Основные компоненты отработавших газов автотранспорта

В таблице не указаны количественные показатели содержания диоксида серы и тетраэтилсвинца, которых может и не быть в составе отработавших газов. Диоксид серы образуется в отработавших газах в том случае, когда сера содержится в исходном топливе, чаще в дизельном. Тетраэтилсвинец содержится только в отработавших газах этилированного бензина. Около 70 % свинца, содержащегося в этилированном бензине, попадает в виде соединений в атмосферу с отработавшими газами, из них 30 % оседает в земле сразу за срезом выхлопной трубы автомобиля, 40 % остается в атмосфере. Концентрация свинца в воздухе зависит от содержания свинца в бензине:

Содержание свинца в бензине, г/л - 0,15 0,20 0,25 0,50

Концентрация свинца в воздухе, мкг/м³ - 0,40 0,50 0,55 1,00

Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности с карбюраторным двигателем ежегодно выбрасывает оксида углерода 3150 кг, углеводородов - 410 кг, оксидов азота - 335 кг. Выбросы вредных веществ легкового автомобиля ежегодно составляют соответственно 510, 42 и 36 кг. В реальных условиях эксплуатации эти характеристики ухудшаются на 40-60 %: нарушение регулировки карбюратора, большое количество неустановившихся режимов (разгон, торможение) и т.п. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности, работающий на этилированном бензине выделяет 2,5-3 кг свинца в год.

Нормирование вредных веществ автотранспорта в окружающей среде

Нормативы содержания вредных веществ отработавших газов автотранспорта регламентированы следующими документами. В воздухе рабочей зоны производственного помещения содержание вредных веществ нормируется ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны», в атмосферном воздухе населенных пунктов нормативным документом является «Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух» 1991 г.; в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями - ГОСТ 17.2.2.03-87/99 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений содержания окиси углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями», в отработавших газах автомобилей с дизелями, находящимися в эксплуатации, установлены ГОСТ 2.1393-75/76/99 «Автомобили с дизелями. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений. Требования безопасности». При стендовых испытаниях дизелей дымность нормируется ГОСТ 17.2.2.01-84 «Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений».

В ряде стран Европы и США кроме оксида углерода и углеводородов, содержание которых нормируется как для автомобилей с бензиновыми двигателями, так и для дизелей, нормируется содержание в отработавших газах автомобилей оксидов азота. В случае введения в России международных экологических стандартов (соответствующих Правил ЕЭК ООН) изменятся и нормируемые показатели и методы измерений.

В таблице приведены извлечения из указанных отечественных нормативных документов: ПДК и класс опасности для воздуха рабочей зоны; класс опасности и ПДК (или ОБУВ) для атмосферного воздуха населенных пунктов; предельно допустимое содержание в отработавших газах оксида углерода (объемных долей %), для двух значений частоты вращения вала двигателя n_min и n_пов для автомобилей, не оснащенных и оснащенных каталитическими нейтрализаторами и предельно допустимое содержание углеводородов для тех же скоростных режимов вращения вала двигателя, для автомобилей не оснащенных и оснащенных каталитическими нейтрализаторами и двигателей с разным числом цилиндров (но не в объемных долях млн^-1, как в ГОСТе, а объемных долей %); предельно допускаемый натуральный показатель ослабления светового потока К_доп, м^-1 и предельно допустимый коэффициент ослабления светового потока N_доп, % для автомобилей с дизелями при свободном ускорении (без наддува и с наддувом) и при максимальной частоте вращения на холостом ходу.

Снижение вредных влияний автомобильного подвижного состава на окружающую среду

Снижение негативного влияния автомобильного транспорта возможно по нескольким направлениям. Первое направление не требует значительных капитальных вложений. Оно заключается в организации и осуществлении контроля за составом и нормативным значением компонентов отработавших газов автотранспортных средств. Уменьшение количества вредных веществ, попадающих в окружающую среду с отработавшими газами, может быть достигнуто за счет улучшения технического состояния подвижного состава, регулировки карбюратора и системы зажигания, исключения подтекания топлива и масла. Повышение профессионального мастерства водителей, применение рациональных приемов управления автомобилем позволяет добиться снижения расхода топлива на 5-10 % и сокращения выброса вредных веществ. Существенное снижение вредных выбросов за счет уменьшения времени прогрева автомобиля перед выездом на линию дает оснащение организаций автомобильного транспорта системами подогрева двигателей автомобилей и наличие теплых стоянок. Расчеты показывают, что за счет рационального управления скоростью движения на дорогах, повышения равномерности режимов движения отдельных автомобилей, снижения разброса скоростей в транспортном потоке и задержек у светофоров, можно добиться уменьшения выбросов вредных веществ от автомобилей на 15-20 %. Уменьшают вредное влияние на окружающую среду рационально спланированные маршруты перевозок грузов и пассажиров, правильный подбор по грузоподъемности (пассажировместимости) подвижного состава, рациональное размещение автотранспортных организаций и их подразделений, сокращение непроизводительных пробегов.

Второе направление требует более существенных затрат. К сокращению выброса токсичных веществ приводит дизелизация автомобильного парка, особенно если при этом повышать качество дизельного топлива. К уменьшению вредного влияния автотранспорта приводит и улучшение качества традиционных моторных топлив, например, применение малосернистых топлив - не более 0,05 % серы по весу, отказ от этилированного бензина, например, замена ТЭС на метилтретичнобутиловый эфир (МТБЭ). Существенное снижение загрязнения окружающей среды может дать совершенствование топливной аппаратуры и режимов работы ДВС (изменение конструкций камер сгорания, повышение турбулентности подаваемой смеси - в карбюраторных двигателях; повышение давления впрыскивания топлива, выбор оптимального числа и направления струй топлива - в дизельных двигателях; внедрение микропроцессорных электронных схем управления впрыском топлива и зажиганием).

В значительной степени снизить содержание вредных веществ в отработавших газах можно за счет применения нейтрализаторов. В настоящее время наибольшее распространение получили каталитические нейтрализаторы, в которых в качестве катализатора используются редкоземельные элементы - платина, палладий, радий. Эти вещества позволяют существенно снизить порог энергии, при котором начинаются окислительно-восстановительные реакции. В мировой практике сейчас широкое применение находят нейтрализаторы тройного действия (CO/CH/NO_x). Максимальная эффективность таких нейтрализаторов достигается при их работе в контуре автоматической системы управления подачей топлива, включающей, помимо непосредственно нейтрализатора, кислородный датчик и электронный блок управления. Эффективность очистки нейтрализатором отработавших газов по всем компонентам составляет при температуре 750 °С около 90 %. Необходимо отметить, что практическое использование нейтрализаторов сталкивается с рядом серьезных технических проблем. Во-первых, в результате реакций между присадками к топливам и маслам (в частности, тетраэтилсвинцом) и катализатором происходит его химическое «отравление». Этим, в частности, в значительной степени сдерживается пока применение нейтрализаторов в России. Во-вторых, рабочий диапазон температур нейтрализаторов составляет 250-950 °С. В связи с этим остро стоит проблема нейтрализации выхлопа при непрогретом двигателе (режим запуска двигателя, работа автомобиля с частыми остановками и т.д.). Кроме того, эффективность работы нейтрализатора резко снижается при работе с неотрегулированным двигателем (на богатой смеси) из-за повышения температуры в выхлопной системе до 870 °С и более. В-третьих, через каждые 80-100 тыс. километров пробега возникает необходимость регенерации нейтрализатора. В-четвертых, температурный режим работы нейтрализаторов предъявляет высокие требования к термостойкости их корпуса и набивки, к выбору места установки на автомобиле. В-пятых, применение нейтрализаторов, как правило, приводит к определенной (5-7 %) потере мощности двигателя за счет увеличения противодавления на выпуске. Кроме того, нейтрализаторы относительно дороги и это тоже в значительной степени тормозит их внедрение в России. Большое внимание во всем мире уделяется в настоящее время также вопросам разработки и применения сажевых фильтров и каталитических дожигателей сажи для двигателей. Применение этих устройств особенно актуально в городах с интенсивным автобусным движением. Сажевые фильтры различных конструкций позволяют снизить выбросы сажи на 60-90 %. В последние годы широко проводятся исследования в области использования присадок к топливам в целях уменьшения токсичности и дымности выбросов. В качестве присадок к дизельным топливам, снижающим содержание сажи в отработавших газах, применяются металлоорганические химические соединения, ферроцены. Механизм действия этих присадок заключается в их рассеивающем воздействии на сажу и каталитическом воздействии на процесс ее сгорания. Наиболее распространены антидымные присадки на бариевой основе. Применение присадок позволяет снизить дымность в 4-7 раз (в зависимости от процента содержания присадки в топливе и от режима работы двигателя).

Для защиты от прямого негативного воздействия на окружающую среду и человека шума работающего ДВС применяют: звукоизолирующие кожухи-капоты, кабины (от шума механического происхождения), глушители (от аэродинамического шума при впуске воздуха и при выпуске отработавших газов).

Третье направление предполагает более существенные изменения на автомобильном транспорте. В первую очередь, это замена традиционных нефтяных топлив, так называемыми альтернативными видами моторных топлив, в первую очередь, газовым топливом. В этом плане практическое применение нашли сжиженные пропан-бутановые газы и сжатый природный газ. По экспериментальным оценкам, использование газового топлива снижает выбросы окиси углерода в 2-4 раза, окислов азота - в 1,1-1,5 и суммарных углеводородов - в 1,4-2 раза. Однако переход на использование сжатого газового топлива по ряду оценок сочетается с недостатками, в частности снижением мощности двигателя на 20 % и грузоподъемности на 14 % (из-за значительной массы газовых баллонов), уменьшением запаса хода автомобилей на одной заправке до 180-220 км (вдвое по сравнению с автомобилями, работающими на бензине), необходимостью значительных затрат на переоборудование автомобилей, автотранспортных организаций, строительство газонаполнительных станций. Кроме указанных видов топлива делались и делаются попытки применить в качестве топлива ДВС этанол, метанол, водород, спирт и др.

Перспективы снижения выбросов вредных веществ связаны также с внедрением автомобилей с газотурбинными двигателями и электромобилями. Газотурбинные двигательные установки имеют более высокие экологические показатели за счет совершенствования процесса сгорания топлива (увеличение времени сжигания топлива, усовершенствование способов подачи топлива и воздуха, сгорание топлива в двухзонных камерах сгорания), применения альтернативного топлива (сжиженный газ, водород и др.) и рациональной организации движения.

Электромобиль является экологически чистым видом транспорта и будет иметь будущее при создании малогабаритного и емкого аккумулятора электрической энергии.