Экология транспорта. Учебное пособие

Оксид углерода. Оксид углерода в 200 раз активнее, чем кислород, взаимодействует с гемоглобином, в результате чего снижается способность крови переносить кислород. Уже при концентрации 2,3 мг/м3, что ниже уровня концентраций оксида углерода во многих городах, наблюдается ухудшение физиологических функций человека. Продолжительность жизни СО в атмосфере составляет около 3 лет.

Диоксид серы. Содержащаяся в топливе сера практически полностью переходит в диоксид (в триоксид окисляется 1 %). Диоксид серы вызывает спазмы дыхательных путей уже при содержании в воздухе 1,5 - 3,8 мг/м3. Время жизни SO2 в атмосфере 4 дня.

Оксиды азота. Автомобильные двигатели выбрасывают NO, который при обычной температуре быстро окисляется кислородом воздуха до NO2. Оксид азота действует на центральную нервную систему и гемоглобин крови. Диоксид азота вызывает общую слабость, головокружение, тошноту, разрушающее действие на легкие. Взаимодействуя с кислородом воздуха и ультрафиолетовым светом, диоксид азота катализирует образование озона, реакции которого с непредельными углеводородами дают сложные продукты окисления, образующие фотохимический смог — плотный токсичный туман.

Сажа и полициклические ароматические углеводороды. Полицикличе-

ские ароматические углеводороды выбрасываются двигателем вместе с сажей, на которой они адсорбируются. Такие углеводороды обладают канцерогенной активностью. Сажа содержится главным образом в отработавших газах дизелей. В бензиновых двигателях образование сажи возможно при коэффициенте избытка воздуха α < 1 или в результате детонации. В дизельном двигателе сажа образуется всегда, и ее содержание в отработавших газах увеличивается с ростом нагрузки двигателя. Сажевые частицы, образующиеся в дизельном двигателе обгорают, поэтому содержание полициклических ароматических углеводородов, адсорбированных на их поверхности, много меньше, чем на саже, выбрасываемой бензиновыми двигателями. Концентрация смолообразных полициклических ароматических углеводородов на саже, выбрасываемой бензиновыми двигателями, составляет 20–30 %, на саже дизельных двигателей — 4– 10 %. При снижении выбросов сажи уменьшаются выбросы бенз(α)пирена и его гомологов.

Свинец. В период применения этилированных бензинов свинец выносился отработавшими газами бензиновых двигателей в виде макрочастиц хлоридов и бромидов свинца. Около 80 % макрочастиц, содержащих свинец (на уровне 25 %), имеют диаметр менее 0,9–10-4 см. Эти частицы образуют аэрозоли, переносящие свинец на 200 м и более от проезжей дороги. Свинец накапливается в костях человека, замещая кальций, и очень плохо выводится из организма, яв-

11

ляется постоянным источником отравления, вызывает повышенную возбудимость, раздражительность, депрессии, а у маленьких детей — умственную отсталость, хронические заболевания мозга. После открытия в 1920 году антидетонационных свойств тетраэтилсвинца он широко применялся всеми производителями бензина. Рост числа автомобилей и высокая токсичность свинца привели к осознанию необходимости запрета бензинов, содержащих свинец. Начиная с 1996 года ни одна развитая страна не применяет этилированный бензин. В России применение этилированных бензинов запрещено сравнительно недавно — с 01.06.2003. Однако осталось разрешенным применение в качестве антидетонаторов соединений марганца и железа, применение которых в развитых странах запрещено из-за отрицательного влияния на срок службы двигателя и по экологическим соображениям.

Углекислый газ. Содержание в воздухе углекислого газа не нормировано. При больших концентрациях он оказывает наркотическое действие. Наибольшая опасность состоит в том, что он способствует образованию «парникового эффекта», обусловливающего перегрев поверхности земли. Если не ограничить темп увеличения роста поступлений углекислого газа в атмосферу, можно ожидать катастроф, связанных с потеплением. Обеспокоенность данной проблемой привела к разработке и принятию в 1992 г. в Рио-де-Жанейро Международной рамочной конвенции ООН по изменению климата, цель которой — стабилизация концентрации в атмосфере углекислого газа и других газов, вызывающих парниковый эффект, на экологически приемлемых уровнях. В 1997 году в городе Киото (Япония) на конференции сторон рамочной конвенции был подписан протокол, установивший для промышленно развитых государств — участников четкие лимиты по сокращению выбросов СO2 по отношениию к значениям базового 1990 года.

1.3. Зависимость выбросов токсичных веществ автомобилями от режима движения

Для сопоставления влияния фаз разгона, замедления и движения ТС с постоянной скоростью на пробеговые выбросы используются коэффициенты:

12

где Wj — удельный выброс j-го вещества при разгоне ТС в диапазоне скоростей (0-i), замедлении в диапазоне скоростей (i-0) или при движении с постоянной скоростью i;

v — скорость движения ТС.

В таблице 3 приведены значения коэффициентов для разных фаз движения бензиновых и дизельных ТС, в таблице 4 — принятая в европейских странах классификация ТС.

Таблица 3

Значения k разных групп ТС при разгоне (замедлении)

У ТС с бензиновым двигателем при разгоне существенно возрастают выбросы СО и NOx, причем с увеличением литража двигателя значения коэффициентов k снижаются. Расход топлива и выбросы СхНу также возрастают (в 3,5– 7,9 раза). У дизельных ТС растут выбросы твердых частиц (сажи) и расход топлива. При замедлении значения удельных выбросов снижаются в 3–10 раз.

13

Примечание: Каждая из шести подгрупп ТС разделяется по виду используемого топлива — бензиновые (В), дизельные (D), конвертированные из бензиновых и работающие на сжиженном нефтяном (СНГ) и сжатом природном газе (СПГ), конвертированные из дизельных и работающие на сжатом природном газе (СПГ-д), а также двухтопливные, работающие на дизельном топливе и сжатом природном газе (ГД).

1.4. Загрязнение окружающей среды при эксплуатации дороги

В процессе эксплуатации дороги наибольшей трансформации подвергается верхний поверхностный слой земли. Строительство дороги приводит к снижению плодородия почв. Главными источниками этого процесса являются нарастание износа дорожного покрытия под действием транспортных средств и распространение частиц износа вблизи дорог. В первые 2–3 года эксплуатации асфальтобетонных покрытий износ происходит за счет истирания с образованием пылевидных частиц, далее начинаются шелушение и выкрашивание крупных частиц. Этот процесс достигает пика через 5–7 лет эксплуатации. Ветровые наносы минеральных частиц при отсутствии смыва с обочин и откосов, а также наносов с других дорог составляют почти 3 т/га в год. Для борьбы с зимней скользкостью на автомобильных дорогах применяются химические реагенты (пескосоляные смеси, содержащие хлориды натрия, кальция), которые становятся еще одним источником загрязнения поверхностных и грунтовых вод. В результате загрязнения дождевого стока нефтепродуктами, попадающими на участки дороги в результате утечек из транспортных средств, резервуаров или в случае поломок па маршруте, противогололедными смесями, продуктами износа дорожных покрытий и другими веществами концентрация примесей с дорожного полотна достигает чрезмерных значений, существенно превышающих санитарные нормы.

14

2. РЕГЛАМЕНТАЦИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ АВТОТРАНСПОРТА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) основан на превращении химической энергии различного топлива органического происхождения в тепловую и далее в механическую работу.

Впроцессе работы ДВС загрязнение атмосферы происходит в большей степени отработавшими газами через выпускную систему двигателя, а также, в меньшей степени, картерными газами через систему вентиляции картера двигателя и углеводородными испарениями топлива из системы питания двигателя при заправке и в процессе эксплуатации.

2.1.Нормирование выбросов токсичных веществ

сотработавшими газами автомобилей

Вцелях защиты окружающей среды от загрязнения продуктами сгорания во многих странах, в том числе в России, введены стандарты, ограничивающие предельно допустимое содержание вредных веществ в отработавших газах двигателей.

Первый государственный стандарт на выбросы токсичных веществ автомобилями был введен в США в 1966 году. В последующем во всех развитых странах мира вводились стандарты на ПДВ токсичных веществ автомобилями, которые постоянно ужесточались. В различных странах мира теперь действует более 90 нормативно-технических документов, нормирующих токсичность отработавших газов автомобилей.

Внастоящее время стандартами всех стран регламентировано поступление количества только некоторых токсичных веществ в атмосферу в случае установления:

определенных, конкретных режимов работы двигателя или автомобиля,

в совокупности режимов, имитирующих действительные условия эксплуатации и составляющих испытательные ездовые или моторные циклы.

Природоохранительное законодательство Российской Федерации базируется на Конституции РФ как основном законе. Законодательство об окружающей среде подразделяет законы по двум направлениям: собственно по окружающей среде и по охране природных ресурсов. Вторая группа законов, которые регулируют отношения по использованию и охране отдельных природных ресурсов, получила большее развитие.

15

Закон «Об охране атмосферного воздуха» обязывает проводить мероприятия по охране атмосферного воздуха, устанавливает нормативы предельно допустимых концентраций (ПДК) и предельно допустимых выбросов (ПДВ) загрязняющих веществ в атмосферный воздух, содержит требования по сокращению и очистке выбросов загрязняющих веществ от всех источников загрязнения.

К нормативной документации, действующей на территории Российской Федерации, относятся государственные (ГОСТ) и отраслевые (ОСТ) стандарты. Отраслевые стандарты аналогичны государственным, но отличаются по сфере своего действия: если государственные стандарты распространяются на все транспортные объекты, находящиеся в эксплуатации, то отраслевые разрабатываются транспортными ведомствами и устанавливаются только на новую продукцию.

ГОСТ 17.2.2.01-84 «Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений» распространяется на автомобильные дизели, проходящие стендовые испытания по ГОСТ 14846-81. Нормируемым параметром является дымность (оптическая плотность) отработавших газов на режимах внешней скоростной характеристики и режиме свободного ускорения.

ГОСТ 17.2.2.02-98 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерения дымности отработавших газов тракторных и комбайновых дизелей» ограничивает дымность отработавших тракторных и комбайновых дизелей, проходящих предварительные и аттестационные стендовые испытания по ГОСТ 18508-80. Дымность измеряют при шести значениях частоты вращения коленчатого вала на установившемся режиме работы через равные интервалы. Частота вращения вала изменяется от номинальной до соответствующей максимальному крутящему моменту или составляющий 0,55 номинальной.

ГОСТ 17.2.2.05-97 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений выбросов вредных веществ с отработавшими газами тракторных и комбайновых двигателей». Нормируемыми параметрами являются СО, СНх, NOх. Испытания проводят в 13 режимах, включающих различные сочетания частот вращения и крутящего момента.

ОСТ 37.001.234-81 «Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы измерений» регламентирует ограничения на выброс вредных веществ автомобильными дизелями полной массой свыше 3,5 т, которые проходят предварительные и приемочные испытания в соответствии с ГОСТ 14846-81. Нормативные значения составляют: СО — 9,5 г/кВт·ч, СНх – 3,4 г/кВт·ч, N0х – 18,35 г/кВт·ч.

ОСТ 37.001.054-86 «Автомобили и двигатели. Выделение вредных веществ. Нормы и методы определения» распространяется на автомобили с полной

16

массой не более 3,5 т и автобусы с числом мест для сидения не более 12, оснащенные четырехтактными бензиновыми двигателями и дизелями.

Для бензиновых двигателей испытания проводятся по ездовым циклам, имитирующим режим движения автомобилей, а для дизельных — по циклу со ступенчатым изменением мощности.

Таким образом, нормируются предельно допустимые выбросы, которые не связаны непосредственно с санитарно-гигиеническими характеристиками воздуха, определяемыми значениями предельно допустимых концентраций. Приближенность ПДВ к ПДК определяется уровнем развития техники, автомобилестроения. Нормы ПДВ на 3-4 порядка отличаются от норм ПДК.

Международное сотрудничество в области транспорта в рамках Организации Объединенных Наций (ООН) включает выполнение требований Комитета по экологической политике Европейской Экономической Комиссии (ЕЭК ООН). Россия — участник соглашения ЕЭК ООН с 1987 года и обязана соблюдать при международных транспортных перевозках правила ЕЭК ООН: «Правила 83» для автотранспортных средств грузоподъемностью менее 3,5 т и «Правила 49» для ТС, полная масса которых больше 3,5 т.

В Правилах ЕЭК ООН 83 для ТС с двигателями, работающими на этилированном топливе (тип А), нормируются выбросы СО, СmHn, NOx и дисперсных частиц, адсорбирующих на себе полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). При этом нормативные требования «Правил 15.04 (Euro 0)» оставлены без изменений.

Правила ЕЭК ООН 49 предусматривают проведение испытаний дизелей для ТС массой менее 3,5 т и внедорожных машин, но норма вредных выбросов увеличивается при этом в 1,7 раза. Кроме того, для этой категории автомобилей введено нормирование по двигателям с искровым зажиганием, работающим на сжиженном нефтяном и сжатом природном газе, что дает возможность оценить экономичность ТС при использовании газовых топлив.

Хронология ужесточения этих требований следующая: «Правила 49» (1982 г.), поправка 01 (1990 г.), поправка 02 Euro-1 (1993 г.), дополнение к по-

правке 02 Euro-2 (1996 г.), поправка 03 Euro-3 (2000 г.), Euro-4 (2005 г.).

Применение принятых ЕЭК ООН «Правил 49» предусматривает, что автомобиль должен соответствовать тем требованиям, которые действовали на момент его производства. Например, автомобиль 1995 года выпуска должен соответствовать требованиям, вступившим в силу к этому моменту, т.е. требованиям Euro-2. В последующие годы к такому автомобилю не применяются вновь вводимые более жестокие нормативы токсичности.

17

Ввиду различий в методиках определения выбросов (разные ездовые циклы, методики определения токсичных веществ) нормы ПДВ в США, странах ЕЭС и Японии не вполне сравнимы. Общей тенденцией является их быстрое ужесточение.

В европейских странах действуют правила ЕЭК ООН, которые быстро ужесточались (см. табл.5, 6). Это соответствует достигнутому уровню технического совершенства автомобилей. Следует отметить, что нормы ПДВ значительно превышают нормы ПДК (так, при соблюдении норм ПДВ для NOx концентрация NOx в отработавших газах превышает ПДК более чем в 3000 раз). Это делает необходимым постоянное совершенствование ТС и ужесточение норм ПДВ.

Правила ЕЭК ООН 24 нормируют дымность отработавших газов дизельных ТСна установившихся режимах и при свободном ускорении работы двигателя. В качестве оценочного показателя используют коэффициент поглощения, значения которого при установившихся режимах работы двигателя приведены в таблице 7.

Нормирование дымности, под которой понимают оптическую плотность отработавших газов, позволяет оценить только визуально видимое количество дисперсных частиц. Поэтому метод оптической оценки дымности отработавших газов дизеля применяют в качестве контроля технического состояния ТС в процессе эксплуатации.

Таблица 5

Предельно допустимые выбросы легковыми ТС массой до 1250 кг (г/км) при испытаниях по правилам ЕЭК ООН

(№ 49 для дизельных и № 83 для бензиновых двигателей)

18

Таблица 6

Предельно допустимые выбросы дизельными грузовыми ТС и автобусами, г/ кВт·ч

Россия присоединилась к нормам «Евро-1» в 1999 году. Однако в настоящее время соотношение выбросов отечественных легковых ТС и норм «Евро-3» характеризуется данными таблицы 8. Эти данные свидетельствуют о резком отставании России в решении проблемы повышения экологичности ТС. Было намечено с 01.01.2004 обеспечить качество двигателей, соответствующих нормам «Евро-3», и с 01.01.2008 — «Евро-4». Однако при выполнении намерений по качеству двигателей не было обеспечено требуемое качество моторных топлив ввиду значительного отставания нефтепереработки России по производству высококачественных компонентов моторных топлив.

Таблица 7

Нормативные требования на предельные значения коэффициента поглощения

(правила ЕЭК ООН 24)

19

Осознание токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания и влияния их на токсичность воздуха городов должно побуждать непрерывно совершенствовать двигатели и состав топлива к ним, ужесточать требования к ПДВ двигателей и качеству топлив.

2.1.1. Экологические стандарты ЕВРО

Многие считают, что стандартизация охватывает только -технические средства, механизмы, аппараты, интерфейсы, файлы изображений и видео и что EURO — это некие требования к составу того или иного топлива. На самом деле это не так.

ЕВРО — это в первую очередь экологический стандарт, ограничивающий состав выхлопных газов бензиновых и дизельных автомобилей. Даже не двигателей, а непосредственно автомобилей. О том, как развивался стандарт «Евро», как изменялись общественные взгляды, как ужесточались экологические требования, расскажем далее.

В 1988 году Европейской экономической комиссией ООН был введен единый регламент (так называемый «Евро-0») с требованиями снизить уровень выбросов автомобилями окиси углерода, оксида азота и других веществ. Раз в несколько лет требования ужесточались, другие государства также стали вводить подобные нормативы.

«Евро-3», «Евро-4», «Евро-5»… — у каждого автолюбителя на слуху эти слова. А что они обозначают и откуда взялись? В уже далеком 1992 году страны Евросоюза ввели на своей территории нормы «Евро-1», которые устанавливали предельно допустимое содержание токсичных веществ в выхлопных газах автомобилей. В течение каждых последующих 4–5 лет Евросоюз ужесточал эти нормы. Сроки введения норм «Евро» и предельно допустимое содержание токсичных веществ в выхлопных газах автомобилей можно найти в Интернете.

20