2 Оптимизация регулировок основных систем двигателя, как способ снижения вредных выбросов

Изобретение относится к тепловым двигателям (ТД) транспортных средств (ТС) и специальной техники, работающим на жидком углеводородном топливе, и может быть использовано для уменьшения содержания токсичных компонентов в их отработавших газах (ОГ) до предельно допустимых концентраций в соответствии с требованиями санитарных норм при работе в условиях ограниченных объемов, например в выработках при подземной добыче полезных ископаемых, в теплицах при производстве работ по уходу за растениями, в метрополитене при производстве ремонтных работ с использованием спецтехники. Для снижения вредных выбросов (ВВ) с ОГ ТД реализуют комплекс мероприятий воздействия как на процесс сгорания топлива в цилиндрах двигателя, так и на состав ОГ, удаляемых в атмосферу, а именно добавку экологической присадки в топливо, например смесь ацетилацетоната железа (10-90% весовых) и ферроцена (остальное), контактную очистку и охлаждение ОГ водными растворами гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов, рециркуляцию части охлажденных и очищенных ОГ на впуск двигателя с предварительным их обогащением кислородом путем контакта с твердым кислородоносителем и удалением оставшегося количества ОГ в атмосферу. При этом степень рециркуляции отработавших газов устанавливают в зависимости от нагрузки на ТД, ограничивая поступление воздуха во впускную систему. Применение предлагаемого способа при осуществлении мероприятий в описанной последовательности позволяет снизить концентрации ВВ в атмосферном воздухе до уровня предельно допустимых в соответствии с требованиями санитарных норм.

Изобретение относится к тепловым двигателям (ТД) транспортных средств (ТС) и специальной техники, работающим на жидком углеводородном топливе, и может быть использовано для уменьшения содержания токсичных компонентов в их отработавших газах (ОГ) до предельно допустимых концентраций в соответствии с требованиями санитарных норм при работе в условиях ограниченных объемов, например в выработках при подземной добыче полезных ископаемых, в теплицах при производстве работ по уходу за растениями, в метрополитене при производстве ремонтных работ с использованием спецтехники.

Известен способ снижения содержания вредных выбросов с ОГ ТД, описанный в [1]. По этому способу ОГ вводят в контакт с раствором щелочи (рН 7,5-8,0), диспергированным в потоке ОГ в виде капель, а затем полученную смесь диспергируют в объеме водного раствора щелочи с регулируемыми концентрацией активного компонента-поглотителя, уровнем и температурой раствора с образованием пены, в результате чего происходит охлаждение ОГ и очистка их от твердых и газообразных вредных веществ. Данный способ позволяет на 35-90% (в зависимости от вида вредного вещества) сократить количество вредных выбросов с ОГ, удаляемыми в атмосферу, без воздействия на рабочий процесс двигателя. Основным недостатком способа являются повышенные габариты системы устройств для его реализации вследствие необходимости создания на ТС запасов концентрированной щелочи и воды для компенсации их расхода в результате химического связывания и испарения.

В описаны способы снижения токсичности ОГ за счет воздействия на рабочий процесс двигателя путем:

• рециркуляции части ОГ с выпуска на впуск двигателя;

• предварительной подготовки топлива к сжиганию введением в его состав экологических присадок в концентрациях 0,01...0,025% по массе.

Известно, что рециркуляцию применяют для борьбы с оксидами азота, а основным ее недостатком является увеличение выброса дисперсных частиц (в основном сажи) и оксида углерода (СО) в результате уменьшения концентрации кислорода в свежем заряде, а введение в состав топлива присадок, обеспечивая снижение выбросов оксидов азота и сажи, незначительно влияет на снижение выброса других токсичных компонентов (углеводородов, альдегидов и т.д.). Как правило, эти способы применяются раздельно и задачу снижения токсичности ОГ решают не в полной мере. Анализ показывает, что для достижения приемлемых результатов необходим комплексный подход к проблеме снижения вредных выбросов, объединяющий как мероприятия по оптимизации процессов сгорания топлива, так и мероприятия по очистке удаляемых в атмосферу ОГ от содержащихся в них токсичных компонентов.

Известен способ снижения вредных выбросов с отработавшими газами тепловых двигателей, описанный и являющийся наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, в соответствии с которым в топливо перед его сжиганием вводят присадку, причем в качестве присадки к топливу используют смесь ацетилацетоната железа (10-90 вес.%) и ферроцена (остальное). Недостатком способа является невозможность достижения содержания токсичных компонентов в ОГ, соответствующего требованиям санитарных норм.

Задача, стоящая перед предлагаемым изобретением, состоит в уменьшении содержания твердых и газообразных токсичных компонентов в ОГ теплового двигателя ТС до уровня предельно допустимых концентраций (ПДК) в атмосферном воздухе.

Решение задачи предполагается путем реализации комплекса мероприятий воздействия как на процесс сгорания топлива в цилиндрах двигателя, так и на состав ОГ, удаляемых в атмосферу, за счет реализации наряду с добавкой экологической присадки к топливу, например смеси ацетилацетоната железа (10-90% весовых) и ферроцена (остальное), контактной очистки и охлаждения ОГ водным раствором абсорбента на основе гидроксидов щелочных и/или щелочноземельных металлов, например NAOH или КОН, и рециркуляции части охлажденных ОГ на впуск двигателя с предварительным их обогащением кислородом, получаемым путем контакта ОГ с твердым кислородоносителем на основе надперекисей щелочных или щелочноземельных металлов, и удалением оставшегося количества ОГ в атмосферу. При этом степень рециркуляции отработавших газов устанавливают в зависимости от нагрузки на ТД, ограничивая поступление воздуха во впускную систему.

Новым в заявляемом изобретении является комплексная реализация операций снижения содержания вредных веществ в удаляемых в атмосферу ОГ двигателей ТС (добавки экологической присадки к топливу, контактной очистки и охлаждения ОГ водным раствором абсорбента, рециркуляции части охлажденных ОГ на впуск двигателя с предварительным их обогащением кислородом путем контакта с твердым кислородоносителем и удалением оставшегося количества ОГ в атмосферу), выполняемых в последовательности, не использованной ранее в данной области техники.

Указанные новые признаки не выявлены из существующего уровня развития техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

Предлагаемый способ может быть реализован в устройстве, схема которого представлена на чертеже.

Устройство содержит двигатель 1 с системами впуска и выпуска, бак запаса присадки 2 и расходный топливный бак 3, подключенные к всасывающему патрубку топливоподкачивающего насоса 4, причем бак запаса присадки 2 подключен через устройство дозирования 5, а нагнетательный патрубок насоса 4 подключен к штатной топливной системе двигателя 1. В выпускной системе двигателя 1 установлены контактный жидкостный охладитель-нейтрализатор 6 (КОН) и реактор-нейтрализатор ОГ (РНГ) 7, в котором для очистки ОГ от газообразных вредных веществ и обогащения их кислородом используется твердый кислородоноситель. КОН 6 своим входом через запорное устройство 8 подключен к двигателю 1, а выходом через запорные устройства 9 и 10 - к входу РНГ 7. Выход РНГ 7 через запорные устройства 11 и 12 сообщен с впускной системой двигателя 1 и атмосферой соответственно. Кроме того, выпускная система до запорного устройства 8 сообщена с атмосферой через запорные устройства 13 и 14, при этом участки трубопроводов между запорными устройствами 9-10 и 13-14 сообщены между собой.

Способ осуществляют следующим образом. Топливо из бака 3 после дозированного введения в него экологической присадки посредством устройства дозирования 5 насосом 4 направляют в штатную топливную систему двигателя 1, которая осуществляет подачу полученной смеси топлива и присадки в цилиндры двигателя в количестве, соответствующем нагрузке двигателя. В процессе сгорания смеси содержащиеся в присадке соединения разлагаются на промежуточные радикалы, имеющие меньшую энергию активации и, соответственно, воспламеняющиеся при более низкой температуре, что способствует снижению температуры горения топлива и снижению интенсивности образования окислов азота (NO_x), сажи (С) и оксида углерода (СО). Далее ОГ, образовавшиеся в процессе сгорания смеси топлива с присадкой, через открытый запорный орган 8 (при закрытом запорном органе 13) подают в КОН 6, где в результате контакта с водным раствором хладагента-абсорбента, в качестве которого может быть использована как природная вода, содержащая ионы кальция и магния и гидроксильные группы, так и водные растворы со щелочной реакцией, происходит их охлаждение и очистка на 30-40% от NO _x, а также на 80-95% от сажи, бенз(  )пирена, оксидов серы, несгоревших углеводородов и альдегидов. Подвергшиеся контактной обработке ОГ через открытые запорные органы 9, 10 и 14 направляют частично в атмосферу, а частично в РНГ 7. В РНГ охлажденные, увлажненные и очищенные ОГ вводят в контакт с твердым кислородоносителем, например надперекисью калия (КаО₂), в результате чего по реакциям:

CO₂+2КаO₂=Ка ₂СО₃+1¹/ ₂О₂;

Н₂ O+2КаO₂=2КаОН+1¹/ ₂O₂

выделяется кислород, который смешивается с компонентами ОГ (азотом, неиспользованным кислородом, углеродом, оксидом и диоксидом углерода, диоксидом азота). Полученную смесь через открытый запорный орган 11 при закрытом 12 направляют во впускную систему двигателя 1, где она смешивается с забираемым из атмосферы воздухом и используется для сжигания смеси топлива с присадкой в цилиндрах двигателя.

Увеличение выбросов СО, С и СН, падение мощности и снижение топливной экономичности двигателя из-за снижения концентрации кислорода в свежем заряде, присущее рециркуляции ОГ как способу снижения содержания выбросов ВВ, предотвращается за счет обогащения перепускаемой части ОГ кислородом, а снижение уровня температур в цилиндрах двигателя при сгорании топлива обеспечивается за счет присадки к топливу и охлаждения перепускаемой части ОГ. Степень рециркуляции ОГ устанавливают в зависимости от нагрузки на ТД, ограничивая поступление воздуха во впускную систему.

Таким образом, при комплексной реализации операций по приведенному в описании алгоритму достигают снижения концентрации вредных выбросов в ОГ двигателей ТС до предельно допустимых в соответствии с требованиями санитарных норм, что является подтверждением решения поставленной задачи и позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость».

3 вопрос: Законодательная и нормативная база по охране окружающей природной среды. Закон об охране окружающей природной среды. Международные документы по контролю транспортных средств. Национальные стандарты.

Законодательная база по охране окружающей среды

Законодательство в области охраны окружающей среды основывается на Конституции Российской Федерации и состоит из Федерального закона «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002 №7-ФЗ, других федеральных законов, а также принимаемых в соответствии с ними иных нормативных правовых актов Российской Федерации, законов и иных нормативных правовых актов субъектов Российской Федерации.

Из других законодательных актов в области охраны окружающей среды отметим Водный кодекс РФ (1995 г.), Земельный кодекс РФ (2001 г.), законы Российской Федерации «О недрах» (1992 г.) и «Об экологической экспертизе» (1995 г.).

Нормативно-техническая документация по охране окружающей среды включает федеральные, республиканские, местные санитарные нормы и правила Министерства здравоохранения РФ, строительные нормы и правила Комитета по строительной, архитектурной и жилищной политике РФ, систему стандартов «Охрана природы», документы Министерства природных ресурсов РФ, Государственного комитета РФ по охране окружающий среды, Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

Правовые вопросы природопользования регламентируются как Конституцией РФ (ст. 9, 36, 42, 58, 72), так и рядом феде­ральных законов, среди которых, также, следует указать Гражданский кодекс РФ, закон «О животном мире», и др., соответствующие нормативные акты Президента и Прави­тельства РФ, субъектов Российской Федерации, органов мест­ного самоуправления.

Санитарные нормы устанавливают ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и в воде различного назначения, а также предельные уровни физических воздействий на окружающую среду (шума, вибрации, инфразвука, электромагнитных полей и излучений от различных источников, ионизирующих излучений).

В системе строительных норм и правил рассмотрены нормы проектирования сооружений различного назначения, учитывающие требования охраны окружающей среды и рационального природопользования. В группе 12 части 2 системы представлены нормы отвода земель под различные строительные объекты. Особо отметим СНиП 2.04.03–85 «Канализация. Наружные сети и сооружения», в котором подробно рассмотрены мероприятия и устройства по очистке сточных вод, их обеззараживанию, а также по утилизации осадков, полученных при очистке (группа 04 части 2 системы СНиПов).

Система стандартов «Охрана природы» – составная часть государственной системы стандартизации (ГСС), ее 17-я система. Система стандартов в области охраны природы и улучшения использования природных ресурсов–совокупность взаимосвязанных стандартов, направленных на сохранение, восстановление и рациональное использование природных ресурсов. Эта система разрабатывается в соответствии с действующим законодательством с учетом экологических, санитарно-гигиенических, технических и экономических требований.

Несколько примеров.

1) Закон «Об ох­ране атмосферного воздуха». В нем изложены основные поло­жения по охране воздушного бассейна от загрязнения и шумов, от электромагнитного, радиационного и иного воздействий по предотвращению истощения кислородных запасов, рациональ­ному использованию воздуха в хозяйственных целях и др.

В этом законодательном акте преду­смотрен разрешительный порядок выбросов загрязняющих ве­ществ и других негативных воздействий на воздушную среду, включая воздействие на погоду и климат. Ряд разделов Закона посвящен государственному контролю в области охраны атмо­сферного воздуха и ответственности должностных лиц и граждан страны за нарушения воздухоохранного законодательства.

2) Основополагающим правовым актом водного законодатель­ства является Водный кодекс РФ. Он регулирует водные отноше­ния путем установления правовых основ использования и охраны водных объектов. Кроме того, водопользование осуществляется в соответствии с законодательством о природных лечебных ресур­сах, лечебно- оздоровительных местах и курортах. Общие эколо­гические требования к водопользованию отражены в Федераль­ном законе «Об охране окружающей природной среды». Значительное число подзаконных правовых актов о водопользовании принято Правительством РФ.

Водное законодательство предусматривает систему мер по ох­ране водных объектов от загрязнения, засорения, истощения вод­ных источников, а также предотвращению вредного воздействия вод вследствие наводнения, водной эрозии, развития оползней и др. Этим вопросам посвящена гл. 11 Водного кодекса РФ, в кото­рой изложены общие требования к охране водных объектов, све­дения о нормативах предельно допустимых воздействий на водные объекты и водоохранные зоны.

3) Правовая охрана почв и земельных ресурсов РФ осуществля­ется в первую очередь в соответствии с требованиями Конститу­ции страны (ст. 9, 36, 58). Так, в ст. 9 указывается, что земля и другие природные ресурсы используются и охраняются в Рос­сийской Федерации как основа жизни и деятельности народов, проживающих на соответствующей территории.

В развитие основополагающих конституционных положений в земельном законодательстве страны предусмотрена система пра­вовых, организационных, экономических и других мероприятий, направленных на рациональное использование земель, предот­вращение необоснованного изъятия земель из сельскохозяйствен­ного оборота, защиту от вредных воздействий, а также на восста­новление продуктивности земель (в том числе земель лесного фонда), воспроизводство и повышение плодородия почв.

4) Правовой режим недропользования основан на Конституции РФ, законах РФ «О недрах» и «Об охране окружающей природ­ной среды», а также на ряде Указов и распоряжений Президента РФ. Основные требования по рациональному использованию и охране недр изложены в разд. III Закона РФ «О недрах». С эко­логической точки зрения наиболее важные из них: предотвра­щение загрязнения недр при проведении работ, связанных с их использованием; предотвращение накопления промышленных и бытовых отходов на площадях водосбора и в местах залегания подземных вод; охрана месторождений полезных ископаемых от затоплений, пожаров и других факторов, снижающих их качество.

В отличие от других природных объектов недра практически невозобновимы как в настоящее время, так и в отдаленной перспективе. В связи с этим возникает необходимость в уста­новлении особых требований, способствующих их рациональ­ному использованию и надлежащей охране.

По результатам научно-практической конференции на тему: "Совершенствование государственного регулирования и законодательной базы в области природных ресурсов и природопользования как важнейший фактор обеспечения национальной безопасности" прошедшей 23 октября 2007 г. были даны следующие рекомендации:

Подготовить и внести изменения:

- в Федеральный закон от 20 октября 2004 года № 166-ФЗ "О рыболовстве и сохранении водных биологических ресурсов" об уточнении понятия "прибрежное рыболовство", о нормах, направленных на обеспечение привлекательности доставки уловов на российский берег, об определении общих допустимых уловов для ряда видов водных биоресурсов; в проект федерального закона "Об аквакультуре";

- ускорить разработку и принятие технических регламентов о коммунальном водоотведении;

- внести изменения в Федеральный закон "Об особо охраняемых природных территориях" в части более чёткого определения полномочий работников особо охраняемых природных территорий";

- На основе программы социально-экономического развития Российской Федерации на среднесрочную перспективу (2006-2008 годы) разработать комплекс мероприятий по обеспечению населения питьевой водой надлежащего качества.