CC BY
69
УДК 621.43: 622.753.1
Д.В Цыганков, А.М. Мирошников, Э.Г. Винограй
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К СНИЖЕНИЮ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОКСИГЕНАТНЫХ БЕНЗИНОВ
Основным направлением для улучшения эксплуатационных и экологических свойств автомобильных бензинов в настоящее время является использование многофункциональных присадок и добавок [3,4]. После законодательного запрещения использования тетроэтилсвинца в ведущих странах мира, а также в России на первое место вышли оксигенаты - кислородосодержащие вещества, включающие спирты, эфиры, альдегиды и другие соединения. В США и ЕС приняты законы об обязательном содержании в бензине оксигенатов в количестве не менее 2% массовых долей в пересчете на кислород. Российский ГОСТ Р 51866 -2002 «Бензин неэтилирован-
ный» соответствует европейской нормали ЕН 228 - 99 и предусматривает добавку оксигенатов в количестве до 2,7%. Использование бензинов с оксигенатами даёт снижение токсичности отработавших газов по СО, СН от 10 до 50%.
На предприятиях Кузбасского региона производятся в виде полезных продуктов и отходов ряд химических соединений, которые могут быть использованы в составе топливных присадок [8]. Это оксигенаты: спирты индивидуальные
или в виде технических фракций, эфиры, амины, ароматики, а также соединения со смешанными функциями. В настоящей работе для всестороннего исследования возможностей создания экологичного моторного топлива на основе регионального сырья использован методологический алгоритм системного подхода, разработанный Э.Г. Винограем [1,2]. Концепция системного подхода, развиваемая им в указанных работах,
исходит из понимания системы как организованного целого, обеспечивающего разрешение актуальных противоречий (проблем) в заданных условиях среды. Разрешение актуальных проблем рассматривается как главная характеристика системы, определяющая способ и последовательность исследования или проектирования всех других системных характеристик сложного объекта: функций (дисфункций), т.е. свойств, способствующих или препятствующих разрешению проблемы в данных условиях среды, динамики (способов действия системы), структуры организационного механизма взаимосвязывающего и фокусирующего все характеристики системы на разрешении актуальной проблемы.
Методологический аппарат системного подхода позволяет изучить сложные, труднострук-турируемые объекты не поддающиеся исследованию известными математическими методами. Системный подход, основу которого составляют качественные методы, является для сложных объектов качественным аналогом математики. Он ориентирован на достижение строгости, точности, алго-ритмизированности, т.е. является по сути конструктивной качественной математикой, актуальной в среде сложных (сверхсложных) объектов и проблем, где обычная количественная математика неадекватна или вообще неприменима. К особенностям системного подхода относится междисциплинарность рассматриваемых проблем, соединение рациональноаналитических технологий с опытом и интуицией экспертов, многоальтернативность подходов к решению проблемы с ори-
ентацией на взаимнодополняю-щее комплексирование альтернатив, учет факторов неопреде-лённости и риска при решении проблем, ориентация на выбор оптимальных решений.
Была избрана проблема, требующая незамедлительного решения, и система, способствующая её решению. Актуальной проблемой в нашем случае является проблема загрязнения окружающей среды нашего региона наиболее значительной группой автомобилей - автомобилями с бензиновыми двигателями. В качестве системы, способствующей решению проблемы, был выбран улучшенный оксигенатными добавками автомобильный бензин.
Алгоритм исследования указанной проблемы состоит из 8-ми последовательных этапов.
1. Фиксация противоречий, актуальных для познания, проектирования и управления.
Данный этап - ключевой в развёртывании системного исследования, так как актуальное противоречие (проблема) выступает в качестве системоформирующего и системодвижущего фактора.
Избранная нами актуальная проблема имеет сложную структуру, образуемую множеством взаимодействующих сторон:
а) загрязнения окружающей среды отработавшими газами автомобилей;
б) загрязнения окружающей среды связанные с различного рода утечками бензина;
в) актуальность утилизации вредных отходов предприятий региона;
г) гибель и травматизм людей при эксплуатации автотранспорта.
Таким образом, актуальная проблема суммируется в создании композиции улучшенного бензина с включением отходов и продуктов химических предприятий, который позволяет снизить вредные выбросы при улучшении или сохранении эксплуатационных характеристик автомобиля.
2. Для разрешения актуальной проблемы обозначим цель и критерии оценки её достижения.
Цель - снизить вредное воздействие автомобилей с бензиновыми двигателями на окружающую среду в городе.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
а) изучить возможные причины возникновения загрязнений;
б) определить пути снижения загрязнений.
Возможные пути снижения загрязнений:
• совершенствование существующих конструкций автомобилей и двигателей;
• использование чистых
высокооктановых бензинов,
получаемых различными деструктивными методами, как правило, на нефтеперерабатывающих заводах;
• использование бензинов улучшенных при помощи различных присадок и добавок.
Из вышеперечисленных путей снижения загрязнений доступно и эффективно использование бензинов улучшенных при помощи различных присадок и добавок. В этом случае необходимо решить следующие задачи: выбор марки бензина для улучшения и разработки вида добавки для его улучшения; разработка наиболее рациональных оксигенатных соединений обладающих максимальным эффектом и технологию получения улучшенного бензина; разработать и утвердить техническую документацию; организовать выпуск опытной партии улучшенного бензина; подтвердить эффективность полученных компози-
ций на стендовых и натурных испытаниях.
Общим критерием оценки достижения цели служит степень улучшения рабочего процесса двигателя, которая выражается с одной стороны улучшением физико-химических свойств бензина (теплотворной способности, фракционного состава, октановых чисел, сохраняемости и д.р.), а с другой снижением токсичности отработавших газов и улучшением тягово-скоростных свойств автомобиля. Последнее качество в эксплуатации проявляется
улучшением динамичности, т.е. способностью автомобиля к быстрому увеличению скорости. Это важное свойство относится к элементам активной безопасности, т.к. позволяет снизить частоту столкновений автомобилей и как следствие ДТП. В результате сокращается гибель и травматизм людей и животных, что в целом снижает вредное влияние на окружающую среду [3]. На данном этапе важно чтобы улучшение одних свойств не приводило к ухудшению других.
3. Исследование актуальной среды проектируемой системы.
Актуальной средой для улучшенного бензина, представляющего собой сочетание товарного углеводорода (бензи-
на) и оксигенатной добавки, является совокупность внешних и внутренних факторов, оказывающих системоформирующее действие. На рис. 1приведены наиболее значимые факторы актуальной среды:
• Региональный потребитель. В лице городской администрации проводит определенную региональную политику, имеет спрос и предпочтения, считает Кузбасс зоной экологического бедствия и поддерживает заинтересованность субъектов по снижению нагрузки на окружающую среду;
• Потребитель в лице автовладельцев. Имеет собственные предпочтения и хочет иметь качественный бензин по приемлемой цене. Он определяет спрос на продукцию. Он и члены его семьи живут в условиях загрязнения окружающей среды автомобильным транспортом;
• Производитель (он может быть и разработчиком). Определяет выбор сырья и технологии производства, характер выпускаемой продукции и, как следствие, ее качество и себестоимость. В качестве производителя могут выступать как крупные химические предприятия, так и вновь образуемые малые предприятия, которые используют сырьё крупных производителей;
• Рынок. Определяет ме-
сто разработанного улучшенного бензина с оксигенатными добавками среди аналогичных разработок, цену на разработку и способы продвижения нового топлива, а также методы по стимулированию продаж.
Улучшенный бензин также оказывает обратное влияние на рынок, так как способствует расширению потребительских предпочтений;
• Государство. С одной стороны, определяет политику в области промышленно - транспортной экологии, оказывает директивную роль (Закон о запрете использования этилированного бензина, нормирование бензинов с оксигенатными добавками ГОСТ Р 51866 - 2002 «Бензин неэтилированный»), а с другой выполняет контролирующую функцию как в отношении качества бензина, так и в плане контроля токсичности отработавших газов автомобилей.
Представленные на рис. 1 факторы актуальной среды одинаковы для всех стадий жизненного цикла улучшенного бензина, различается лишь степень их влияния на различных стадиях.
4. Определение функций и дисфункций системы.
Функции системы - это её свойства, обеспечивающие достижение цели в заданных условиях среды. Функциональные свойства для выбранной нами системы: увеличение октановых чисел и коэффициента распределения детонационной стойкости (КРДС); рационально подобранные оксигенаты в композициях, что обеспечивает снижение токсичности отработавших газов; конкурентоспособность бензиновых композиций.
Соответственно дисфункции (факторы, препятствующие достижению цели)- невыполнение этих условий. Например, снижение физико-химических
свойств, таких как октановые числа и КРДС переведут бензиновые композиции в разряд не-
востребованных даже при снижении токсичности отработавших газов. С другой стороны, при возможно высоких октановых числах и КРДС увеличение токсичности отработавших газов и снижение тяговоскоростных качеств автомобилей приведет к отсутствию полезного эффекта. Невостребо-ваннсть бензиновых композиций на рынке сведет на нет все усилия его разработчиков и производителей. К дисфункции также относится неправильное хранение бензина на неподготовленных АЗС, где нет удаления механической влаги из ёмкостей. В этом случае возможен переход водорастворимых оксигенатов (например С1) в воду и при её сливе в окружающую среду.
5. Проектирование или исследование конструкции или организационной структуры (элементы состава и соотношения между ними), которая способна обеспечить необходимые действия.
Главные звенья системы -оксигенатная добавка и сам товарный бензин. Улучшенный бензин можно представить в виде формулы
УБ = ТБ+ОД, где УБ - улучшенный бензин; ТБ - товарный бензин; ОД -оксигенатная добавка.
В системе характеристики должны быть сфокусированы на достижении функциональных
результатов, обеспечивающих разрешения актуального противоречия. В нашем случае - это состав улучшенного бензина, нацеленный на снижение загрязнений окружающей среды.
Разработаны две оксигенат-ные добавки на основе продукции и отходов химических предприятий г. Кемерова. Основой первой добавки является метанол (С1), второй - этанол (С2). Как известно из литературных источников [4, 5] и на основании проведённых испытаний [7] выявлено значительное снижение токсичности отработавших газов, особенно по СО при использовании данных спиртов. Количество С1 и С2 в бензиновых композициях подбиралось исходя из минимума содержания СО. При использовании только этих спиртов в составах композиций возможно расслоение их с бензинами, особенно при наличии воды. Для стабилизации композиций использовались высокомолекулярный спирт С5, содержание которого также подбиралось по минимуму СО. Для усиления полезного эффекта в обе композиции добавляется эфир С3 в небольших концентрациях, он выступает как активизатор горения и способствует более полному сгоранию углеводородов. По каждой композиции при стендовых испытаниях выявлено прирост октановых чисел и улучшение тягово-скоростных
Улучшенный бензин
Коррекция состава бензина і
Улучшение рабочего процесса
Улучшение Снижение токсичности
тягово-скоростных отработавших
свойств автомобиля газов
X ^
Снижение вредного воздействия от бензинового автотранспорта на окружающую среду
Рис. 2. Способ действия системы
свойств [6]. Спирты имеют достаточно низкую температуру кипения и высокие октановые числа, в силу чего в композициях повышается коэффициент распределения детонационной стойкости (КРДС). Легкие
фракции товарного бензина имеют детонационную стойкость ниже, чем тяжелые, причем, чем выше октановое число бензина, тем больше эта разница. В момент резкого ускорения в цилиндры попадают в первый момент именно легкие фракции с низкими октановыми числами, в результате двигатель в эти моменты работает с детонацией. Благодаря высокому КРДС в композициях наилучший результат может быть получен в высокооктановых бензинах.
Полученные композиции и их процентное содержание по объёму в товарном бензине следующие С3:С1:С5=1:3:4 и С3:С2:С5=1:5:4
6. Выявление способов действия системы, обеспечивающих способность к разрешению актуальной проблемы.
Способ действия улучшенного бензина представлен на рис. 2.
7. Проектирование и ис-
следование организационного механизма, придающего
функциональную ориентированность конструкции и динамике системы.
Организационный механизм для выбранной нами системы представлен на рис. 3. Его элементы:
• государство, определяющее политику в области промышленно-транспортной экологии и формирующее стимулы улучшения бензинов оксигенат-ными добавками через законодательную и нормативную базу;
• городская администрация, определяющая региональную политику в отношении экологического состояния региона;
• контролирующие организации, осуществляющие контроль качества бензина и токсичности отработавших газов
автомобилей;
• производители бензина, разрабатывающие улучшенный бензин с учетом потребительских предпочтений и обеспечивающие их промышленный выпуск;
• рынок и его механизмы продвижения улучшенных бензинов до потребителей;
• средства массовой информации, способствующие доведению разъясняющей и рекомендательной информации до потребителя;
• система образования,
обеспечивающая решение вопросов просвещения населения в области промышленно-
транспортной экологии.
8. Интегрированное отображение комплекса система-среда и его анализ с метаси-стемных позиций (сопоставительный анализ с родственными, альтернативными, в особенности конкурирующими системами).
Интегрированное отобра-
жение в условиях влияния факторов актуальной среды на изучаемую нами систему представ-
лено на рис.1.
Альтернативными системами для улучшенного оксигенат-ными добавками бензина являются следующие.
• Получение высокооктанового бензина различными деструктивными способами без использования присадок и добавок (крекинг процессы, реформинг, платформинг и др.). Для бензинов с октановым числом выше АИ-80 этот способ становится более дорогостоящим по сравнению с присадками и добавками.
• Использование алкил-свинцовых антидетонаторов. Используются присадки на основе тетраэтилсвинца (ТЭС) и тетраметилсвинца (ТМС). На сегодняшний день эти присадки дают максимальную эффективность при минимальной цене, однако соединения свинца, попадая с отработавшими газами в атмосферу, наносят невосполнимый ущерб окружающей среде. Кроме того, они разрушают каталитические нейтрализаторы выхлопных газов. Поэтому применение этилированных
Изучены связи: сырье ------» технология производства —».качество —»
предпочтения потребителей --------* пена --------------------------^
......................... I
Рис. 3. Организационный механизм функционирования и динамики системы
бензинов в России с 2000 г. было запрещено.
• Использование антидетонаторов на основе аминов. Антидетонационный эффект аминосоединений проявляется при больших в сравнении с ТЭС концентрациями их в бензинах. Существенный недостаток -ограниченная растворимость в бензине, способность к образованию осадков и окрашенных соединений. Ресурсы аминов в регионе меньше, чем оксигенатов.
• Использование марганцевых антидетонаторов. Имеют токсичность примерно в 300 раз ниже, чем ТЭС. Хорошо растворимы в бензине и практически нерастворимы в воде. При низких температурах из бензиновых растворов не выпадают. Эффективность примерно одинакова с ТЭС, увеличивается полнота сгорания бензинов и снижается токсичность отработавших газов. Общий износ и коррозия деталей не изменяются. Нагар в двигателе, хотя и незначительный, вызывает перебой в работе свечей зажигания за счет утечки тока по поверхности изолятора свечи и образования токопроводящих нитей между электродами свечи.
• Использование антиде-
тонаторов на основе соединений железа. Высокими антидетона-ционными свойствами обладает пентакарбонилжелезо (ПКЖ).
Эффективность на 15 - 20% ниже, чем ТЭС. При сгорании ПКЖ образуется окись железа, отлагающаяся в камере сгорания в виде легкоподвижного осадка с высокими абразивными свойствами.
• Использование присадок на основе марганца и железа экономически выгоднее, чем применение добавок на основе аминов [5].
Выбранная нами система -улучшенный автомобильный бензин - могла бы внести существенный вклад в решение проблемы снижения загрязнения окружающей среды города по СО и СН, что подтверждается при контроле токсичности отработавших газов по ГОСТ 17.2.2.03 - 87 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений содержания окиси углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями».
Кроме того, использование улучшенного бензина с оксиге-натными добавками имеет ряд преимуществ по сравнению с другими альтернативными системами: окигенатные добавки экономически более эффектив-
ны по сравнению с другими способами улучшения качества бензина, так как себестоимость готового продукта практически не изменяется; расходуется до 10% меньше нефтяного топлива, вместо него используют оксигенаты в том числе и возобновляемые как например этанол или сивушнее масло; прекращается сжигание побочных продуктов и отходов химических предприятий, которые могут быть использованы в качестве сырья для производства композиций и, как следствие, некоторое снижение экологической напряженности региона; создание дополнительных рабочих мест на предприятиях химической промышленности города, а также в рамках малого бизнеса.
Практическим результатом системного подхода является создание композиции экологически более безопасного бензина, а также организационной структурой его производства и реализации с привлечением крупных и мелких предприятий, что позволило получить и успешно реализовать несколько опытно-промышленных партий оксигенатного бензина.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Винограй Э.Г. Общая теория организации и системно-организационный подход. - Томск: Изд. ТГУ, 1989. -236 с.
2. Винограй Э.Г. Основы общей теории систем. - Кемерово: КемТИПП, 1993.- 339с.
3. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная экология: Учеб. для вузов / Под ред. В.Н. Лу-канина. - М.: Высш. шк., 2001. - 273с.
4. Сафонов А.С., Ушаков А.И., Чечкенёв И.В. Автомобильные топлива. - СПб. 2002. - 264 с.
5. Масленников Р.Р. Эксплуатационные материалы. - Кемерово, 2002. - 215с.
6. Цыганков Д.В., Мирошников А.М., Масленников Р.Р., Кудреватых А.В. Использование регулировочных характеристик для количественной оценки детонационной стойкости бензинов. Вестн. КузГТУ, 2002, №2, с. 74-76.
7. Цыганков Д.В., Мирошников А.М., Тишков Н.С., ПитенёвЕ.В. Оксигенатные присадки к топливу на основе регионального сырья. Вестн. КузГТУ, 2004, №3, с. 93-94.
8. Мирошников А.М., Цыганков Д.В., Салищев А.В. Разработка, испытание и внедрение компонентов нефтяного топлива с улучшенными эксплуатационными и экологическими характеристиками. Кузбасская торговопромышленная палата. Инновации и изобретения года. Материалы регионального конкурса. - Кемерово 2004, с. 35.
□ Авторы статьи:
Цыганков Дмитрий Владимирович
- ассистент каф. «Эксплуатация автомобилей»
Мирошников Александр Михайлович
- докт. техн. наук, профессор, зав. каф. «Органическая химия» КемТИПП
Винограй Эмиль Григорьевич
- докт. филос. наук, профессор, зав. каф. «Философия и политология» КемТИПП
УДК 621.43: 622.753.1
Системный подход к снижению вредных выбросов автомобильным транспортом при использовании оксигенат-ных бензинов / Цыганков Д.В, Мирошников А.М., Винограй Э.Г. // Вестн. КузГТУ. 2005. №___________с.______
Предложено использование методологического системного подхода для решения проблемы загрязнения окружающей среды города Кемерова автомобильным транспортом. Разработан алгоритм исследования проблемы, практическим результатом которого является создание композиции экологически более безопасного бензина, а также организационной структурой его производства и реализации с привлечением крупных и мелких предприятий.
Илл. 3 . Библиогр.8 назв.
