CC BY
41
- © К.С. Голохваст, В.В. Чернышев,
П.А. Никифоров, В.В. Чайка, С.М. Угай, А.И. Агошков, 2014
УДК 549.67:61(042)
К.С. Голохваст, В.В. Чернышев, П.А. Никифоров, В.В. Чайка, С.М. Угай, А.И. Агошков
ВЛИЯНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ НА ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ТВЕРДЫХ МИКРОЧАСТИЦ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ *
Продемонстрировано влияние объема двигателя, года выпуска автомобиля и типа топлива на гранулометрический состав взвесей твердых частиц выхлопных газов легковых автомобилей. Продемонстрировано, что в исследованной группе машин N = 21) объем двигателя и тип топлива практически не влияют на гранулометрический состав частиц. Показано, что практически новые автомобили (с пробегом до 400 км) чаше являются источником частиц со средним диаметром около 10 мкм и меньше.
Ключевые слова: взвеси, микрочастицы, выхлопные газы, лазерная гранулометрия.
Вклад автомобильных выхлопов в экологическое загрязнение атмосферы города является самым выраженным и постоянно нарастающем [Рапута и др., 2010; Amato et al., 2011; Kam et al., 2012; Linden et al., 2012; Mathissen et al., 2012].
С точки зрения экологии, среди компонентов выхлопных газов самыми прогностически опасными являются твердые микрочастицы сажи, металлосодержащие частицы, угарный газ, оксиды серы и углеродные наноматериалы [Spada et al., 2012; Tanaka et al., 2012; Wang, Pui, 2013].
Данная работа продолжает серию работ по исследованию характеристик твердых частиц в выхлопных газах автомобилей [Голохваст и др., 2012, 2013] и показывает применение новейшего метода изучения — лазерной гранулометрии.
* Работа выполнена при поддержке Научного фонда ДВФУ, Государственного Задания МОН РФ и Гранта Президента для молодых ученых МК-1547.2013.5.
Материалы и методы
Для проведения экспериментов, согласно классификациям ОН 025270-66 [Порватов, Кристальный. 2010] и Классификации Европейской экономической комиссии, нами были выбраны наиболее значимые с точки зрения экологии (по выбросам) и широко представленные в городской среде типы автомобилей (табл. 1).
Таблица 1
Легковые автомобили, взятые в эксперимент
Код, год Рабочий объем Тип топлива Пробег, км
выпуска двигателя, л
Машины с объемом до 2 л
1 КР 2013 1.0 бензин менее 400
2 ТСа 2001 1.3 бензин 120 000
3 ТСС 1996 1,3 бензин 185000
4 Т1 2003 1,5 бензин 80000
5 ТСо 1995 1.5 бензин 280 000
6 ТУ 2006 1.6 бензин 166 000
7 ШР 2013 1.6 бензин менее 400
8 N8 1993 1.7 дизель 276 000
Машины с объемом от 2 до 3 л
9 ШТ1 2013 2.0 бензин менее 400
10 ША 2013 2.0 дизель (турбо) менее 400
11 ББ 2002 2.0 бензин 137 000
12 ББ 2002+ 2.0 бензин/газ 137 000
13 КМи 2013 2.0 дизель менее 400
14 КБ 2013 2.4 бензин менее 400
15 ТБ 2004 2.7 бензин 125 000
Машины с объемом более 3 л
16 КМ 2013 3.0 дизель (турбо) менее 400
17 18 1997 3.1 дизель 150 000
18 ШТ 2013 3.6 бензин 61 000
19 ТБСР 2010 4.0 бензин 61 000
20 ТБС 2004 4.7 бензин 118 000
21 ^ 2005 5,6 бензин 83000
Автомобили 2013 года были любезно предоставлены одним из автосалонов (Приморский край), а автомобили с большим пробегом (более 100 000 км) - авторами и их коллегами. Автомобили заправлялись бензином и дизельным то-
пливом одной марки на заправочной станции одной и той же нефтяной компании. Целью данной работы было показать применение нового метода для решения экологической задачи, поэтому в эксперимент брались машины, которые реально передвигаются по улицам города, а не стендовые двигатели. Все замеры проводились на холостом ходу. Также мы пока не ставили перед собой цель дополнительно исследовать химический состав моторного масла и топлива автомобилей.
В качестве объекта исследования нами была выбрана суспензия выхлопных газов (методика проведения замеров описана здесь [Голохваст и др., 2013]). Ранее было показано, что вода нейтрализует выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, эффективно поглощая твердые частицы [Яковлев, 2004; Семикин, 2008; Строков, Кондратенко, 2010; Курников, Мизгирев, 2011].
По окончании замеров емкость с дистиллированной водой, через которую пропускались выхлопные газы, герметично закрывалась крышкой и далее направлялась в лабораторию. Здесь стерильным пластиковым шприцем из емкости, после ресуспендирования, отбиралась проба объемом 60 мл, которая затем исследовалась на лазерном анализаторе частиц Analysette 22 NanoTech (фирма Fritsch). Измерения проводились в режиме nanotec с установками carbon/water 20 оС с тремя повторами.
Результаты и обсуждение
Морфометрические параметры твердых частиц в суспензии выхлопного газа определялись с помощью лазерной гранулометрии и представлены в табл. 2.
Как можно видеть из табл. 1, автомобили, которые являются источником частиц взвесей с наиболее опасным показателям — размером около 10 мкм (выделено черным в таблице), имеют в четырех случаях из пяти пробег менее 400 км Также два максимальных значения площади удельной поверхности частиц (19195,78 и 20568,69 см2/см3) относятся в автомобилям с пробегом менее 400 км.
Для большей наглядности на рис. 1 и 2 приведены типовые гистограммы размеров частиц и их доли в выхлопах автомобилей 2013 года выпуска, работающего на бензине.
Таблица 2
Морфометрические параметры частиц взвеси, содержащихся в СВГ *
Код, год Морфометрические параметры
выпуска Средний Мода, Медиа- Отклоне- Среднеквадра- Коэффици- Удельная пло-
арифмети- мкм на, мкм ние, МКМ1 тичное отклоне- ент отклоне- щадь поверхно-
ческии диа- ние, мкм ния, % сти, см2/см3
метр, мкм
Машины с объемом до 2 л
КР 2013 845,24 1003,38 930,31 45050,43 212,25 25,11 217,87
ТСа 2001 12,28 12,56 12,31 3,17 1,78 14,5 5018,31
ТСС 1996 397,85 151,0 160,22 127806,4 357,5 89,86 288,64
Т1 2003 20,84 20,35 20,77 2,08 1,44 6,93 2892,76
ТСо 1995 27,07 7,75 8,84 584,51 24,17 89,29 5023,83
ТУ 2006 863,73 1003,38 949,46 56099,7 236,85 27,42 161,83
\Л/Р 2013 9,07 11,66 11,17 20,39 4,51 49,76 20568,69
ИВ 1993 44,36 25,43 26,31 1428,25 37,79 85,19 4033,73
Машины с объемом от 2 до 3 л
\ЛГП 2013 12,65 15,12 14,87 27,25 5,22 41,25 19195,78
\Л/А 2013 334,7 495,62 440,22 55349,11 235,26 70,29 1898,01
БЕ 2002 557,97 554,0 554,89 4419,92 66,48 11,91 109,06
БЕ 2002+ 25,79 14,04 14,19 1300,1 36,06 139,8 3913,61
КМи2013 21,07 21,92 22,0 22,95 4,79 22,73 3496,08
КБ 2013 102,08 96,78 99,27 747,05 27,33 26,77 631,69
ТБ 2004 867,72 1003,38 966,06 83884,92 289,63 33,38 360,66
Окончание табл. 2
Код, год Морфометрические параметры
выпуска Средний арифметический диаметр, мкм Мода, мкм Медиана, мкм Отклонение, МКМ1 Среднеквадратичное отклонение, мкм Коэффициент отклонения, % Удельная площадь поверхности, см2/см3
Машины с объемом более 3 л
КМ 2013 13,44 13,04 13,38 1,66 1,29 9,59 4506,3
1В 1997 394,59 396,65 385,59 9804,04 99,01 25,09 162,07
Ш 2013 11,18 10,83 11,15 0,76 0,87 7,78 5397,07
ТЬСР 2010 964,91 1003,38 972,41 1652,31 40,65 4,21 62,2
ТЬС 2004 49,85 42,76 43,88 924,95 30,41 61,0 1402,6
10 2005 867,76 1003,38 919,08 30375,19 174,28 20,08 74,67
Примечание. Черным цветом выделены опасные с точки зрения здоровья человека морфометрические показатели частиц, серым — потенциально опасные.
11111 Я!!
Ала Л АН 0.1 05 1 5 10 к 100 500 1000
Рис. 1. Гистограмма размеров частиц и их доли в типовой пробе выхлопа автомобиля ШР 2013 (бензин, объем 1,6 литра). По оси ординат - количество частиц с данным размером, по оси абсцисс -размер частиц от 0,01 до 2000 мкм
Рис. 2. Гистограмма размеров частиц и их доли в типовой пробе выхлопа автомобиля ШТ1 2013 (бензин, объем 2,0 литра). По оси ординат - количество частиц с данным размером, по оси абсцисс -размер частиц от 0,01 до 2000 мкм
Остальные автомобили без пробега (выпуска 2013 г.), судя по полученным результатам, за редким исключением (см. табл. 1), являются источником выброса относительно опасных размерных фракций (от 10 до 50 мкм). И лишь три автомобиля без пробега действительно выбрасывают с выхлопными газами в окружающею среду частицы более 100 мкм
Как показали исследования, взятых в эксперимент 21 автомобиля, тип топлива не оказывает серьезно влияния на гранулометрическую картину частиц (рис. 3 и 4), хотя стоит отметить, что в целом, бензиновые двигатели производят более крупнодисперсные фракции.
Так же стоит отметить, легковые автомобили являются источником хорошо дифференцируемых и повторяющихся размерных фракций частиц. Можно выделить три основных размерных класса твердых частиц выхлопов:
1) 0,1-5 мкм — частицы мелкодисперсной сажи и ме-таллосодержащие агрегаты (первые маленькие пики на рис. 1 и 2).
Рис. 3. Гистограмма размеров частиц и их доли в типовой пробе выхлопа автомобиля ША 2013 (дизель (турбо), объем 2,0 литра). По оси ординат - количество частиц с данным размером, по оси абсцисс - размер частиц от 0,01 до 2000 мкм
J
itíii п £K a l И г. in м |и гш innn ?ппо
fr-l
Рис. 4. Гистограмма размеров частиц и их доли в типовой пробе выхлопа автомобиля TLCP 2010 (бензин, объем 4,0 литра). По оси ординат - количество частиц с данным размером, по оси абсцисс -размер частиц от 0,01 до 2000 мкм
2) 10-30 мкм - частицы сажи, которые, предположительно, могут относиться к продуктам непосредственного сгорания топлива (самый большой пик на рис. 1 и 2, средний пик на рис. 3);
3) 400-1000 мкм - крупные сажевые частицы, которые, скорее всего, являются продуктами накопления недогоревших частиц (например, образуются при запуске двигателя в выхлопной системе), которые при достижении определенных размеров отрываются от поверхности (самый большой пик на рис. 3 и 4).
Заключение
Проведенный анализ суспензии выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания методом лазерной гранулометрии позволяет дать экологическую оценку твердых частиц по степени влияния на здоровья человека. Так, широко известно, что наибольшей опасностью обладают частицы выхлопов с диаметром менее 10 мкм [БЬуе^уа е! а1., 2013; Уапаша1а е! а1., 2013]. Мы обнаружили частицы со среднеарифметическим диаметром около 10 мкм в СВГ 20 % изученных автомобилей (5 из 21). Кроме этого еще 4 машины выбрасывали в выхлопных газах
частицы со средним размером 20 мкм, которые можно отнести к потенциально опасным для здоровья человека. Это, несомненно, позволяет отнести бензиновые и дизельные автомобили, причем как новые, так и с пробегом, к источникам выброса в атмосферу опасных размерных фракций.
В качестве интересных наблюдений также стоит отметить, что лазерная гранулометрия позволила еще раз подтвердить тот факт [Голохваст и др., 2013], что не только машины с большим пробегом, ввиду износа деталей, являются большим источником микродисперсных частиц и металлов в атмосферу. Как было показано, новые автомобили (без пробега) являются источником не меньшего, а иногда и большего количества потенциально опасных для здоровья микрочастиц.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Голохваст К.С., Чернышев В.В., Никифоров П.А., Автомонов Е.Г., Глушенко Д.А., Паничев А.М., Гульков А.Н. Экологическое значение гранулометрического метода исследования взвесей в выхлопном газе легковых автомобилей // Известия Самарского НЦ РАН, 2012. Т.14, № 1 (9). С. 24052408.
2. Голохваст К.С., Христофорова Н.К., Чернышев В.В., Никифоров П.А., Чайка В.В., Автомонов Е.Г., Романова Т.Ю., Карабцов А.А. Состав суспензии выхлопных газов автомобилей // Проблемы региональной экологии, 2013. №6. С. 95-101.
3. Курников А.С., Мизгирев Д.С. Вопросы проектирования систем газоочистки для судов комплексной переработки отходов // Журнал университета водных коммуникаций. 2011. № 1. С. 131-135.
4. Порватов И.Н., Кристальный С.Р. Классификация и маркировка автомобилей. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Основы конструкции автомобилей». — Москва: МАДИ, 2010. 50 с.
5. Рапута В.Ф., Коковкин В.В., Морозов С.В. Экспериментальное исследование и численный анализ процессов распространения загрязнения снегового покрова в окрестностях крупной автомагистрали // Химия в интересах устойчивого развития, 2010. №1. С. 63-70.
6. Семикин В.М. Анализ области применения жидкостной нейтрализации отработавших газов дизелей // Автомобильный транспорт, 2008. №22. С. 128-130.
7. Строков А.П., Кондратенко А.Н. Современные методы очистки отработавших газов дизелей от твердых частиц // Двигатели внутреннего сгорания, 2010. № 2. С. 99-104.
8. Яковлев В.В. Снижение содержания твердых частиц в отработавших газах дизеля: дисс... канд. техн. наук. Барнаул, 2004. 148 с.
9. Amato F., Pandolfi M., Moreno T. et al. Sources and variability of inhal-able road dust particles in three European cities // Atmospheric Environment. 2011. Vol. 45, № 37. P. 6777-6787.
10.Kam W., Liacos J.W., Schauer J.J., Delfino R.J., Sioutas C. Size-segregated composition of particulate matter (PM) in major roadways and surface streets // Atmospheric Environment, 2012. Vol. 55. P. 90-97. a)
11. Lindnn J., Boman J., Holmer B., Thorsson S., Eliasson I. Intra-urban air pollution in a rapidly growing Sahelian city // Environment International, 2012. Vol. 40, Issue 1. P. 51-62.
12.Mathissen M., Scheer V., Kirchner U., Vogt R., Benter T. Non-exhaust PM emission measurements of a light duty vehicle with a mobile trailer // Atmospheric Environment, 2012. Vol. 59. P. 232-242.
13. Shvedova A.A., Yanamala N., Murray A.R. et al. Oxidative stress, inflammatory biomarkers, and toxicity in mouse lung and liver after inhalation exposure to 100 % biodiesel or petroleum diesel emissions // Journal of Toxicology and Environmental Health — Part A: Current Issues, 2013. Vol. 76 (15). P. 907 — 921.
14. Spada N., Bozlaker A., Chellam S. Multi-elemental characterization of tunnel and road dusts in Houston, Texas using dynamic reaction cell-quadrupole-inductively coupled plasma-mass spectrometry: Evidence for the release of platinum group and anthropogenic metals from motor vehicles // Analytica Chimica Acta, 2012. Vol. 735. P. 1-8.
15. Tanaka K., Berntsen T., Fuglestvedt J.S., Rypdal K. Climate Effects of Emission Standards: The Case for Gasoline and Diesel Cars // Environmental Science & Technology, 2012. Vol. 46 (9). P. 5205-5213.
16. Yanamala N., Hatfield M.K., Farcas M.T., et al. Biodiesel versus diesel exposure: Enhanced pulmonary inflammation, oxidative stress, and differential morphological changes in the mouse lung // Toxicology and Applied Pharmacology, 2013. Vol. 272 (2). P. 373 — 383 S233
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Голохваст Кирилл Сергеевич — кандидат биологических наук, Дальневосточный федеральный университет, старший научный сотрудник, доцент, директор НОЦ по направлению нанотехнологии, Инженерная школа, droopy@mai1.ru,
Чернышев Валерий Валерьевич — аспирант, Дальневосточный федеральный университет, аспирант, Инженерная школа, chvv@шai1.ru, Никифоров Павел Александрович — кандидат технических наук, Дальневосточный федеральный университет, доцент, Инженерная школа, nikiforovpa@шai1.ru,
Чайка Владимир Викторович — кандидат биологических наук, Дальневосточный федеральный университет, доцент, Инженерная школа, vovka-pohta1ion@mai1.ru,
Угай Сергей Максимович — кандидат технических наук, Дальневосточный федеральный университет, доцент, Инженерная школа, usm64@mai1.ru, Агошков Александр Иванович — доктор технических наук, профессор, Дальневосточный федеральный университет, заведующий кафедрой, Инженерная школа, bqdtsdvfu@mai1.ru.
INFLUENCE OF TECHNICAL CHARACTERISTICS OF THE ENGINE ON GRANULOMETRIC STRUCTURE OF SOLID MICROPARTICLES OF EXHAUST GASES OF CARS
Golokhvast K.S., Candidate of Biological Sciences, Delnevo-waste Federal University, senior researcher, associate Professor, di-rector of the REC in the direction of nanotechnology, Engineering school, droopy@mail.ru,
Chernyshev V.V., Student of the far Eastern Federal University, graduate school of Engineering, chvv@mail.ru,
Nikiforov P.A., Candidate of Technical Sciences, Delnevo-waste Federal University, associate Professor, school of Engineering, nikiforovpa@mail.ru,
Chaika V.V., Candidate of Biological Sciences, Delnevo-Federal waste University, associate Professor, school of Engineering, vovka-pohtalion@mail.ru,
Ugay S.M., Candidate of Technical Sciences, far Eastern Federal University, associate Professor, school of Engineering, usm64@mail.ru,
Agoshkov A.I., Doctor of Technical Sciences, Professor, far Eastern Federal University, head of Department, Engineer-stock school, bgdtsdvfu@mail.ru.
Influence of engine displacement, year of release of the car and fuel type on granu-lometric structure of suspensions of firm particles of exhaust gases of cars is shown. It is shown that in the studied group of cars (N=21) the engine displacement and fuel type practically don't influence granulometric structure of particles. It is shown that almost new cars (with run to 400 km) more often are a source of particles with an average diameter about 10 microns and less.
Key words: suspensions, microparticles, exhaust gases, laser granulometry.
REFERENCES
1. Golohvast K.S., Chernyshev V.V., Nikiforov P.A., Avtomonov E.G., Glushenko D.A., Panichev A.M., Gul'kov A.N. Jekologicheskoe znachenie granu-lometricheskogo metoda issledovanija vzvesej v vyhlopnom gaze legkovyh avtomobilej (Ecological value granulometric research method suspension in the exhaust gas cars) // Izvestija Samarskogo NC RAN, 2012. T.14, No 1 (9). pp. 2405-2408.
2. Golohvast K.S., Hristoforova N.K., Chernyshev V.V., Nikiforov P.A., Chajka V.V., Avtomonov E.G., Romanova T.Ju., Karabcov A.A. Sostav suspenzii vyhlopnyh gazov avto-mobilej // Problemy regional'noj jekologii (The composition of suspension exhaust gases // problems of regional ecology/), 2013. No 6. pp. 95-101.
3. Kurnikov A.S., Mizgirev D.S. Voprosy proektirovanija sistem ga-zoochistki dlja su-dov kompleksnoj pererabotki othodov (Designing of systems of gas purification for vessels integrated waste) // Zhurnal universiteta vodnyh kommunikacij. 2011. No 1. pp. 131-135.
4. Porvatov I.N., Kristal'nyj S.R. Klassifikacija i markirovka av-tomobilej. Metodiches-kie ukazanija k prakticheskim zanjatijam po discipline «Osnovy konstrukcii avtomobilej» (Classification and labeling of cars. Methodical instructions to practical studies on discipline "Fundamentals of construction vehicles"). Moscow: MADI, 2010. 50 p.
5. Raputa V.F., Kokovkin V.V., Morozov S.V. Jeksperimental'noe is-sledovanie i chislennyj analiz processov rasprostranenija zagrjaznenija snegovogo pokrova v okrestnost-jah krupnoj avtomagistrali // Himija v inte-resah ustojchivogo razvitija (Experimental study and numerical analysis of processes of distribution of pollution of the snow cover in the vicinity of a major highway. // Chemistry for sustainable development), 2010, No 1, pp. 6370.
6. Semikin V.M. Analiz oblasti primenenija zhidkostnoj nejtraliza-cii otrabotavshih ga-zov dizelej // Avtomobil'nyj transport, (Analysis of the field of applications of liquid neutralization of exhaust gases of diesel engines //Road transport) 2008, No 22, pp. 128-130.
7. Strokov A.P., Kondratenko A.N. Sovremennye metody ochistki ot-rabotavshih ga-zov dizelej ot tverdyh chastic // Dvigateli vnutrennego sgoranija (Modern methods of cleaning of exhaust gases of diesel engines from solid particles // internal combustion Engines), 2010, No 2, pp. 99-104.
8. Jakovlev V.V. Snizhenie soderzhanija tverdyh chastic v otrabotavshih gazah dizelja (The decrease in the content of solid particles in the exhaust gases of the diesel engine): diss... kand. tehn. nauk. Barnaul, 2004. 148 p.
9. Amato F., Pandolfi M., Moreno T. et al. Sources and variability of inhal-able road dust particles in three European cities // Atmospheric Environment. 2011. Vol. 45, № 37. pp. 6777-6787.
10. Kam W., Liacos J.W., Schauer J.J., Delfino R.J., Sioutas C. Size-segregated composition of particulate matter (PM) in major roadways and surface streets // Atmospheric Environment, 2012. Vol. 55. pp. 90-97.
11. Lindnn J., Boman J., Holmer B., Thorsson S., Eliasson I. Intra-urban air pollution in a rapidly growing Sahelian city // Environment International, 2012. Vol. 40, Issue 1. pp.
12. Mathissen M., Scheer V., Kirchner U., Vogt R., Benter T. Non-exhaust PM emission measurements of a light duty vehicle with a mobile trailer // Atmos-pheric Environment, 2012. Vol. 59. pp. 232-242.
13. Shvedova A. A., Yanamala N., Murray A.R. et al. Oxidative stress, inflam-matory biomarkers, and toxicity in mouse lung and liver after inhalation exposure to 100 % biodiesel or petroleum diesel emissions // Journal of Toxicology and Envi-ronmental Health — Part A: Current Issues, 2013. Vol. 76 (15). pp. 907 — 921.
14. Spada N., Bozlaker A., Chellam S. Multi-elemental characterization of tunnel and road dusts in Houston, Texas using dynamic reaction cell-quadrupole-inductively coupled plasma-mass spectrometry: Evidence for the release of plati-num group and anthropogenic metals from motor vehicles // Analytica Chimica Acta, 2012. Vol. 735. pp. 1-8.
15. Tanaka K., Berntsen T., Fuglestvedt J.S., Rypdal K. Climate Effects of Emission Standards: The Case for Gasoline and Diesel Cars // Environmental Science & Technology, 2012. Vol. 46 (9). pp. 5205-5213.
16. Yanamala N., Hatfield M.K., Farcas M.T., et al. Biodiesel versus diesel exposure: Enhanced pulmonary inflammation, oxidative stress, and differential morphological changes in the mouse lung // Toxicology and Applied Pharmacol-ogy, 2013. Vol. 272 (2). pp. 373 — 383
51-62.
