Оценка экологической эффективности применения различных видов моторного топлива в ДВС автотранспортных средств Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

щ

Транспорт и экология

Оценка 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.

Окончание, начало см. в №1/2008

Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что в случае работы автомобиля на этилированном бензине наиболее опасной примесью следует признать оксиды свинца. Их вклад в формирование опасности составляет 59%, несмотря на то, что по массе их доля очень мала и составляет всего 0,3%. Во всех остальных случаях наиболее опасной примесью в ОГ автомобиля являются оксиды азота (N0^, их вклад в формирование опасности составляет от

80% (для метанола) до 100% (для водорода). Следующей по значимости следует признать опасность оксида углерода (СО), вклад которого в формирование общей опасности выбросов колеблется от 4 до 15%. Наименее значимой является опасность углеводородных соединений, которая составляет от 2 до 5% по КОВ.

На следующем этапе необходимо соотнести суммарные категории опасности ОГ автомобиля с категорией опасности ОГ автомобиля, работающего на самом «чистом» виде топлива - водороде. Полученные

значения дают однозначное представление о том, во сколько раз будет изменяться опасность отработавших газов автомобиля при его работе на других видах топлива.

Очевидно, что для различных автомобилей количественные характеристики выбросов токсичных компонентов будут отличаться. Однако, приняв некоторые допущения, можно утверждать, что останется неизменным соотношение уровней экологической опасности ОГ для любых идентичных автомобилей, выполняющих одинаковую транспортную работу с использованием различных видов моторного топлива.

В отношении упомянутых допущений необходимо отметить следующее:

1. При сравнении одинаковых автомобилей, использующих различ-

Таблица 3

Количество выбросов различных загрязняющих веществ в ОГ автомобиля ГАЗ-2410, работающего на различных видах топлива

Токсичное вещество Вид топлива

Водород Метанол КПГ ГСН Аи-92 (неэтил.) Аи-92 (этил.)

г/исп % г/исп % г/исп % г/исп % г/исп % г/исп %

мсо 0 0 28,0 75,7 8,5 44,5 19,0 58,7 41,0 69,7 41,0 69,5

мсн 0 0 4,6 12,4 4,5 23,5 4,8 14,8 8,8 15,0 8,8 14,9

мпсх 2,5 100 4,4 11,9 6,1 32 8,6 26,5 9,0 15,3 9,0 15,3

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,2 0,3

2,5 100 37 100 19,1 100 32,4 100 58,8 100 59 100

Таблица 4 Категории опасности токсичных компонентов, входящих в состав ОГ автомобиля, работающего на различных видах топлива

КОВ ьго вещества Виды моторного топлива

Водород Метанол КПГ СУГ Аи-92 (неэтил.) Аи-92 (этил.)

м3/с % м3/с % м3/с % м3/с % м3/с % м3/с %

КОВсо 0 0 8 15 2 3 5 6 11 11 11 4

ковсн 0 0 2,5 5 2,5 4 3 3 5 5 5 2

к0в«сх 24 100 42,5 80 59 93 83 91 87 84 87 35

к0врь 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 149 59

К0А 24 100 53 100 63,5 100 91 100 103 100 252 100

ИИ дШи. 0 4

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (2) март 2008 г.

Таблица 5

Значения критерия «приспособленности» для различных видов моторного топлива

Виды моторного топлива

Показатель Водород Метанол КПГ СУГ Аи-92 (неэтил.) Аи-92 (этил.)

К топл 1 2,2 2,6 3,8 4,3 10,5

Таблица 6

Усредненные данные о выбросах загрязняющих веществ с отработавшими газами грузовых автомобилей

Загрязняющие вещества, кг на т сгоревшего топлива

Виды топлива

кг/т % кг/т % кг/т % кг/т % кг/т % кг/т % кг/т %

Газодизельное 357,6 80 53,2 12 28,0 6 2,4 0,5 6,0 1,5 0 0 447,2 100

Дизельное 149,6 56 48,3 18 31,9 12 16,5 6 20,0 8 0 0 266,3 100

Бензин 527,4 83 66,1 10 40,4 6 0,6 <1 2,0 <1 0,3 <1 636,8 100

ные виды топлива, принципиально отличаются топливные системы, а в некоторых случаях и конструкции самих двигателей, техническое состояние которых по-своему оказывает значимое влияние на состав ОГ. Следовательно, первым допущением является то, что при оценке экологических качеств топлив техническое состояние топливных систем и самих двигателей не оказывает влияния на состав ОГ в сторону ухудшения, то есть при оценке экологических качеств топлив следует считать, что рассматриваемые агрегаты во всех случаях являются новыми и отрегулированными согласно рекомендациям заводов-изготовителей.

2. Суммарная погрешность измерений при испытаниях автомобиля на каждом виде топлива является величиной постоянной.

Испытания дизельных двигателей и двигателей, работающих по газодизельному циклу, не проводились в составе автомобиля ГАЗ-2410, рассматриваемого в качестве примера. Поэтому для предварительной оценки экологической «приспособленности» этих видов топлива воспользуемся усредненными данными [6] о количестве выбросов загрязняющих веществ с ОГ автомобилей, работающих на дизельном топливе, по газодизельному циклу, а также на этилированном бензине для того, чтобы результаты расчета сопоставить с полученными ранее значениями К (табл. 6).

тппп 4 '

Анализ данных табл. 6 показывает, что наибольшую долю в ОГ по массе составляют оксиды азота - более 80% для бензиновых двигателей и двигателей, работающих по газодизельному циклу, и 56% для дизельных двигателей. Кроме этого, необходимо отметить, что значимую долю в ОГ дизельных

двигателей составляют сажа и диоксид серы ^02), массовое содержание которых составляет 6 и 8% соответственно. Содержание сажи и диоксида серы в ОГ бензиновых двигателей незначительно, в сумме с оксидом свинца (РЬО) содержание этих компонентов не превышает 1% по массе.

Таблица 7

Усредненные данные о составе ОГ грузовых автомобилей, представленные в виде потока загрязняющих веществ

Виды топлива Количество загрязняющих веществ в ОГ, г/с

СО СН Сажа PbO

Газодизельное 0,496666 0,07388 0,038888 0,003333 0,008333 —

Дизельное 0,207777 0,06708 0,044305 0,022916 0,027777 —

Бензин 0,7325 0,091805 0,056111 0,000833 0,002777 0,000416

Таблица 8 Категории опасности токсичных компонентов, входящих в состав ОГ грузового автомобиля, работающего на различных видах топлива

Вид топлива Категории опасности веществ в ОГ, м3/с

СО СН Сажа PbO

Газодизельное 165,56 49,25 457,50 22,22 166,66 0

Дизельное 69,26 44,72 521,23 152,77 555,54 0

Бензин 244,17 61,20 660,13 5,55 55,55 378,18

Таблица 9

Соотношение уровней экологической опасности ОГ грузового автомобиля, работающего на различных видах топлива

Вид топлива КОА К топи

Газодизельное 861,19 6,4

Дизельное 1343,52 10

Бензин 1404,78 10,5

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (2) март 2008 г.

иВЬ»|Щ|ц .....штшд^т

СО

СН

NO

Сажа

SO

PbO

x

ю

10,5

6,3

11

Водород Метанол

4,3

Аи-92 Газодизель Дизель Аи-92 неэтил. этил.

Рис. 6. Значения критерия экологической «приспособленности» различных видов моторного топлива

В экологической практике выбросы загрязняющих веществ принято представлять в виде потока вещества. Поэтому, руководствуясь принципом промышленного метаболизма, позволяющего отследить материально-энергетические потоки системы «автомобиль в эксплуатации - окружающая среда», представим данные табл. 6 для каждого загрязняющего вещества в виде его количества, генерируемого источником (выхлопная труба автомобиля) в единицу времени (г/с). Для этого необходимо знать время, за которое была израсходована 1 т топлива.

Необходимо пояснить, что в данном случае не имеет значения величина временного промежутка, так как целью данного расчета является не оценка экологической опасности ОГ конкретных автомобилей (поскольку рассматриваемые в этом расчете автомобили являются виртуальными и их выбросы характеризуются усредненными значениями), а соотношение полученных значений экологической опасности ОГ для каждого вида топлива. Это соотношение будет неизменным при любом значении выполненной транспортной работы. Таким образом, предположим, что 1 т топлива была израсходована за 200 ч (720 тыс. с) работы автомобиля.

В табл. 7 представлены усредненные данные о составе ОГ грузовых автомобилей.

Теперь, воспользовавшись как и ранее, формулами (1) и (2), а также значениями максимально-разовых предельно допустимых концентраций (ПДКмр) [7], рассчитаем категории опасности ОГ автомобилей, работающих на этих видах топлива (табл. 8).

Полученные результаты позволяют судить лишь о том, как между собой соотносятся уровни экологической опасности ОГ грузового автомобиля, работающего по газодизельному циклу, на дизельном топливе и на бензине. Для того, чтобы получить усредненное значение показателей экологической «приспо-собленности»дизельного топлива и газодизельной смеси и сопоставить полученные значения с аналогичными показателями, полученными ранее (табл. 5), необходимо воспользоваться методом пропорциональности, за «точку отсчета» приняв уровень экологической опасности ОГ при работе автомобиля на этилированном бензине:

1404?78 = 1М, отсюда: Х = Ш'5=6 43.

861,19 X 1,63 '

В табл. 9 представлены расчетные усредненные значения критериев экологической «приспособленности» дизельного топлива и газодизельной смеси к процессу получения механической работы в ДВС. Следует отметить, что вышеописанные допущения должны быть приняты во внимание при расчете значений К также и

~ ~ топл

для этих видов моторного топлива.

Таким образом, предложенный нами подход позволяет прогнозировать экологическую эффективность применения различных видов топлива, а значит - управлять экологической опасностью отработавших газов автомобилей через обоснование выбора моторных топлив (рис. 6).

Полученные результаты показывают, что самым экологически чистым видом топлива является водород КЫоРод=1, далее в ряду располагаются метанол и КПГ. Уровень экологической опасности ОГ автомобилей, работающих на этих видах топлива, соответственно в 2,2 и 2,6 раза будет превышать уровень экологической опасности ОГ такого же автомобиля, выполняющего такую же транспортную работу, но работающего на водороде. Далее в ряду располагаются сжиженный углеводородный газ (СУГ) и неэтилированный бензин, которые на сегодняшний день в России являются наиболее распространенными видами топлива. Значения критерия экологической «приспособленности» этих двух видов топлива равны Кгги = 3,8 и К = 4,3 соответс-

ГСН Бенз.неэтил

твенно.

Следующей в ряду располагается газодизельная смесь КГД = 6,3. Наиболее «грязными» видами топлива являются дизельное топливо КДТ=10 из-за высокого содержания в ОГ сажи и оксидов серы и этилированный бензин из-за содержания в ОГ оксидов

свинца К

=10,5.

Следует отметить, что несмотря на свои «хорошие» экологические характеристики, ни водород ни метанол сегодня не производятся в России в промышленных масштабах, и говорить об их коммерческом применении в качестве моторных топлив пока преждевременно. Следовательно, наиболее экологически «чистым» видом топлива, готовым к широкому распространению, является компри-мированный природный газ.

Заключение

Очевидно, что в целях обеспечения экологической безопасности жизни и здоровья россиян необ-

ШП ФФ «МЧ? дШи. Л01 ¿Ф 4

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (2) март 2008 г.

ходимы модернизация и развитие законодательной основы, которая позволила бы усовершенствовать методы государственного регулирования процессов поступления химически опасных веществ в окружающую среду (в том числе в атмосферный воздух) от разнообразных источников. Важной особенностью предложенного нами инструмента является возможность (и готовность) его использования для единой «шкалы» (или системы) оценок экологической опасности ОГ различных автомобилей, находящихся в эксплуатации. Такая «шкала» (система) будет необходима и востребована при совершенствовании российского законодательства в области охраны атмосферного воздуха.

В настоящее время проводится научно-исследовательская работа, направленная на решение проблемы загрязнения атмосферного воздуха урбанизированных территорий. Сущность научной новизны этой работы заключается в том,

что разрабатываемые нами методы позволяют устанавливать экологические ограничения на выбросы ВВ, сопровождающие любую деятельность человека (в том числе эксплуатацию автомобильного транспор-

та), на основе оценки способности воздушной среды рассматриваемой урбанизированной территории к самоочищению в конкретных климатических и метеорологических ситуациях.

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. Старокожева. Комплексная оценка экологичности автомобиля. // Академический журнал Уральского межрегионального Отделения Российской Академии транспорта (УМО РАТ), № 34, 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.

К сведению авторов

Редакция доводит до сведения авторов требования, которые необходимо соблюдать при предоставлении статей для публикации в нашем журнале.

Материалы статей должны быть представлены на любом электронном носителе в программе WinWord с указанием имени файла и с приложением данного текста в распечатанном виде. Объем статьи - не более 8 стр. формата A4 по 1800 знаков с пробелами на каждой. Всего 14400 знаков с пробелами. Со статьей должна быть представлена краткая аннотация.

Представленный текстовый материал с иллюстрациями и таблицами должен иметь сквозную нумерацию. В текстовом материале не должно быть рукописных вставок и вклеек. Статьи, напечатанные на пишущей машинке, не принимаются. Электронный вид статьи должен точно соответствовать материалам на бумажном носителе.

Графический материал должен быть выполнен в формате, обеспечивающем ясность всех деталей рисунков. Формулы и символы должны быть четкими и понятными. Все обозначения в формулах необходимо расшифровать. Нумеруются только те формулы, на которые сделаны ссылки в тексте. Обозначения физических величин и единиц измерений необходимо давать в Международной системе единиц (СИ). Обязательно соблюдение действующих ГОСТов.

На электронном носителе текст и рисунки должны быть выполнены в программе Microsoft Word с обозначением файлов шрифтов в формате tif, rtf, doc. Название файла только латинскими буквами. Рисунки - в формате tif (300 dpi, ŒYK), eps, jpg, jpeg, cdr. Отдельно необходимо представить список подрисуночных подписей.

Не следует форматировать текст самостоятельно.

При пересылке материалов по E-mail следует сопровождать их пояснительной запиской (от кого, перечень файлов и т.д.). Объемные файлы должны быть заархивированы.

При подготовке статей к изданию необходимо руководствоваться документами, определяющими правила передачи информации через СМИ.

Статья должна содержать следующие сведения об авторе (авторах): ФИО полностью, должность, ученая степень (если есть), почтовый и электронный адреса, контактные телефоны (служебный, домашний). Авторский коллектив должен указать ответственное лицо, с которым редакция будет вести переговоры в процессе подготовки статьи к изданию.

В список литературы включаются источники, на которые есть ссылки в статье. Ссылаться можно только на опубликованные работы. Список литературы составляется в порядке употребления. В нем приводятся следующие сведения: фамилия и инициалы авторов, название работы; для журнала - название, год издания, номер, страницы, на которых размещена статья; для книг - место и год издания, издательство, общее число страниц.

Редакция оставляет за собой право редакторской правки и не несет ответственности за достоверность публикации. Все внесенные изменения и дополнения в представленную к изданию статью согласовываются с автором или представителем авторского коллектива.

Принятые для печати в журнале «Транспорт на альтернативном топливе» материалы публикуются на безгонорарной основе.

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (2) март 2008 г.

.....TMïïwfttRi,. МЬид^яаьДШш^И^ЮяДЬ