CC BY
23Оценка экологической эффективности применения различных видов моторного топлива в ДВС автотранспортных средств
М.В. Коротков,
ведущий инженер отдела по рациональному использованию ресурсов ООО «Оренбурггазпром», к.т.н., А.А. Филиппов,
старший преподаватель
Оренбургского государственного университета, к.т.н.
В настоящее время в мире все большее распространение получают различные виды альтернативного моторного топлива, например, такие как природный газ - метан (в сжиженном или сжатом виде), сжиженный углеводородный газ (СУГ). Кроме того, проводятся различные исследования по применению в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) биологического, синтетического видов топлив, диметилэфира, водорода и др. Развитие широкого применения каждого из этих видов топлива в ДВС имеет свои достоинства и недостатки, которые оцениваются не только с позиции экономической привлекательности, но и с позиции экологической безопасности. В настоящей статье предложен новый способ оценки экологической эффективности применения различных видов моторного топлива в автотранспортных средствах (АТС).
Известно, что работа ДВС неизбежно сопровождается выбросами отработавших газов (ОГ), в которых обнаружено около 1200 компонентов - из них подробно изучено около 200 соединений [1,2]. Наиболее опасными и подлежащими нормированию являются следующие вредные вещества (ВВ): оксиды азота (N0^, оксиды углерода (СО), суммарные углеводороды (СН), оксиды серы (50х), при использовании этилированного бензина также оксиды свинца (РЬО). Для
дизелей дополнительно проводятся испытания по оценке содержания в ОГ дисперсных частиц (РМ), а также дымности ОГ [1].
Все эти компоненты могут по-разному влиять на здоровье людей, так как имеют различную токсичность и относятся к разным классам опасности, кроме того, количество и доля (процентное содержание) этих компонентов в ОГ различных автомобилей также различны. Поэтому, используя только количественные
характеристики выбросов ОГ, невозможно однозначно судить о том, содержание какой примеси является наиболее опасным в ОГ, какой из тестируемых автомобилей является экологически более опасным либо более «чистым», каким образом оценить экологическую эффективность применения различных видов топлива и различных конструктивных решений, по какому математическому закону происходит изменение экологической опасности ОГ автомобиля в процессе его эксплуатации и т.д. Таким образом, возникает необходимость в интегральной оценке вредных веществ в ОГ.
Для интегральной (комплексной) оценки токсикологической опасности каждого отдельно взятого токсичного вещества в ОГ автомобиля предлагается использовать так называемую категорию опасности вещества - КОВ, которая рассчитывается по формуле:
КО А = ^ КОВЛ = ]Г
М,
упдк,
(1)
Количество выбросов вредных веществ с отработавшими газами
где: КОВ. - категория опасности /-того вещества, м3/с; ПДК. - максимально-разовая предельно допустимая концентрация вещества, характеризующая его токсичность, г/м3; М. - количество выбросов /-того вещества, г/с.
Категория опасности отработавших газов автомобиля (КОА) является
Таблица 1
автомобиля УАЗ-31602
Пробег, км СО НС X
г/км % г/км % г/км % г/км %
6400 3.49 89.0 0.28 7.1 0.15 3.9 3.92 100
10000 4.15 90.0 0.26 5.4 0.20 4.6 4.61 100
20000 3.19 84.4 0.28 7.4 0.31 8.2 3.78 100
30000 3.44 89.4 0.29 7.5 0.12 3.1 3.85 100
40000 3.41 85.9 0.18 4.5 0.38 9.6 3.97 100
50000 3.39 85.6 0.19 4.8 0.38 9.6 3.96 100
60000 3.80 86.9 0.24 5.5 0.33 7.6 4.37 100
70000 3.19 87.4 0.19 5.2 0.27 7.4 3.65 100
80000 2.91 84.6 0.19 5.5 0.34 9.9 3.44 100
суммой категорий опасности различных токсичных веществ, входящих в состав ОГ. КОА выступает интегральной характеристикой экологической опасности отработавших газов автомобиля, как источника выбросов многих загрязняющих веществ в воздушную среду [3].
Настоящий подход позволяет:
1. Учитывать не только количество выбросов различных компонентов ОГ, но и их токсичность (предельно допустимую концентрацию), и тем самым устанавливать четкую взаимосвязь между техническими характеристиками работы ДВС с экологическими характеристиками (существующими санитарными нормами). Другими словами категория опасности вещества (автомобиля) является не технической, а технико-экологической характеристикой работы ДВС или автомобиля в целом.
2. Сравнивать и ранжировать опасность различных токсичных компонентов в ОГ.
3. Суммировать категории опасности различных токсичных веществ, так как они имеют единый физический смысл и единую размерность (м3/с). Благодаря этому можно знать общую опасность всех вредных компонентов, выбрасываемых источником с
учетом их количества и токсичности.
4. Объективно сравнивать и однозначно оценивать экологическую опасность ОГ различных автомобилей (использующих ДВС), независимо от их типа, назначения, грузоподъемности, вида используемого топлива, а также прочих конструктивных и индивидуальных особенностей.
5. Объективно сравнивать и однозначно оценивать экологическую эффективность применения различных видов моторного топлива.
6. Сравнивать экологическую опасность передвижного источника (автомобиля) с экологической опасностью стационарного источника (промышленного предприятия). Благодаря этому стало возможным оценивать вклад и автотранспорта, и предприятий в загрязнение атмосферного воздуха города, а в последствии через экологическую емкость воздушной среды урбанизированной территории устанавливать экологические ограничения.
Размерность категории опасности вещества (м3/с) означает некий виртуальный объем воздушной среды, требуемый для того, чтобы рассеять загрязняющие вещества, генерируемые источником с определенной объемной скоростью до безопасных
концентраций. Следует отметить, что речь идет, конечно, о виртуальном, то есть условном объеме воздушной среды, потому что в реальности атмосферный воздух очищается не только за счет рассеивания вредных веществ в своем объеме (конвективная и молекулярная диффузия), но и за счет вымывания вредных веществ из атмосферы с осадками в виде дождя и снега.
Рассмотрим применение предложенного подхода на конкретном примере. Для этого используем данные результатов теста автомобиля УАЗ-31602 (табл. 1).
Из табл. 1 видно, что доля оксида углерода является наибольшей - от 84,6 до 90% (по массе). Процентное содержание углеводородов колеблется и составляет от 4,5 до 7,5% (по массе). Аналогичным образом изменяется и содержание оксидов азота - от 3,9 до 9,9% (по массе). Причем, по мере увеличения пробега содержание СО и СН снижается (на 20 и 30% соответственно), в то время как количество NOx наоборот возрастает (до 55%). Максимальное количество выбросов для каждого из указанных веществ приходится на различные значения пробега автомобиля (рис. 1).
Далее по уравнению (1), используя данные о количестве выбросов вредных веществ с ОГ и значения максимально-разовых предельно допустимых концентраций этих веществ, определим категории их опасности (рис. 2).
По результатам расчета можно сделать следующие выводы:
1. Монооксид углерода не является приоритетной примесью в ОГ автомобиля. Его вклад в интегральный показатель в основном не превышает 25%.
2. Самой опасной примесью в отработавших газах следует считать диоксид азота. КОВ диоксида азота колеблется в пределах 75-93%, в то время как количество по массе не превышает 10%.
3. Опасность углеводородных соединений, входящих в состав ОГ указанных автомобилей, можно признать малозначимой (менее 10% от КОА).
Суммировав эти показатели, получаем однозначное представление о том, как изменяется экологическая опасность ОГ автомобиля в процессе эксплуатации (рис. 3).
Но КОА является абсолютным показателем опасности. Другими словами: например, цифры 65 или 130 (м3/с) позволяют говорить только то, что ОГ этого автомобиля при пробеге 40-50 тыс. км в два раза более опасны для здоровья людей, чем ОГ этого же автомобиля при пробеге в 10 тыс. км. Мы не знаем, насколько опасны тот и другой автомобили, как соотносятся цифры 65 и 130 (м3/с) с действующими
нормативными требованиями по токсичности для автомобилей, - то есть «хорошо» это или «плохо»? И когда кончается «плохо» и начинается «хорошо»? Поэтому есть необходимость в относительном показателе опасности отработавших газов автомобиля.
Такой относительный показатель - критерий экологической опасности отработавших газов автомобиля Ка -был нами получен ранее при рассмотрении процесса функционирования автомобиля в качестве технической системы «автомобиль - воздушная среда» [4]. К дает точное представление о том, как совокупная экологическая опасность всех вредных компонентов ОГ какого-либо автомобиля соотносится с опасностью отработавших газов автомобиля-эталона, отвечающего нормативным требованиям. Рассчитывается по формуле: КОА,.
. (2)
К. -
КОА,,
где: КОА
категория опаснос-
ти автомобиля-эталона; КОА. - катего-
' 1
рия опасности тестируемого автомобиля, находящегося в эксплуатации.
Из уравнения (2) видно, что если выполняется условие К<1, то автомобиль соответствует эталону и его эксплуатация безопасна, а если же К >1, то техническое состояние такого
а
автомобиля с позиции экологической безопасности следует считать неудовлетворительным.
Что такое автомобиль-эталон? В качестве автомобиля-эталона использовался некий автомобиль, оснащенный
двигателем внутреннего сгорания и сертифицированный по европейским нормам токсичности «Евро-4» (К =К„„„). Автомобиль, удовлетво-
у эталон ЕВРО '
ряющий требованиям «Евро-4», выбран в качестве эталона по следующим причинам:
1. Процесс функционирования любого автомобиля, оснащенного ДВС, можно рассматривать, как систему «автомобиль - воздушная среда», которая рассеивает вредные примеси. А выбранный эталонный автомобиль также оснащен ДВС и является источником вредных выбросов в атмосферу. Это дает право сравнивать этот автомобиль с любым другим автомобилем того же класса при фиксированных условиях, то есть при фиксированном состоянии системы «автомобиль - воздушная среда». В качестве фиксированных условий предлагается использовать ездовой цикл, так как он учитывает различные режимы работы двигателя и проводится в стандартизованных условиях.
2. Такой автомобиль на сегодня является наиболее экологически «чистым» среди автомобилей, оснащенных ДВС и получивших широкое распространение. То есть уровень экологической опасности ОГ такого автомобиля является технически максимально достижимым при условии рентабельного серийного производства.
3. Система Правил Европейской экономической комиссии учитывает разделение автомобилей по назначению, грузоподъемности, литражу
Рис. 3. Влияние пробега на уровень экологической опасности ОГ автомобиля УАЗ-31602 в процессе эксплуатации
Рис. 4. Влияние пробега на уровень экологической опасности ОГ автомобиля УАЗ-31602
ГШ
Транспорт и экология
Таблица 2
Нормативные значения токсичных компонентов, входящих в состав ОГ и подлежащих нормированию по Правилам ЕЭК ООН («Евро-4»)
Тип автомобиля Токсичные компоненты, г/км
СО СН NOx
Автомобили массой < 3500 кг 2,27 0,16 0,11
и типу используемого топлива. Это означает, что к любому автомобилю, находящемуся в эксплуатации, есть возможность подобрать эталон того же класса.
В качестве эталонного норматива используется уровень экологической опасности ОГ автомобиля, удовлетворяющего четвертой поправке к Правилам ЕС 2005 ЕЭК ООН («Евро-4»), у которого уровень экологической опасности ОГ меньше или равен единице (Ка<1). Этот норматив вступил в силу с 2005 г. для всех автомобилей, выпускаемых в Европе.
Следует отметить, что эталоном являются не автомобили, отвечающие требованиям «Евро-4», а автомобили, отвечающие самым жестким действующим нормам по токсичности. Просто сегодня в Европе это «Евро-4». Если завтра вступят в силу нормы «Евро-5», то эталоном будут считаться автомобили, отвечающие «Евро-5». При этом значение Ка не изменится, так как значение К =1 является отно-
а
сительным показателем. Если К >1 это
а
плохо, а если же К <1 то, это хорошо.
Кроме этого, Ка показывает, как уровень экологической опасности ОГ любого автомобиля соотносится с другими нормами («Евро-2», «Евро-3» и т.д.).
В качестве автомобиля-эталона выбирается автомобиль соответствующего класса, удовлетворяющий требованиям «Евро-4». То есть, если берется автомобиль класса I (малолитражный легковой автомобиль), то его следует сравнивать с автомобилем-эталоном класса I, а автомобиль класса III (легкий грузовик) - с автомобилем-эталоном класса III и т.д. Автомобиль любого класса сравнивается со своим эталоном. Критерий экологической опасности показывает, как любой автомобиль, находящийся в эксплуатации, соотносится со своим эталоном. Например, Ка] = 2 означает, что автомобиль в два раза «хуже» или «грязнее» своего эталона, Ка2 = 3 в свою очередь означает, что автомобиль уже в три раза «грязнее» своего эталона. Поскольку Ка является безразмерной величиной, то можно сравнить между собой оба рассмат-
Рис. 5. Программа расчета уровней экологической опасности автомобилей
риваемых автомобиля. Первый в два раза «грязнее» своего эталона, а второй в три раза «грязнее» своего эталона. Следовательно, с позиции экологической безопасности второй автомобиль технически менее совершенен, чем первый.
Здесь необходимо отметить, что эталонный автомобиль был выбран на основе Европейских правил, так как отраслевые стандарты в России унифицированы с ними. Однако данный подход может быть применим и к другим системам стандартов: к американским или японским.
Пример использования Ка
Для каждого класса автомобилей нужно выбирать соответствующий эталон, который определен системой Правил ЕЭК ООН. Так, например, эталонными значениями для автомобиля УАЗ-31602 будут значения, представленные в табл. 2.
Используя формулы 1 и 2, а также нормативные значения токсичных компонентов, входящих в состав ОГ, можно оценить, как уровень экологической опасности отработавших газов автомобиля УАЗ-З1602 в процессе эксплуатации соотносится с действующими нормами «Евро-4» (рис. 4).
Как следует из рис. 4, уровень экологической опасности ОГ автомобиля УАЗ-З1602 уже изначально вдвое превышает эталонный уровень. После пробега в 40 тыс. км этот уровень увеличивается еще, а затем снижается. С помощью метода наименьших квадратов можно вывести функциональную зависимость уровня экологической опасности отработавших газов от пробега автомобиля.
Расчет экологических показателей автомобилей производится с помощью специально разработанной для этого программы. Для расчета необходимо ввести данные об испытаниях автомобиля и указать, к какому классу относится рассматриваемый автомобиль (рис. 5).
Аналогичным образом может быть проведена сравнительная оценка уровней экологической опасности ОГ и других автомобилей, либо автомобилей, на которых применены различные конструктивные решения.
Оценка
экологической эффективности
применения различных видов моторного топлива
На сегодняшний день уже хорошо изучены техническая и экономическая эффективность применения различных видов топлива. Также хорошо известны количественные характеристики выбросов токсичных веществ с отработавшими газами автомобилей, работающих на различных видах топлива. Но эти количественные характеристики выбросов являются техническими, а не экологическими параметрами системы «автомобиль - воздушная среда».
Различные автомобили могут работать на различных видах топлива. Мы проанализировали процесс функционирования автомобилей, которые используют различные виды топлива. Этот анализ показал, что процессы преобразования тепловой энергии сжигаемого топлива в механическую энергию в ДВС протекают подобно. Это означает, что процесс функционирования автомобилей, работающих на различных видах моторного топлива, также может быть представлен в виде системы «автомобиль - воздушная среда».
Экологическим критерием подобия этих систем является Ка, который применительно к идентичным автомобилям, работающим на различных видах топлива, можно представить как произведение двух критериев Ка= К тех-К . При этом первый сомножи-
а топл 1 1
тель Ктех является показателем техни-
а
ческого совершенства конструкции автомобиля с позиции экологической безопасности. Второй сомножитель К - критерий «приспособленнос-
топл 1 1 1
ти» топлива - показывает, как с позиции экологической безопасности
топливо «приспособлено» к процессу получения механической энергии при его сжигании в ДВС. Другими словами, К - это показатель из-
топл
менения экологической опасности отработавших газов автомобиля в зависимости от применения различных видов топлива.
К определяется как отношение
топл
категории опасности автомобиля, работающего на неком виде топлива, к категории опасности такого же автомобиля, работающего на экологически самом «чистом» виде топлива. Многочисленные испытания показали, что таким видом топлива является водород.
При работе автомобиля на самом чистом виде топлива водороде Ктопл равен единице. Применение других видов топлива дает более высокие уровни экологической опасности отработавших газов автомобилей. Здесь следует отметить, что в данном случае не затрагивается вопрос экономической целесообразности применения водорода и не учитываются выбросы вредных веществ, сопровождающие технологический процесс выделения водорода. Здесь речь идет только о том, какой вообще уровень экологической опасности ОГ технически достижим для автомобиля, оснащенного ДВС.
Пример использования К
г г топл
Для примера в качестве исходных данных использованы данные НАМИ о количестве вредных выбросов с ОГ автомобиля ГАЗ-2410 [5], которые представлены в табл. 3.
Очевидно, что опираясь только на массовые характеристики выбросов, можно с уверенностью утверждать лишь то, что водород является экологически самым «чистым», а этили-
рованный бензин самым «грязным» видами топлива. Но при этом трудно однозначно судить о том, какое из оставшихся рассматриваемых топлив является экологически более или менее «чистым» видом топлива.
Анализ показывает, что при работе автомобиля ГАЗ-2410 на всех рассматриваемых видах топлива, за исключением водорода, наибольшую долю по массе в ОГ занимает оксид углерода, его содержание колеблется от 44,5 до 75,7%. Содержание в ОГ углеводородов (СН) практически одинаково при работе рассматриваемого автомобиля на метаноле, СУГ, а также этилированном и неэтилированном бензинах Аи-92 и колеблется незначительно в пределах от 12,4 до 15,0%. Содержание СН в ОГ автомобиля, работающего на КПГ, несколько выше и составляет 23,5%. Содержание в ОГ оксидов азота (N0^ при работе рассматриваемого автомобиля на метаноле, а также этилированном и неэтилированном бензинах Аи-92 колеблется в пределах от 11,9 до 15,3% по массе. Доля N0x в ОГ автомобиля, работающего на КПГ и СУГ, значительно выше и составляет 32 и 26,5% соответственно. Оксиды свинца присутствуют только в ОГ автомобиля, работающего на этилированном бензине, их содержание составляет около 0,3% по массе. ОГ автомобиля, работающего на водороде, на 100% состоят из оксидов азота (N0^.
Для однозначной оценки влияния топлива на формирование экологической опасности ОГ автомобиля воспользуемся предложенным подходом и с помощью формул (1) и (2) определим категории опасности веществ, входящих в состав ОГ (табл. 4).
Продолжение в следующем номере
Литература
1. А.Р. Кульчицкий. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие для вузов // Владим. гос. ун-т. - Владимир. 2000. С. 256.
2. В.Н. Луканин и др. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн.1. Теория рабочих процессов. Учеб. - М.: Высш. шк., 1995. - С. 368.
3. А.А. Цыцура, Е.В. Бондаренко, Г.П. Дворников, Е.А. Старо-кожева. Комплексная оценка экологичности автомобиля. // Академический журнал Уральского межрегионального Отделения Российской Академии транспорта (УМО РАТ), № 3-4, 2001. С. 74-78.
4. М.В. Коротков, А.А. Цыцура. Разработка критерия экологической безопасности и уровня технического совершенства автотранспортных средств. Экологический вестник России: информационно-справочный бюллетень, 2002, № 11. С. 41-43.
5. В.Н. Луканин, Ю.В. Трофименко. Экологически чистая автомобильная энергоустановка: понятие и количественная оценка // Итоги науки и техники // ВИНИТИ. Автомобильный и городской транспорт. - 1994. С. 18.
6. Е.Н. Пронин. Природный газ - моторное топливо XXI века. Природный газ в моторе? Вопросы и ответы // Альбом информационных материалов. Управление по газификации и использованию газа ОАО «Газпром». М., 2006.
7. Гигиенические Нормативы 2.1.6. 1338-03. Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест.
