МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ХЕРСОНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ХИМИИ И ЭКОЛОГИИ

Рег. № 16/881-25.06.2013

Основы экологии

Методические указания к проведению

практического занятия №2

Расчёт вредных выбросов в

атмосферу от автотранспорта

Херсон 2013

Методические указания к проведению практических работ по дисциплине «Основы экологии»

Составил ст. преподаватель Кузнецов С.И.,

доц. Глухова А.Г.

количество страниц 13.

Рецензент:

Утверждено на заседании кафедры химии и экологии, протокол №17 от 05.06.13г.

Зав. каф. Мищенко А.В.

Варианты для расчёта вредных выбросов в атмосферу для автотранспорта

№ вар	Бензиновые грузовые автомобили		Дизельные грузовые автомобили		Бензиновые легковые автомобили
	Количество	Общий пробег автомобилей тыс. км/год	Количество	Общий пробег автомобилей тыс. км/год	Количество	Общий пробег автомобилей тыс. км/год
1	60	598,65	21	200,951	15	306,349
2	34	258,147	17	175,268	26	605,239
3	28	265,369	11	108,364	38	756,516
4	31	269,159	25	350,258	49	931,253
5	21	369,258	31	368,259	50	862,162
6	35	265,698	42	452,102	12	208,151
7	80	587,357	24	254,265	23	589,654
8	72	983,369	15	159,654	34	684,357
9	85	862,258	12	134,952	45	852,368
10	69	785,259	7	125,205	56	753,915
11	75	897,459	31	312,236	67	945,845
12	45	456,123	120	354,159	21	321,625
13	101	999,654	60	654,312	32	514,782
14	77	332,369	15	654,123	43	751,358
15	25	225,266	29	357,159	54	852,239
16	33	321,258	22	456,789	65	998,221
17	27	335,223	50	412,321	76	987,654
18	21	115,362	60	645,865	13	123,987
19	32	236,325	45	258,364	24	354,159
20	47	321,987	29	159,258	35	654,985
21	67	654,321	45	458,247	46	874,632
22	34	445,633	72	825,254	57	854,259
23	25	333,456	56	254,325	68	999,358
24	80	887,551	19	113,456	53	895,319
25	76	963,321	17	225,336	52	925,158
26	91	398,250	18	235,125	41	741,259
27	55	445,665	50	654,554	25	452,358
28	40	587,369	27	556,325	26	521,267
29	34	298,987	97	587,665	31	623,325
30	65	654,987	61	854,321	52	758,325

Почти два десятилетия назад в мире впервые встала проблема: как снизить токсичность отработавших газов автомо­билей. К тому времени загрязнение ими воздуха в крупных городах США, Японии, Канады, Швеции и ряда других стран до­стигло масштабов бедствия.

Чтобы бороться с этим явлением, были введены нормы содержания в газах ток­сичных веществ, обязательные для всех изготовителей и экспортеров автомоби­лей. Соответствие нормам стали опреде­лять в лабораториях по специальным ездовым циклам, имитирующим движение в городских условиях. Чтобы обеспечить выполнение все более ожесточавшихся норм, потребовалось усовершенствовать конструкцию двигателя в целом и, преж­де всего, изменить регулировки систем питания и зажигания.

Однако в технике, как правило, не бы­вает простых решений: после введения первых норм автомобилестроители сосредоточили свое внимание на этой проблеме, поначалу отодвинув на второй план не менее важ­ные, и в первую очередь улучшение топ­ливной экономичности.

Чтобы представить хотя бы в общих чертах трудности, связанные с созданием малотоксичного и в то же время эконо­мичного двигателя, обратимся только к одной проблеме: сокращению выброса окислов азота (NО₂), которые наряду с окисью углерода (СО) и углеводородами (С_nH_m) являются токсичными компонентами отработавших газов.

Неспециалисты часто полагают, что все они появляются в отработавших газах вследствие неполного сгорания топлива. Это справедливо лишь в отношении оки­си углерода и углеводородов. Первые - продукт неполного окисления содержав­шегося в топливе углерода, вторые - остатки несгоревшего бензина.

Образование же окислов азота в ци­линдре двигателя не связано непосредственно с горением топлива. Они - про­дукт химических реакций азота, содержа­щегося в атмосферном воздухе, для кото­рых необходимы только свободный кисло­род и высокая температура. Вследствие этого почти все мероприятия по повы­шению полноты и эффективности сгора­ния, сопровождающиеся ростом темпера­туры в цилиндре (увеличение степени сжатия, установка оптимального для топ­ливной экономичности угла опережения зажигания и т. п.) при работе на умеренно обедненных смесях дают не только сни­жение расхода топлива, но одновремен­но - значительное повышение выброса окислов азота.

Получается, что для сокращения доли окислов азота надо сознательно ухуд­шать эффективность сгорания, а значит, топливную экономичность. Своего рода заколдованный круг? Выход из него вот уже два десятилетия ищут ученые и ин­женеры во всем мире. Положение ослож­няется тем, что окислы азота более вред­ны для организма человека, чем СО и С_nН_m. В воздушной среде они могут обра­зовывать так называемый фотохимический смог, время от времени застилающий удушливой пеленой города с бесконтроль­но разросшимся парком автомобилей. Поэтому санитарные нормы содержания окислов азота в воздухе в 25 раз жестче, чем окиси углерода.

Чтобы уменьшить выброс окислов азота с отработавшими газами нужно либо понижать температуру в цилиндре, либо убавлять количество свободного кисло­рода в рабочей смеси.

Чтобы достигнуть цели с минималь­ным ухудшением топливной экономично­сти, стараются добиться устойчивой рабо­ты двигателя на предельно обедненной смеси, когда температура сгорания невы­сока. Здесь необходимы специальные конструктивные меры, чтобы обеспечить требуемую скорость распространения пламени по объему камеры сгорания.

Другой, простейший способ снизить выброс окислов азота - устанавливать на основных рабочих режимах более позд­нее зажигание. К этой мере особенно часто прибегали в США в первые годы после введения норм на токсичность. Дошло до того, что распределители зажи­гания оснащали «обратным» вакуум-ре­гулятором, не увеличивающим, как обыч­но, угол опережения на малых нагруз­ках, а, наоборот, уменьшающим его по сравнению с опережением на полном дросселе. С уменьшением температуры сгорания заметно снижался выброс окис­лов азота, но существенно увеличивался расход топлива.

Наиболее результативный, но и самый дорогостоящий метод борьбы с окислами азота - их химическая нейтрализация в специальных устройствах - каталити­ческих нейтрализаторах. Его суть в том, что отработавшие газы пропускают через резервуар, внешне напоминающий глуши­тель, с наполнителем в виде гранул или сот, покрытых тончайшим слоем катали­затора (рис. 1). В качестве последнего могут служить несколько веществ. Наилуч­шее каталитическое действие, но и самая высокая стоимость - у платиновых катализаторов. Они позволяют обезвредить 96—98% токсичных веществ, превратив их в азот, углекислый газ и воду.

Для эффективной работы устройства необходимо, чтобы в цилиндрах сгорала слегка обогащенная смесь вместо обед­ненной, что приводит к ухудшению эконо­мичности на 5-10%. Нейтрализатор окис­лов азота не может одновременно обез­вреживать окись углерода и углеводоро­ды: для этого потребуется еще одно устройство, в котором путем впуска до­полнительного воздуха поддерживается обедненный состав смеси. Поэтому катали­тическую нейтрализацию отработавших газов применяют лишь в районах или странах, где надо добиться столь низкого уровня токсичности выбросов, который оправдал бы значительные затраты на его достижение.

Применение платиновых катализаторов требует перехода на более доро­гой, неэтилированный бензин, так как соединения свинца в отработавших газах быстро разрушают катализатор.

Наконец, еще один способ снизить выб­рос окислов азота - частичная рецирку­ляция отработавших газов. В этом случае часть газов из выпускной системы посту­пает во впускной трубопровод и, сме­шиваясь со свежей горючей смесью, вновь попадает в цилиндр. Инертные (негорю­чие) отработавшие газы выполняют роль балласта и снижают максимальную тем­пературу в цилиндре.

Правда, повышенное их содержание отрицательно влияет на процесс сгора­ния и в итоге увеличивает расход топлива. Но одновременно снижаются так называе­мые насосные потери, связанные с запол­нением цилиндра свежим зарядом, по­скольку разрежение во впускной трубе в течение такта впуска становится меньше. В результате общее увеличение расхода топлива, даже при рециркуляции 10-15% отработавших газов, не превышает нескольких процентов, зато выброс окис­лов азота снижается минимум в два раза. В этом преимущество рециркуляции по сравнению с переходом на позднее за­жигание, с которым связаны более суще­ственные потери мощности и увеличение расхода бензина. Если же степень рецир­куляции не превышает 3-5%, расход топлива может даже несколько умень­шиться вследствие подогрева смеси.

Система рециркуляции, о которой шла речь, проста, надежна и достаточно эф­фективна. Но в последнее время, отме­ченное широким развитием электронной техники, все чаще стали применять комп­лексные системы для управления как подачей топлива и углом опережения зажигания, так и клапаном рециркуля­ции. Они обеспечивают оптимальное дозирование перепускаемых газов на характерных режимах в сочетании с самыми выгодными для топливной экономич­ности углами опережения зажигания и отключение рециркуляции на других ре­жимах. Тем самым удается обеспечить не только нормы на выброс токсичных веществ, но и хорошие показатели топ­ливной экономичности.

Рис. 1. Трехкомпонентный катализатор для нейтрализации окиси углерода (СО) и углеводородов (С_nН_m).

Резиновая взвесь, образующаяся при истирании колес, при попадании в легкие вызывает аллергические реакции, бронхиаль­ную астму, а при контакте со слизи­стой оболочкой и кожным покровом - конъюнктивит, ринит, крапивни­цу. К такому заключению пришли, в частности, американские специали­сты-аллергологи. Ситуация ослож­няется и тем, что резиновая пыль в воздухе «висит» постоянно (причем в огромных количествах).

По данным скандинав­ской организации «KEMI» в Шве­ции от износа шин в атмосферу вы­брасывается до 10 000 тонн резино­вой пыли. А по оценкам американ­ских ученых-шинников в США лишь за год общее количество выде­ляющейся шинной пыли достигает миллиона тонн. Например, в эколо­гически чистом Лос-Анджелесе ежедневно в воздух выбрасывается не менее 5 тонн этого вредного про­дукта. Там анализ атмосферы, про­веденный вблизи шоссе с умерен­ным движением, показал присутст­вие от 3800 до 6900 единиц резино­вой взвеси в каждом кубическом метре воздуха, причем примерно 60% из них — в пределах тех раз­меров, которые легко про­никают в дыхательные пу­ти. Несложно посчитать, что на каждого жителя Швеции в день приходит­ся около 6 граммов шин­ной пыли, а на каждого американца — более 13.

Что же касается стран бывшего Союза, то, по мнению экспертов, в крупных горо­дах СНГ данный показатель еще вы­ше. Если к этому добавить значи­тельное количество сажи, выбрасы­ваемой с выхлопными газами, то становится понятным, почему у нас снег зимой никогда не бывает бе­лым не только на городских улицах, а даже на загородных магистра­лях. Но выделяющаяся из покры­шек резиновая пыль — это еще не все. Результаты исследований, про­веденные независимым научным центром «Никтайр ЛэбОТ» (веду­щей в СНГ организации по испыта­ниям, сертификации и утилизации резиновых изделий), высокая эко­логическая опасность шин обуслов­лена также токсическими свойства­ми применяемых при их изготовле­нии материалов и примесей.

Кроме того, вред экологии нано­сят и более ста видов химических веществ, выделяющихся в воздуш­ную и водную среду при эксплуата­ции, обслуживании, ремонте и хра­нении покрышек.

Наиболее опасны выделяющиеся из шин канцерогены: например, бенз(а)пирен и другие полиаромати­ческие углеводороды (в шинах об­наружено 15 соединений этого класса), а также М-нитрозоамины (четыре вида из 12 известных). Все указанные вещества входят в спи­сок самых опасных токсикантов, утвержденный Международной ор­ганизацией по исследованию рака (IARC) и Агентством по охране ок­ружающей среды (США). По предварительной оценке центра «Ник-тано ЛэбОТ», совпадающей с оцен­кой некоторых зарубежных фирм, в резиновой пыли содержится больше канцерогенных веществ, чем в выхлопных газах двигателя и дорожном покрытии. Кроме того, при нагреве протектора из него вы­деляются летучие вещества, среди которых такие чрезвычайно ток­сичные химические соединения, как бензол, ксилол, толуол, фор­мальдегид, фенолы, диоксид серы, а также углеводороды, характер­ные для выхлопных газов двигате­ля. Кстати, до настоящего времени в нашей стране отсутствуют нормы предельно допустимой концентра­ции (ПДК) углеродистой пыли. Правда, есть нормы ПДК на содер­жание в городском воздухе, у маги­стралей и в производственных по­мещениях веществ-токсикантов. Проведенные исследова­ния показывают, что, например, на киевских улицах уровень бенз(а)пирена в воздухе превышает ПДК в среднем в 1,6 раза (на московских - в 20 раз!), двуокиси азо­та в 1,3 раза. Как утвер­ждают эксперты, именно транспорт является ос­новным (более 70%) ис­точником ухудшения эко­логической обстановки, остальные же вредные вы­бросы приходятся на про­мышленные предприятия.