Негативное воздействие на окружающую среду от токсичных выхлопов подразделяются на:
· Экологический – характеризуется нарушениями, возникающими в природных системах. При незначительных отклонениях могут принести неблагоприятные последствия, а при достижении критического уровня происходят необратимые изменения в экосистемах.
· Экономический – выраженные в денежной форме фактические или возможные потери народного хозяйства, обусловленные ухудшением экологической ситуации в результате антропогенной деятельности.
· Социальный – ущерб, наносимый здоровью людей загрязненным воздухом. Этот ущерб ведет к росту заболеваемости людей, сокращению продолжительности их жизни и т.д.
Для того, чтобы регулировать содержание вредных веществ в выхлопных газах автомобиля Европейской экономической комиссией ООН были введены экологические стандарты «Евро»[10].
По данным доклада об экологической ситуации за 2012 год суммарный выброс загрязняющих веществ в атмосферный воздух Санкт-Петербурга от автотранспорта составил 492,3 тыс. т:
Рисунок 1- Диаграмма выбросов вредных веществ в атмосферу на 2014 г.
Таблица 7 - Выбросы вредных веществ от автотранспорта за 2014 г. (тыс.т)
| Всего | Твердые | SO2 | CO | NOx | CHx | ЛОС | |
| Стационарные | 70,5 | 2,1 | 2,6 | 21,1 | 24,5 | 15,0 | 5,0 |
| Передвижные | 442,7 | 0,9 | 2,103 | 356,3 | 37,8 | 1,903 | 42,9 |
| В том числе: автотранспорт | 441,7 | 0,8 | 2,1 | 356,1 | 37,2 | 1,9 | 42,8 |
| ж/д транспорт | 1,0 | 0,1 | 0,003 | 0,2 | 0,6 | 0,003 | 0,1 |
| Всего | 513,2 | 3,0 | 4,703 | 377,4 | 62,3 | 16,903 | 47,9 |
Таблица 8 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух от автотранспорта в 2010-2012 гг., (тыс.т)
| Годы | Всего | Твердые | SO2 | NOx | CH4 | CO | ЛОС |
| 370,3 | 1,2 | 2,2 | 37,5 | 1,6 | 291,8 | 35,2 | |
| 374,8 | 1,0 | 2,4 | 36,2 | 1,7 | 296,6 | 36,6 | |
| 419,3 | 0,7 | 2,0 | 35,3 | 1,8 | 338,2 | 40,6 | |
| 72,3 | 1,9 | 3,2 | 22,4 | 8,6 | 22,4 | 8,3 | |
| 70,5 | 2,1 | 2,6 | 21,1 | 24,5 | 15,0 | 5,0 | |
| Увелич (+), сниж. (-) в 2014 г. По сравнению с 2013 г. | -1,8 | 0,2 | -0,6 | -3,1 | 6,4 | -1,3 | -3,3 |
|
|
Выбросы загрязняющих веществ от стационарных, передвижных (автомобильный и железнодорожный транспорт) источников и суммарные выбросы в Санкт-Петербурге за 2014 год представлены в таблице 1.1.1. Вклад передвижных источников в суммарный выброс загрязняющих веществ в атмосферный воздух составил 86%, твердых веществ - 30%, диоксида серы - 45%, оксида углерода - 94%, оксидов азота (в пересчете на диоксид азота) - 61%, углеводородов - 11%, летучих органических соединений - 90%.
Увеличение количества выбросов токсичных выхлопов является следствием роста парка автотранспортных средств. В таблице приведены данные МВД ГИБДД о количестве автотранспортных средств зарегистрированных в Санкт-Петербурге в 2010, 2011, 2012, 2013, 2014 годах.
Таблица 9 - Количество автотранспортных средств по данным МВД ГИБДД, (тыс. ед.)
| Годы | Легковые автомобили | Грузовые автомобили | Автобусы | Всего |
| 1462,362 | 129,043 | 22,714 | 1617,119 | |
| 1525,967 | 138,967 | 20,965 | 1685,899 | |
| 1537,473 | 201,033 | 22,449 | 1760,955 | |
| 1741,267 | 220,067 | 22,513 | 19082,847 | |
| 1670,794 | 207,975 | 22,054 | 1900,823 | |
| Увелич. (+), сниж. (-) в 2014 г. По сравнению с 2013 г. | -70,473 (4%) | -12,092 (5,5%) | +541 (2,5%) | -82,024 (4%) |
Основной вклад в выбросы загрязняющих веществ в атмосферу внесли легковые автомобили − 50,6% (212,3 тыс. т) и грузовые автомобили – 44,5% (186,4 тыс. т). Наименьший вклад внесли автобусы – 4,9 (20,5 тыс. т).
В таблице 10 указан вклад в выбросы загрязняющих веществ от автотранспорта по типу двигателя.
|
|
Таблица 10 - Вклад в выбросы загрязняющих веществ от автотранспорта по типу двигателя (%)
| Тип автотранспорта | Вид моторного топлива | |
| Бензин | Дизельное топливо | |
| Легковые автомобили | 50,4 | 0,2 |
| Грузовые автомобили | 40,5 | 4,0 |
| Автобусы | 4,7 | 0,2 |
В таблице 11 представлены суммарные выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников и автотранспорта по Санкт-Петербургу за 2012 год
Таблица 11 - Суммарные выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников и автотранспорта (тыс. т)
| Годы | Всего | Твердые | SO2 | CO | NOx | CHx | ЛОС |
| 402,3 | 3,3 | 8,5 | 291,2 | 54,8 | 4,22 | 36,3 | |
| 425,4 | 2,8 | 8,7 | 306,6 | 59,1 | 5,3 | 38,50 | |
| 440,7 | 2,6 | 8,7 | 313,3 | 59,6 | 10,7 | 40,4 | |
| 488,2 | 2,6 | 7,6 | 357,3 | 63,0 | 10,6 | 45,3 | |
| Увелич.(+), сниж.(-) | +47,5 | -0,0 | -1,10 | +44,0 | +3,4 | -0,1 | +4,9 |
Таким образом, по таблице можно сделать вывод, что за 4 года количество монооксида углерода, оксидов азота и летучих органический соединений увеличилось, оксида серы, углеводорода – уменьшилось. [4]
1.4. Способы нейтрализации отработавших газов автомобилей
Методы снижения загрязнения атмосферы токсичными веществами делятся на две группы:
1. Методы уменьшения объемов выбросов
2. Методы снижения токсичности выбросов
Рассматривать методы первой группы подробно не имеет смысла, поскольку они не связаны с конструктивными изменениями автомобиля. Только необходимо отметить, что уменьшение объема выбросов токсичных газов достигается следующими методами:
- организация транспортных потоков и оптимизация их характеристик;
- рациональная организация доставки пассажиров в городах и изменение типажа городского транспорта;
|
|
- формирование пассажиров;
- целесообразная транспортная планировка городов.
Методы снижения токсичности выбросов автомобиля можно разделить на четыре группы:
Первая группа: Методы первой группы основаны на изменении конструкции, рабочего процесса, технологии производства и специального регулирования двигателей внутреннего сгорания и их систем.
Такие методы включают в себя многочисленные мероприятия по улучшению состава смеси, дозированию и распределению ее по цилиндрам. Применяются специальные регулировки: изменение частоты холостого хода, угла опережения зажигания, времени перекрытия клапанов. Также к первой группе относится метод, при котором для снижения токсичности отработавших газов применятся, впрыск водной смеси в камеру сгорания.
Вторая группа: Методы заключаются в применении другого вида топлива или изменении физико-химических свойств топлива.
Эти методы разделяют на два направления:
- применение присадок к топливам, снижающих выброс сажи, серы, свинца, канцерогенных веществ и твердых частиц;
- перевод двигателей на другие виды топлива.
Применение присадок к топливам.
Бензин и дизельное топливо содержат определенное количество веществ, которые при хранении образуют смолы. Поскольку производится топливо зачастую на различных предприятиях, из разнообразного сырья и часто по упрощенной технологии, то содержание смол может быть довольно большим. Они легко откладываются на стенках деталей топливной системы, нарушая ее пропускную способность. Кроме этого в цилиндрах двигателей смолы сгорают не полностью, из-за чего образуются твердые отложения – нагар. Это приводит к нарушению режима работы свечей и камеры сгорания, к ухудшению работы распылителей форсунок, потере подвижности поршневых колец и другим проблемам. Результатом является повышение дымности и токсичности отработавших газов, снижение мощности двигателя, увеличение расхода перечисленных проблем и применяются присадки. Таким образом, присадки – это универсальное средство, направленное на решение не одной проблемы.
Моющие присадки – средства оперативного регулирования качества топлива, предназначенные для того, чтобы увеличить растворимость смол в бензине и дизельном топливе и не дать им осесть в топливной системе, на клапанах и в камере сгорания. Кроме того, присадки для топлива растворяют уже накопленные отложения, а также выводят имеющуюся в топливной системе воду. Эти присадки позволяют снизить образование в двигателе нагара и очистить топливную систему от смолистых отложений.
Антидымные присадки – самые ценные в экологическом плане, снижают выделение сажи в камере сгорания за счет переноса кислорода с начальных стадий горения, где наблюдается его избыток, на конечные, характеризующиеся его недостатком. Эти присадки заметно снижают дымность отработавших газов и уменьшают эмиссию самого вредного загрязнителя – бензапирена в 2-3 раза. Зачастую снижение выбросов по разным показателям в процессе эксплуатации выше, чем при стендовых испытаниях антидымных присадок. Это связано с тем, что их эффективность лучше всего проявляется в тех случаях, когда двигатель работает в форсированных режимах, при неблагоприятных дорожных и погодных условиях, плохой организации рабочего процесса.
Антисажевые присадки, соединяясь с сажей, снижают температуру ее горения, в результате для полного выгорания образующихся твердых частиц топлива требуется уже не 550, а лишь 250ºС-350ºС, что соответствует общей температуре отработавших газов. Вновь увеличивается эффективность использования топлива, а значит, снижается его расход, повышается мощность. Выбросы токсичных веществ становятся меньше. Кроме того, повышается срок службы сажевых фильтров и катализаторов, если они установлены на автомобиле.
Экологический эффект от применения присадок - снижение выбросов углеводородов и СО на 15-50%.
Перевод двигателей на другие виды топлива.
Для очистки выхлопных газов так же используют другие, «чистые» виды топлива.
Природный газ
Природный газ в большинстве стран является наиболее распространенным видом альтернативного моторного топлива. Природный газ в качестве моторного топлива может применяться как в виде сжатого до давления 200 атмосфер, газа, так и в виде жидкого, охлажденного до -160ºС газа. В настоящее время наиболее перспективным является применение жидкого газа (метан, пропан-бутан). Стоимость оборудования, для создания давления 200 атмосфер очень высока. С экологической точки зрения является самым чистым топливом.
Шахтный метан
В последнее время к числу альтернативных видов автомобильных топлив стали относить и шахтный метан, добываемый из угольных пород. В Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива для рейсовых автобусов в угольных регионах страны. Прогнозируется, что газовая добыча метана в угольных бассейнах мира уже в ближайшее время составит 96-135 миллиардов метров кубических.
Синтетический бензин
Сырьем для его производства могут быть уголь, природный газ и другие вещества. Наиболее перспективным считается синтезирование бензина из природного газа. Из 1 м3 синтез-газа получают 120-180 г синтетического бензина. За рубежом, в отличие от России, производство синтетического моторного топлива из природного газа освоено в промышленном масштабе. Так, в Новой Зеландии на установке фирмы «Мобил» из предварительно полученного метанола ежегодно синтезируется 570 тыс. т моторного топлива. Однако в настоящее время синтетические топлива из природного газа в 1,8-3,7 раза (в зависимости от технологии получения) дороже нефтяных. В то же время разработки по получению синтетического бензина из угля достаточно активно ведутся в настоящее время в Англии.
Спирты
Среди альтернативных видов топлива в первую очередь следует отметить спирты, в частности метанол и этанол, которые можно применять не только как добавку к бензину, но и в чистом виде. Главные достоинства – высокая детонационная стойкость, хороший КПД рабочего процесса. Недостаток – пониженная тепловая способность, что уменьшает пробег между заправками и увеличивает расход топлива в 1,5 – 2 раза по сравнению с бензином. Кроме того, затруднен запуск двигателя из – за плохого испарения метанола и этанола.
Этанол (питьевой спирт), обладающий высокой энергетической ценностью, добывается из отходов древесины и сахарного тростника, обеспечивает двигателю высокий КПД и низкий уровень выбросов и особо популярен в теплых странах. Этанол используется как «чистое» топливо в 21 штате США, а этанол - бензиновая смесь составляет 10% топливного рынка США и применяется более чем в 100 млн. двигателей. Стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина.
Использование спиртов в качестве автомобильного топлива требует незначительной переделки двигателя. Например, для работы на метаноле достаточно отрегулировать карбюратор, установить устройство для стабилизации запуска двигателя и заменить некоторые подверженные коррозии материалы более стойкими. Учитывая то, что чистый метанол ядовитый, необходимо предусмотреть тщательную герметизацию топливной системы автомобиля. Пары метанола более токсичны, чем пары бензина и вызывают сильные отравления при попадании в организм человека, слепоту и даже летальный исход.
Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения спирта делают практически невозможным запуск бензиновых двигателей уже при температуре окружающей среды ниже +10ºС.
Электрическая энергия
Полностью решается вопрос, связанный с токсичностью отработанных газов. К недостаткам электроэнергии как вида электроносителя можно отнести: ограниченный запас хода электромобиля, увеличенные эксплуатационные расходы, высокая первичная стоимость и высокая стоимость энергоемких аккумуляторных батарей.
Топливные элементы
Топливные элементы – это устройства, генерирующие электроэнергию непосредственно на борту транспортного средства. В процессе реакции водорода и кислорода образуются вода и электрический ток. В качестве топлива содержащего водород, как правило, используется либо сжатый водород, либо метанол. В этом направлении работает достаточно много зарубежных автомобильных фирм, и если им в итоге удастся приблизить стоимость автомобилей на топливных элементах к бензиновым, то это станет реальной альтернативной традиционным нефтяным топливам в странах, импортирующих нефть. В настоящее время стоимость зарубежного экспериментального легкового автомобиля с топливными элементами составляет порядка 1 млн. долл. США. Кроме того, к недостаткам применения топливных элементов следует отнести повышенную взрывоопасность водорода и необходимость выполнения специальных условий его хранения, а также высокую себестоимость получения водорода.
Биодизельное топливо
В США, Канаде и странах ЕС, за последние годы возрос коммерческий интерес к биодизельному топливу, в особенности к технологии его производства из растительного масла. В США планируется на 20% заменить обычное дизельное топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и грузовых автомобилях. Применение биодизельного топлива связано, в первую очередь, со значительным снижением эмиссии вредных веществ в отработанных газах (на 25-50%) и улучшением экологической обстановки в регионах интенсивного использования дизелей – сера в биодизельном топливе составляет 0,02%.
К недостаткам относятся высокая стоимость, существует незначительное ухудшение основных параметров и пробега транспортного средства, а также хранение, погрузка и транспортировка биодизеля требуют специальной организации.
Водород
По сравнению с бензином и дизельным топливом водород более эффективен и меньше загрязняет окружающую среду. Взрывоопасность водорода резко снижается с применением специальных присадок.
Сейчас каждая автомобильная компания имеет концепт – кар, который работает на водороде. Однако некоторые фирмы предлагают комбинированные решения. Так, «Mazda» предлагает автомобиль, который имеет возможность чередовать топливо (водород и бензин). Другие автопроизводители совмещают эти виды топлива. В США выпускают тягачи, в двигателях которых используется смесь дизельного и водородного топлива. Система осуществляет разложение воды, собирает водород и направляет его в камеру сгорания, обеспечивая более высокую эффективность сгорания топлива.
Но наравне с плюсами, существуют и минусы данного способа: дороговизна и недоступность водорода, проблемы в холодном климате, отсутствие инфраструктуры.[2]
Таким образом, подводя итог по второй группе можно сказать, что все методы этой группы так же не выгодны, для массового использования. Использование присадок – довольно экономичный способ, но и очень не продуктивный. Снижение загрязняющих веществ не удовлетворяет всем нормам. Их применение используется как дополнение к установленным системам очистки.
Перевод двигателей на другие виды топлива так же является недостаточно выгодным. В процессе исследования неоднократно было подчеркнуто, что этот способ является очень дорогим. Не всегда топливо, на которое планируется произвести замену доступно в различных регионах. Так же встают проблемы с климатом и переменами температур.
Методы третьей группы заключаются в очистке выбросов от токсичных компонентов с помощью каталитических нейтрализаторов, которые производят физико – химическую очистку выбросов (термические, каталитические, жидкостные, механические, улавливающие испарения топлива и картерных газов, комбинированные) На рисунке 7 представлен каталитический нейтрализатор.
Рисунок 7 - Каталитический нейтрализатор
Большинство современных выхлопных систем в автомобилях оснащены тремя каталитическими преобразователями (по одному для каждого из веществ, выброс которых необходимо уменьшить).
Восстанавливающий катализатор – первый этап каталитического преобразователя. Он использует платину и родий, чтобы уменьшить выбросы NOx. Когда молекула NO или NO2 встречается с молекулами катализатора, от нее отдаляется атом азота, высвобождая кислород – О2. Атом азота же связывается с другим атомом азота, образуя N2.
Окислительный катализатор – второй этап каталитического преобразователя. Он снижает количество несгоревшего топлива и окиси углерода в результате их сжигания (окисления) с помощью таких катализаторов, как платина и палладий. Этот катализатор также помогает CO вступить в реакцию
Третьим этапом преобразования является система управления, которая контролирует количество кислорода в выхлопных газах и использует эту информацию для управления системой впрыска топлива. Один датчик кислорода (λ-датчик) установлен выше автомобильного катализатора, то есть ближе к двигателю, чем сам преобразователь. Этот датчик посылает сигнал компьютеру двигателя, по количеству кислорода в выхлопных газах. Компьютер двигателя уменьшает или увеличивает количество кислорода в выхлопных газах за счет регулировки подачи количества воздуха, поступающего к топливу. Эта схема предполагает одновременный контроль работы двигателя и регулирование подачи кислорода для работы катализатора. [2]
Существуют два основных вида конструкций, используемых в каталитическом преобразователе - это конструкция по типу "соты" и "керамические бусины". Большинство автомобилей используют сотовые структуры рисунок 8.
Рисунок 8 - Конструкция каталитического нейтрализатора «соты»
Каталитический преобразователь проделывает определенную работу по уменьшению загрязнения окружающей среды, но одним из недостатков является то, что он работает в определенном диапазоне температур. В этой связи требуется управление действиями катализатора. Подогрев каталитического преобразователя – хороший способ снижения выбросов. Но температура должна быть довольно высока. Если расположить катализатор ближе к двигателю, то выхлопные газы, поступающие в каталитический преобразователь, будут более горячими, и он нагреется быстрее, но это одновременно сокращает срок его службы конвертера из-за воздействия чрезмерно высоких температур. Большинство автопроизводителей размещает каталитический преобразователь под передним пассажирским сиденьем, достаточно далеко от двигателя, для того, чтобы высокие температуры выхлопных газов не вредили ему.
В связи с тем, что управление катализатором отсутствует, то он быстро выходит из строя, а хороший оригинальный катализатор (имеющий в составе платину, а не золото) стоит дорого.
В качестве другого примера приведем здесь систему селективной каталитической нейтрализации.
Эта система применяется, преимущественно, на автомобилях, использующих дизельные двигатели. Компания Bosch в 2004 году ввела в эксплуатацию систему Denoxtronic для грузовых автомобилей. Это было инновационное решение. Серийное производство третьего поколения впрыска мочевины Denoxtronic 2,2 началось в конце 2009.
Технология Селективной Каталитической Нейтрализации (SCR) основана на впрыске строго дозированного количества реагента AdBlue в поток отработанных газов в присутствии катализатора (пентаоксид ванадия), в результате чего происходит химическая реакция превращения вредных оксидов азота (NOx) в безвредные вещества – азот и воду.
AdBlue – высококачественный реагент, представляющий собой раствор: мочевина высокой чистоты (32, 5%) в деминерализованной воде (67, 5%), бесцветная, не токсичная жидкость без запаха.
Принцип действия системы:
Модуль питания всасывает мочевину AdBlue из резервуара при помощи мембранного насоса и сжимает его до давления 9 бар, которые необходимы для распыления мочевины AdBlue. Это давление поддерживается при помощи специального электродвигателя. Модуль дозирования дозирует и распыляет необходимое количество мочевины AdBlue.
При помощи специального контролирующего блока дозирования (DCU) осуществляется контроль над процессом впрыска мочевины, а также за работой всей бортовой диагностики. Также контроль может осуществляться программным модулем в блоке управления двигателем. В зависимости от нескольких входных сигналов (например, количества NOх, нагрузки на двигатель) блок управления точно рассчитывает необходимое количество впрыска мочевины и преобразует их в сигнал для дозирующего модуля. [17]
В итоге данная система обеспечивает сокращение количества оксида азота на 95%, что соответствует установленным нормам Евро-5. Так же к преимуществам использования этой системы можно отнести повышение эффективности работы дизельного двигателя (приблизительно на 3%) и удобство системы управления, контроля над выхлопными газами.
В результате тестирования и использования были установлены и недостатки системы:
- система крайне прихотлива к качеству топлива и способна нормально работать только на дизельном топливе с минимальным содержанием серы;
- используемая мочевина AdBlue замерзает при температуре -11,5ºС.
- любой из блоков управления системой впрыска мочевины может выйти из строя и тогда необходимо будет сделать дорогостоящий ремонт;
- так же из строя могут выйти датчики, следящие за впрыском мочевины, а они тоже не являются дешевыми, и самое главное – их сложно купить и заменить.
В итоге, если происходит что-то из вышеперечисленного, чаще всего выходом является отключение системы, посредством установки эмулятора. При этом все компоненты системы SCR (насос AdBlue, датчик AdBlue, датчик NOх, бак AdBlue, датчик давления) соответствуют параметрам эффективной работы. При этом автомобиль проходит все тесты на правильность работы системы. Отключение системы SCR не тестируется дилерским оборудованием. [12]
Методы четвертой группы основаны на замене традиционных двигателей новыми малотоксичными силовыми установками.
Наиболее распространенные в настоящее время бензиновые двигатели могут быть заменены:
- дизелями и особенно их малотоксичными модификациями;
- двигателями, работающими на газовом топливе;
- газотурбинными, ротопоршневыми или электрическими двигателями;
- двигателями Стирлинга.
Теоретически могут быть применены также паровые двигатели, работающие по замкнутому или разомкнутому циклу, а также инерционные двигатели, аккумулирующие потенциальную и кинетическую энергию.
Все методы этой группы основаны на разработке новых автомобилей, но не усовершенствованию старых.
На основе приведенного анализа можно считать, что наиболее приемлемым представляется метод нейтрализации посредством катализаторов. [2] Но для эффективного катализа необходимы достаточные температуры, которые не могут быть достигнуты в короткое время, без стороннего подогрева.