1995. - № 9. - С. 31 -34.
8. Марков В.А. Сравнительная эффективность
методов снижения токсичности отработавших газов дизелей // Автомоб. пром.-сть. -2002. - № 12. - С. 19 - 23.
9. Коротков М.В., Бондаренко Е.В. Пробег и эко-
логическая безопасность автомобиля // Ав-томоб. пром.-сть. - 2003. - № 5. - С. 8 - 10.
10. Канило П.М., Шадрина М.В. Анализ эффек-
тивности и перспектив применения водорода в автомобильном транспорте // Пробл. машиностроения. - 200б. - № 2. - С. 154 - 159.
11. Лямда-зонд «широкого профиля» // За рулем.
- 2002. - № 3. - С. 93.
12. Плазмотрон-нейтрализатор // За рулем. - 2001.
- № 3. - С. 5б - 57.
13. Канило П.М., Калениченко А.В., Федосеев П.С.
Анализ эколого-химических показателей легковых автомобилей с различными ДВС // Вестник ХНАДУ / Сб. научн. тр. - Харьков: Изд-во ХНАДУ. - 2004. - Вып. 25. - С. 25-29.
Рецензент: Н.Я. Говорущенко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 13 января 2007 г.
