CC BY
84Оценка экологической безопасности современных автотранспортных средств
В.И. Ерохов, профессор МГТУ «МАМИ», д.т.н., А.В. Николаенко, ректор МГТУ «МАМИ», профессор
Цель данной работы - разработка методологии оценки экологической безопасности наземных автотранспортных средств (АТС), проведение анализа тенденций развития автомобилестроения в мире, оценка динамики выброса вредных веществ (ВВ) и прогнозирование состояния окружающей среды.
Интенсивное развитие автомобильного транспорта в мире выдвигает на одно из первых мест ряд взаимосвязанных энергетических и экологических проблем. Существуют различные сценарии развития автомобилизации и негативные последствия ее воздействия на природную и социально-экономическую среду на планетарном уровне. В большинстве случаев приводимые оценки и результаты носят частный и целенаправленный характер. Эффективное решение проблемы экологической безопасности автотранспорта возможно на уровне системного подхода ее решения, в основе которого разработана структура значимых загрязнителей, критерии экологической опасности, проблемные и функциональные их связи.
Специалистами МГТУ «МАМИ» предложен системный подход развития автомобилизации и ее социально-экономической и экологической оценки. В последние годы был проведен комплекс работ, связанных с оценкой энергетической и экологической безопасности автомобильного транспорта, динамикой развития автомобилестроения на планетарном и национальной уровне, созданием совре-
Рис. 1. Динамика роста мирового автомобильного парка и выбросов вредных веществ: 1 - мировой парк, 1\1ав, млн. ед.; 2 - количество автомобилей на 1000 чел., 1\1ав/1000 жителей; 3 - расход топлива в мире, Qт, млн. т; 4 - выбросы ВВ в мире, Qвв, млн. т; 5 - ежегодный рост мирового парка автомобилей, N млн. ед.
менных альтернативных технологий топливообеспечения автомобильного транспорта (АТ).
Экологическая безопасность автотранспортных средств в значительной степени определяется составом и уровнем концентрации вредных веществ отработавших газов (ОГ) двигателей автомобилей. Основные параметры развития автомобилизации на планетарном уровне приведены на рис. 1. Динамика роста мирового автомобильного парка (кривая 1) имеет устойчивую тенденцию увеличения. Мировой парк автомобилей увеличился с 67 млн. ед. в 1950 г. (кривая 1) до 650 млн. ед. в 2000 г. и 785 млн. ед. в 2008 г и имеет тенденцию к дальнейшему увеличению в будущем. Изменения суммарного выброса ВВ (кривая 4) после 1991 г. имеют тенденцию к некоторому их снижению.
Формирование обобщенной структуры и численности парка на планетарном уровне представляет собой графическую модель (кривая 1). Общая закономерность формирования парка автомобилей учитывает поступление и списание подвижного состава, полученных с помощью коэффициентов списания и поставки в существующий и прогнозируемый период времени. Упрощенная модель численности парка учитывает списание и прирост подвижного состава автомобильного парка. Величина списания и поставки автомобилей в общем виде может быть определена зависимостью:
V, = ; (1
П п /А,п (2)
где V, и - соответственно коэффициенты списания и
поставки подвижного состава в текущем году, , Zt, и 2,п -соответственно величина списания и поставки подвижного состава, осуществляемых в течение календарного года, , А,п - численность инвентарного парка в момент «п» текущего года ,
Коэффициенты поставки и списания различных видов подвижного состава представлены зависимостями (1) и (2). Значительная часть новых автомобилей поступает на обновление парка и только небольшая их часть, около 20% (в зависимости от типа подвижного состава), используется на увеличение численности. Величина списания и поставок подвижного состава колеблется в пределах 8-14% от общей величины парка.
Ежегодный прирост мирового парка составляет 15 млн. ед., в том числе 14 млн. ед. с системами нейтрализации ОГ. В 2008 г. в мире выпускалось 48 млн. автомобилей в год (кривая 5), а общая численность автомобилей с системами нейтрализации ОГ достигает 800 млн. ед. Мировой парк автомобилей, работавших в 2008 г. на компримированном природном газе (КПГ), составляет 9,0 млн. ед.
Показатель социально-экономического развития общества на глобальном уровне продолжает расти. В 1950 г. мировой уровень насчитывал 22 автомобиля на
1 тыс. жителей (кривая 2), в 2008 г. он достиг численности 110 автомобилей на 1 тыс. жителей. Удельный вес АТ в общем загрязнении атмосферы крупных городов по отдельным компонентам составляет 70-80%. На долю АТ США, составляющего 45% мирового парка автомобилей, приходится 77% выбросов СО, 85% углеводородов
(С Н ) и 51% окислов азота (N0 ). В США с 1996 г. все ноу т п' у х'
вые автомобили оснащаются нейтрализаторами ОГ. Оснащенность автомобилей системами снижения ВВ в США достигла 99,5%.
Структура загрязнения воздушного бассейна РФ на национальном уровне составляет: промышленность - 41%, энергетика - 27%, транспорт - 25%, коммунально-бытовой сектор - 7%. Вредные выбросы производственных предприятий концентрируются по огромному радиусу территории, а автомобилей на ограниченном пространстве населенного пункта.
Количество ВВ, выбрасываемых в атмосферу крупных городов РФ, составляет 60%, промышленными предприятиями - 18%, системами городского отопления 6%, электростанциями 13% и другими источниками - 3%.
Экологические проблемы крупных городов осложняются высокими темпами роста автомобильного парка, достигающими 12% в год. Негативное воздействие развитой автомобилизации на глобальном уровне может быть представлено зависимостью:
dP М < dP М, (3)
вов вос ' у '
где Р , Р - масштабы воздействия автомобилизации
т воз вос т ^
и возможности восстановления природной среды; I - продолжительность воздействия.
Мировой автомобильный парк потребляет ежегодно около 1,1 млрд. т топлива (кривая 3), в том числе 14 млрд. м3 природного газа . Мировой парк автомобилей ежегодно выбрасывает в атмосферу СО - 180 млн. т, СтНп - 40 млн. т и N0x - 25 млн. т. Суммарный выброс ВВ составляет 245 млн. т (кривая 4).
Выбросы картерных газов (КГ) и различные испарения из системы питания двигателей ежегодно достигают 3 млн. т. В атмосфере неизбежно накапливается большое содержание СО2 и уменьшается количество кислорода.
Практически все грузовые автомобили снабжены дизелями, составляющими около 20% от численности парка. Применение дизелей предпочтительно на грузовых автомобилях средней и большой грузоподъемности. В Европе свыше 70% грузовых автомобилей. В Германии 98% грузовых автомобилей снабжены дизелями, а в Англии и Италии - 35 и 53% соответственно.
В Японии на грузовых автомобилях дизели используют в меньшей степени - 16%, а в США около 5%. Автомобили с полезной грузоподъемностью свыше 9 т в США оснащаются практически только дизелями. Оптимальная удельная мощность дизеля составляет 14,5-16,0 кВт/л. Лучшие образцы отечественных дизелей среднего литража имеют близкую к ней удельную мощность 14,5 кВт/л. За последние годы мировой парк быстроходных дизелей ежегодно увеличивается в среднем на 9-10%. Начиная с 1990 г. ежегодный их выпуск в мире превышает 4 млн. ед., основная часть которых приходится на дизели мощностью до 220 кВт.
/
J
/ у*
[Л
- 3 ----
Рис. 2. Динамика роста парка РФ: 1 - рост автомобильного парка РФ; 2 - легковые автомобили; 3 - грузовые автомобили
Динамика изменения численности автомобильного парка в нашей стране приведена на рис. 2. Автомобильный парк России в 2008 г. насчитывал 35,4 млн. ед., в том числе: 27,5 млн. ед. - легковых (79,3%); 7,9 млн. ед. (18,5%) - грузовых; около 0,7 млн. ед. (2,2%) - автобусов. В последнее десятилетие принципиальных изменений в структуре автопарка не произошло. Качественный состав парка РФ по видам используемого топлива остался прежним. Доля дизельных автобусов составляет 13%. Ежегодный прирост автомобильного парка в последние годы составлял 2,8 млн. ед./г.
Основная часть АТС приходится на легковые автомобили (90,4%), контроль экологических параметров которых имеет ряд особенностей. К концу 2012 г. следует ожидать качественное изменение структуры парка автомобилей, направленное на газификацию АТ. Доля газобаллонных автомобилей (ГБА) в структуре мирового парка автомобилей в настоящее время не превышает 2%. Современный парк ГБА России, работающих на КПГ, составляет всего 95,2 тыс. ед., а на СУГ достиг 450,4 тыс. ед.
В соответствии с концепцией ОАО «Газпром» для достижения заметного экологического эффекта численность парка автомобилей на КПГ должна составлять 350-400 тыс. ед., а потребление природного газа (ПГ) ежегодно должно составлять 3,0 млрд. м3.
Средний возраст автомобильного парка России превышает 10 лет. До 10% автомобилей имеют возраст более 20 лет и не соответствуют требованиям экологической сертификации. Массовое поступление на отечественный рынок легковых автомобилей, соответствующих требованиям «Евро-3», и грузовых автомобилей, соответствующих требованиям «Евро-2», наступило только после 2007 г.
В РФ к 2010 г. следует ожидать увеличения выбросов ВВ на 20%. Рост выбросов ВВ будет происходить за счет значительного увеличения численности парка легковых автомобилей, качественного и количественного изменения структуры парка грузовых автомобилей. По оптимистичным прогнозам количество легковых автомобилей в столице приближается к среднеевропейскому уровню (400 ед./тыс. чел.), а к 2020 г. транспортные потоки в столице могут вырасти вдвое. Существенное улучшение автотранспортной ситуации связано с увеличением сред-
Таблица 1
Выброс вредных веществ различными источниками на планетарном уровне
Вещество Выбросы ВВ, млрд. т Доля ВВ от общих выбросов, %
Естественные Антропогенные АТ Суммарные Естественные Антропогенные АТ
СО 5,0 0,50 0,18 5,68 88,0 8,8 3,2
С Н т п 2,6 0,30 0,04 2,94 88,4 10,2 1,4
0,77 0,053 0,025 0,848 90,8 6,2 3,0
0,035 0,065 0,001 0,101 34.6 64.3 0,1
С02 272,2 19.2 3,9 295,1 92,2 6,5 1,30
ТЧ (зола, пыль) 295,4 1,75 0,25 297,4 99,3 0,58 0,12
ней скорости движения общественного транспорта с 14 до 18 км/ч.
Ежегодно в мире в атмосферу поступает 295,1 млрд. т СО2, из них 162,0 млрд. т поглощаются растительностью в процессе фотосинтеза, значительная часть накапливается в атмосфере. Общая сумма накоплений за прошедшие 100 лет составила около 970 млрд. т. Метан поступает в атмосферу в результате различных утечек при его производстве в быту, а также при работе АТС. Содержание метана в атмосфере ежегодно возрастает на 1%. За прошедшие 100 лет его увеличение составило 150%. NOx увеличиваются в атмосфере ежегодно на 0,2%, а общее их накопление составляет 15%. Увеличение СН4 и NOx обусловлено масштабным уменьшением площадей лесов.
Масса свободного кислорода, вырабатываемого зелеными насаждениями в процессе фотохимических реакций, составляет 160 млрд. т ежегодно. Основная роль поддержания планетарного уровня кислорода принадлежит фитопланктону, обеспечивающему 70% атмосферного кислорода. В результате реакции фотосинтеза за счет усвоения СО2 образуется около 150 млрд. т органического вещества.
Большинство парниковых газов в атмосфере находятся в неизменном состоянии длительное время. NOx и СО2 существуют в течение нескольких десятилетий, и их воздействие носит такой же длительный характер. Ежегодные поступления ВВ в атмосферу на планетарном уровне приведены в табл. 1.
Масштабные естественные источники загрязнения носят распределенный характер. Автомобильный транспорт, являющийся антропогенным источником, связан с незначительным поступлением наиболее представительных вредных выбросов. Однако незначительное изменение равновесия в природе, связанное с динамикой развития АТ, сопровождается глобальными последствиями. Кроме того, вредные выбросы автомобильного транспорта носят сосредоточенный характер и воздействуют в населенной зоне, являющейся источником проживания людей.
Потребление кислорода и выброс
Природные процессы обеспечивают 88-92,4% парниковых газов. Остальная их часть имеет антропогенное происхождение. Если тенденция роста С02 в последующие десятилетия сохранится, то удвоение количества С02 в атмосфере может произойти в середине XXI в. Наиболее оптимистические прогнозы предсказывают такое удвоение лишь к 2100 г. При удвоении СО2 ожидаемое увеличение средней температуры нижней атмосферы составит 2-3°С в средних и низких широтах и на 5-6°С в полярных широтах. СО2 дает наибольший вклад в парниковый эффект.
Природный объем поступления СО2 в атмосферу планеты составил 295,1 млрд. т. Из этого количества только 6,5% выбросов СО2 связаны с антропогенной деятельностью человека. Доля выбросов СО2 автомобильным транспортом составляет 20% от величины антропогенного выброса. В 2008 г. эта величина составила 3,9 млрд. т. Выброс СО2 воздушным транспортом составляет 3% от общего выброса антропогенных источников.
Грузовые автомобили при работе на КПГ выбрасывают на 25-30% СО2 меньше по сравнению с бензиновыми автомобилями, а с дизельными - на 35-40%. Ежегодное поступление метана в атмосферу оценивается в 2,0 млрд. т. Основная масса СтНп антропогенного происхождения образуется при испарении жидких и газообразных топлив, сжигании углеводородных топлив как результат их неполного сгорания. Метан в 25 раз более активный парниковый газ по сравнению с СО2. Применение газового топлива в двигателях с искровым зажиганием обеспечивает снижение токсичности ОГ по СО в 2-4 раза, NOx - в 1,2-2 раза и СтНп - в 1,1-1,4 раза. Выброс СО2 при полном сгорании 1 кг различных топлив и потребление кислорода приведено в табл. 2.
Основной экологический эффект при сжигании газовых топлив получается в результате снижения оксидов свинца и бензапирена, коэффициент экологической опасности которого составляет 3106 против 1 по отношению к СО.
Таблица 2
СО2 при сгорании 1 кг топлива
Топливо Потребление О2, кг Выброс СО2, кг Топливо Потребление О2, кг Выброс СО2, кг
Водород 7,94 - Бензин 3,04 3,1
КПГ 3,13 2,8 Дизтопливо 3,34 3,16
СУГ 3,47 3,0 Мазут 3,17 3,5
Метанол 1,50 1,37 Каменный уголь 2,48 3,0
ДМЭ 1,92 1,84
Таблица 3
Выбросы вредных веществ в атмосферу транспортными средствами, тыс. т
Вид транспорта СО С Н П m C м, РЬ Всего
Автомобильный 8383,5 1250 1600 45 220 1,5 11500
Водный (внутренний) 15 12 40 5 15 - 87
Морской 14 10 34 3 35 - 96
Воздушный 70 18 55 - 14 - 157
Дорожно-строительные машины 149 24 59 2,5 7 0,03 327,53
Железнодорожный 190 60 610 5 24 - 909
Итого 8825,5 1374 2398 60,5 295 1,83 15654,83
Использование ПГ в качестве моторного топлива снижает на 30% удельные выбросы СО2.
Две трети метана, поступающего в атмосферу, имеют биологическое происхождение. Окись и двуокись азота являются катализатором разрушения озона. Специалистами США принято решение о необходимости сокращения выбросов ВВ к 2008-2012 гг. на 5,2% по отношению к базовому 1990 г. Транспортный комплекс нашей страны является одним из крупнейших загрязнителей атмосферного воздуха. Оценка выбросов ВВ транспортными средствами в целом по России в 2008 г. приведена в табл. 3.
Обычно концентрации N0х в атмосферном воздухе невелики и достигают величины 0,001 мг/м3. На участках магистралей с интенсивным автомобильным движением отмечают повышенное содержание концентраций окислов азота.
Средний суммарный удельный выброс ВВ грузового автотранспортного средства по основным контролируемым веществам (СО, СтНп, N0x и ТЧ) составляет: с бензиновым двигателем - 105 г/км, с дизелем - 29,6 г/км; бензиновый легковой автомобиль выбрасывает 21,5 г/км. Динамика изменение численности автомобильного паркам РФ приведена на рис. 2.
Атмосфера крупных городов и промышленных центров нашей страны неизбежно загрязняется токсичными веществами (газами и аэрозолями) от естественных (космических, геологических процессов, продуктов жизнедеятельности живых организмов) и антропогенных (связанных с человеческой деятельностью) источников.
Общее производство СУГ в стране составляет 6,7 млн. т. Автотранспорт РФ потребляет 5% пропан-бута-новых газов от всего потребления. К 2010 г. потребление составит 1,2-1,5 млн. т, что составит около 20% от его производства. Потребление ПГ в настоящее время составляет около 1,0 млрд. м3.
Численность автотранспортных средств в России, находящихся в личном пользовании, имеет устойчивую тенденцию роста. За период с 1991 по 1996 гг. число легковых автомобилей увеличилось на 51%, грузовых - на 25%, автобусов на 26%.
Автотранспорт сохраняет лидерство в загрязнении атмосферы городов. В середине 90-х гг. прошлого века на долю автотранспорта в России приходилось 80% выбросов свинца, 59% окиси углерода, 32% оксидов азота. Выбросы от передвижных источников составили около 11 млн. т, от стационарных - 0,8 млн. т (2008 г). Доля стационарных ис-
точников загрязнения атмосферы имеет тенденцию к стабильному сокращению.
Допустимое содержание СО в атмосфере США составляет 10 мг/м3, в ФРГ - 2,8 мг/м3, в РФ - 1 мг/м3. В США допустимое содержание углеводородов (за основу принят гексан) - 19,3 мг/м3, окислов азота - 0,514 мг/м3.
Динамика выброса вредных веществ автомобильным парком РФ приведена на рис. 3. Выброс контролируемых ВВ за период с 1950 по 2004 гг. сократился в 2,8 раза (кривая 1). Максимальный выброс ВВ отечественным парком достиг в 1994 г. 16 млн. т (кривая 3), а в 2008 г. он снизился до величины 11,5 млн. т.
Концентрации СО в крупных индустриальных центрах многих стран могут составить 250-500 мг/м3. Обычный максимальный уровень загрязнения атмосферного воздуха СО в крупных городах мира составляет 25-125 мг/м3, средние концентрации колеблются от едва обнаруживаемых до величин порядка 15-20 мг/м3.
Анализ медико-биологических параметров ОГ выявил значительное воздействие различных компонентов ОГ на окружающую среду и человека [2]. Большинство компонентов ОГ вредны для здоровья человека, животного и растительного мира. Наиболее вредными составляющими продуктов сгорания являются окислы азота, свинца и углерода, а также различные канцерогенные вещества. Вредные вещества ОГ обладают различной степенью токсичности. Различное содержание ВВ в ОГ не позволяет однозначно оценить уровень их вредности и влияние на окружающую среду.
Сравнение агрессивности (вредности) многокомпонентной среды производят по отношению к СО. За базовое вещество принят СО, показатель агрессивности которого принят равным единице. В последние годы вредность ОГ определяют по отношению к Б0х.
Медико-биологические аспекты воздействия различных компонентов ОГ на окружающую среду и человека приведены в [1]. Коэффициент экологической опасности Т. отдельных компонентов ОГ может быть представлен зависимостью [2-5]:
Т^С^ПДК,, (4)
где С - концентрация 1-го компонента ОГ; ПДК; - предельно допустимая концентрация -го компонента.
Автотранспортные средства эксплуатируются в населенных пунктах или рабочих зонах (карьеры, шахты, склады). Поэтому расчеты суммарных показателей вредности ОГ следует проводить с учетом норм ПДК (среднесуточ-
ная концентрация), ПДКмр (максимально-разовая) и ПДКрз (рабочей зоны).
Величина суммарного базового выброса ВВ выбрана постоянной и соответствует среднесуточному значению ПДК СО (мг/м3) населенных пунктов. Токсичные компоненты ОГ двигателя оказывают различное физиологическое воздействие на организм человека. Для проведения расчетов определены коэффициенты вредных компонентов ОГ.
Степень экологического совершенства процесса сжигания топлива в камере сгорания может быть определена величиной вредности многокомпонентных смесей ОГ. Многокомпонентная смесь может быть разбавлена чистым воздухом до безвредных концентраций для человека, определяемых ПДК (табл. 4).
Основными выбросами ВВ являются СО, N0 , С Н , аль-
~ ' х' т п'
дегиды, оксиды серы и сажи. Номенклатура нормируемых существующих компонентов насчитывает пять компонентов, предполагаемых выбросов ВВ - 9 компонентов. Норма содержания СО2 в ОГ составляет 160 г/км, а к 2012 г. снизится до величины 132 г/км. Снижение серы с 0,4 до 0,02% сокращает удельный выброс твердых частиц на 25%.
Токсичное воздействие N0x проявляется в стратосфере и тропосфере. Каталитическое разрушение озонного слоя (в стратосфере) N0х влечет за собой недопустимое возрастание биологически активной радиации и ставит под угрозу существование биосферы.
В ОГ различают более 200 индивидуальных веществ СтНп и СНО. Из общего количества органических компонентов ВВ автомобилей свыше 32% составляют предельные углеводороды, 27% непредельные, до 4% ароматические и более 2% альдегиды. Анализ выполняют, как уже говорилось выше, в пересчете на СО, действие которого на
организм человека изучено тщательно, а методы его измерения надежны. Среднегодовая концентрация СО в атмосферном воздухе большинства городов России колеблется в пределах 1,5-1,6 мг/м3, то есть не превышает уровня ПДКсс и равна 3,0 мг/м3.
Показатель токсичности суммарного состава ОГ, содержащего п вредных компонентов, может быть представлен зависимостью:
т«=±(С1'ПДК1)' (5)
1=1
где п - общее число токсичных компонентов в смеси; С - фактическая концентрация компонента; / - количество токсичных компонентов.
Физический смысл параметра обусловлен минимальным количеством свежего воздуха, необходимого для разбавления ОГ до безопасного состояния. Показатель Тог указывает кратность необходимого разбавления ОГ воздухом для безопасного состояния, определяемого значениями ПДК.
Например, при Тог = 2 следует на 1 м3 токсичной смеси подать 2 м3 воздуха. Физический смысл параметра обусловлен минимальным количеством объемов свежего воздуха, потребного для разбавления ОГ до безопасного состояния.
При совместном действии СО и других компонентов ОГ токсичность смеси газов значительно повышается. Показатель агрессивности компонента по отношению к СО может быть представлен зависимостью:
:=ПДК„1ПДК,.
Предельно допустимые концентрации основных вредных веществ в воздухе
(7)
Таблица 4
ПДК, мг/м3
Вредное вещество Класс Атмосфера населенных мест
опасности Среднесуточные, ПДКсс Максимально разовые, ПДКмр В воздухе рабочей зоны, ПДКРз
Окись углерода, СО 4 3 5 20
Углеводороды (в пересчете на С) 4 1,5 5 30
Двуокись азота, 1\Ю2 2 0,085 0, 085 9
Окись азота, N° 2 — — 30
Двуокись серы, Э°2 3 0,05 0,03 10
Сероводород, Н2Э 2 0,008 0,08 10
Сажа, С 3 0,05 0,15 5
Бензапирен С20Н12 1 0,000015 — 0,00015
Альдегиды: акролеин (СН2СНСНО) формальдегид (Н2СО) 2 2 0,030 0,012 0,030 0,035 0,7 0,5
Свинец (в пересчете на РЬ) 1 0,0000007 — 0,01
Аммиак 4 0,04 0,20 20
Бензол 4 0,10 1,50 5
Гидразин 2 — — 0,10
Хлорид водорода 3 0,2 0,2 5
Озон 1 0,03 0,16
щ
Транспорт и экология
где №7 - относительный коэффициент агрессивности токсичности смеси.
Суммарная токсичность ОГ может быть представлена суммарным параметром. Для сравнительной оценки вредности многокомпонентных смесей каждое вещество приводят к изученному компоненту - СО, показывающему во сколько раз СО опаснее по отношению к сравниваемому веществу. Показатель суммарной токсичности ОГ, приведенный к СО, для различных компонентов может быть определен по формулам (6-10). В формализованном виде механизм приведения может быть представлен в виде зависимостей:
(8)
(9)
(10)
Вредное вещество Относительная вредность при различных ПДК
грСО сс грСО мр rrrco рз
СО 1 1 1
С Н т п 2 1 0,07
- - 0,67
1\ю2 35,29 58,82 2,22
Двуокись серы, Э02 60 166,67 2
Сероводород, Н2Э 375 625 2
Сажа, С 60 33,33 5,71
Бензапирен, С20Н12 3 000 000 - 133 333,33
Акролеин, СН2СНСНО 100 166,67 28,57
Формальдегид, Н2СО 250 142,86 40
Свинец (в пересчете на РЬ) 4285,71 - 2000
помещениях (водители, работники службы движения, мотористы и др.).
Как уже говорилось выше, величина суммарного базового выброса ВВ выбрана постоянной и соответствует среднесуточному значению ПДК СО населенных пунктов. Сравнивая эту величину с санитарными нормами можно составить уравнения:
(14)
(15)
(16)
где V - эквивалентная концентрация вредных веществ в ОГ (концентрация СО в условной газовой смеси, вредность которой равна вредности фактической смеси); п - число вредных компонентов, принятых для суммирования вредности ОГ; - относительная токсичность /-го компонента; т. - массовое содержание /-го компонента в многокомпонентной смеси.
Относительная вредность г", Т™ , т™ компонента / по отношению к СО, определяемая как отношение ПДКсо к ПДК. для основных компонентов, приведена в табл. 5.
(11)
Т^=ПДКР1ПДК:Р-, (12)
Т"^ПДК'^/ПДК™. (13)
Для проведения необходимых расчетов были определены коэффициенты вредных компонентов ОГ. Серьезное внимание следует обращать на возможность отравления людей, находящихся в закрытых, плохо вентилируемых
Таблица 5
Относительная вредность компонентов ОГ при различных ПДК
В формализованном виде механизм приведения может быть представлен формулой для определения эквивалентной концентрации вредных веществ ОГ двигателя в атмосфере населенных мест (запишутся в виде С£с):
¿C = 8с„ * «„ * Г° +8„*тог* Г™ + gN02 * таг * Т™2 + + 8c*m„*Tccc + gPb*m„*T^ + + 8 „ * «L * Г" + g^ * тш * ТГ + 8Л * «L * С;
tjZ = 8 со * mo¡ *r:p+ga¡*m„, *T™+gN02*mm *Т™2 + + г *т *ТС +яп*т *ТРЬ+
ос ог мр ОРЬ ог мр
+ 8„*m„*Tl+ga¡p *m„ + 8б„ *m„ ;
= 8 со *rno,*T™ + gCH*m0t* Т% + 8no1 * m„ * Г™2 +
+ 8c*rnoí*rpB + gn*moí*Tp¿ +
(17)
(18)
(19)
где 9с
удельный вес каждого компонента;
- масса ОГ; Т°- относительная вредность ОГ.
В формулах (17 и 18) относительная вредность N0 не приведена для уровня рабочей зоны, так как ПДКсс и ПДКмр на нее не установлены. В формуле (18) коэффициенты относительной вредности бензапирена и свинца по той же причине установлены по нормам ПДКмр.
Входящие в формулы (18 и 19) величины концентраций имеют размерность (г/м3 или %). Количество компонента /, выбрасываемого двигателем в единицу времени, представлено размерностью г/ч. Формулы для определения эквивалентной концентрации ВВ двигателя в атмосфере населенных и рабочих мест запишутся в виде (20-22). Сравнивая эту величину с санитарными нормами можно составить уравнение (20):
=!*#„, *m„ *шог +36 *gNm *ma! +60*ge *тог +
+ 4286*gn 'и, + 60*g„ *m„ + 100*^ *m„ +3*106
(20)
Для расчетов принимаем соотношение различных компонентов, приведенных в табл. 5.
В атмосфере населенных мест с учетом максимально разовых концентраций относительная вредность будет представлена в виде:
я
ЪК =х* 8со*тог+1* 8СИ*тог+59* 8т2*тс! + + 33 *8с *тот +1*8п *т0! + 167*^ *та + (21)
В атмосфере рабочих мест с учетом концентраций в рабочей зоне:
+ 5,8* gc*mí,г+2000* gpt*moг + (22)
+ 2*gгa *таг +29*£„р *тш +133333*^ *тог.
Современные ДВС автомобилей оцениваются по параметрам 9 представительных компонентов ОГ. Для определения эквивалентной концентрации ВВ в ОГ в формулах целесообразно использовать 9 компонентов. Концентрация ВВ и эквивалентный ее параметр определяют степень совершенства с точки зрения состояния экологии, но недостаточно характеризуют токсичность ОГ.
В настоящее время актуальным представляется переход от технического нормирования токсичности ОГ к технико-гигиеническому, связанному со значениями ПДК выбросов ВВ. Различают ПДК для населенных мест и производственных помещений. Сравнительная оценка содержания выцбросов ВВ автомобилями с бензиновыми и дизельными двигателями приведена в табл. 6.
Дизели сравнительно мало содержат продуктов неполного сгорания СО и СтНп. Содержание N0x и сажи в ОГ дизелей значительно больше, что представляет серьезную опасность для окружающей среды.
При сжигании 1 т дизельного топлива в окружающую среду выделяется около 40 кг N0x и выбрасывается 0,9 г твердых частиц, что в 6-9 раз выше по сравнению с бензиновыми двигателями. Обычно концентрации NОх в атмосферном воздухе невелики и достигают величины 0,001 мг/м3. Вблизи основных магистралей уровень содержания выбросов ВВ в воздухе в 20-40 раз превышает ПДК.
Токсичные компоненты ОГ транспортного двигателя оказывают различное физиологическое воздействие на организм человека. Для проведения расчетов определены коэффициенты вредных компонентов ОГ. Разработанный индекс токсичности ОГ позволяет объективно оценить экологическую эффективность транспортного двигателя с различным рабочим процессом. Суммарная токсичность ОГ газобаллонного автомобиля по контролируемым параметрам на 30% ниже в сравнении с бензиновым автомобилем и на 50% меньше в сравнении с дизельным двигателем
Таблица 6
Содержание выбросов ВВ в ОГ автомобильного двигателя
Вредные вещества Масса ВВ, выбрасываемых на 1 топлива, кг
бензиновый двигатель дизель
Окись углерода 240 22
Углеводороды 30 16
Окислы азота 22 37
Твердые частицы (сажа) 1,4 12,4
Окислы серы 1,1 6,0
Альдегиды 1,2 6,5
Соединения свинца 0,1 —
Всего 295,8 109,9
1 1 - О 600 500 400 100 ТОЛ
Ч 1 хА' г-н-
ж. 1 1
"""""
о-.
1950
1- выброс В 3 - выброс
2000 Т, ГРЛ
Рис. 3. Выброс ВВ в РФ: ! на 1 т топлива, Qвв, кг/т; 2 - расход топлива, Qтоп, млн. т; В, 0 „, млн.т
(аналогичной мощности). Индекс токсичности ДВС получен по трем контролируемым параметрам.
Предложенный метод оценки суммарной токсичности ОГ позволяет наиболее полно учитывать условный суммарный параметр токсичности ОГ по отношению к окиси углерода. Разработанный оценочный комплекс показателей взаимоувязан с законодательными и санитарно-гигиеническими нормативами.
Расчетно-экспериментальным методом установлено, что любая многокомпонентная смесь современного двигателя может быть разбавлена чистым воздухом до безвредных концентраций. Суммарный индекс токсичности ОГ позволяет объективно оценить экологическую эффективность пассажирских перевозок с различными контролируемыми параметрами.
Экологическая безопасность является одним из определяющих критериев развития АТС и требует глубоких исследований. Полученные результаты исследований направлены на улучшение состояния окружающей среды путем уменьшения загрязнения продуктами сгорания АТС и сохранение природных биосферных комплексов для будущих поколений и всего человечества.
Выполненная работа позволила обосновать переход от технического нормирования токсичности вредных веществ, косвенно учитывающего загрязнение воздушного бассейна, к технико-гигиеническому, непосредственно учитывающему параметры предельно допустимых концентраций вредных веществ в воздухе населенных мест и рабочей зоны.
Литература
1. Малов Р.В., Ерохов В.И., Щетина В.А. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды. - М. -Транспорт 1982. - С. 201.
2. Воронин В.Г. Теория оценки параметров токсичности транспортных газотурбинных двигателей. - Двигателестроение. N2. - 1988. - С.55-56.
3. Звонов В.А., Козлов А.В., Кутенев В.Ф. Экологическая безопасность автомобиля в полном жизненном цикле. - Москва, 2001 г. - С. 248.
4. Патрахальцев Н.Н., Горбунов В.В., Гильермо Лира Качо.
Сжиженный нефтяной газ для улучшения экологических качеств дизеля. - «Грузовик». - 1999. - № 12. - С. 23-25.
5. Бондаренко Е., Филиппов А. Оценка использования некоторых видов моторного топлива по критериям экологической безопасности. - «АГЗК+АТ», № 3 (15). - 2004. - С. 60-63.
