Экология транспорта. Учебное пособие

Выбросы загрязняющих веществ регулируются отдельно для легковых и легких коммерческих автомобилей, для грузовых автомобилей и автобусов.

Ужесточение норм «Евро-5» и «Евро-6» в основном касается дизельных автомобилей, существенно ограничивается содержание выбросов твердых частиц (сажи) и оксидов азота.

Исследование, проведенное Международным советом по чистому транспорту (ICCT) в октябре 2014 года, показало, что реальные выбросы NOx современных дизельных двигателей, заявленных как соответствующие нормам «Ев- ро-6», в среднем в 7 раз превышают эти нормы. Это означает, что вместо установленных стандартом 80 мг/км, новые автомобили загрязняют атмосферу в среднем 560 мг/км оксидов азота.

В период с 2000 года («Евро-3») до 2014 («Евро-6») предельные нормы выбросов NOx для дизельных автомобилей в ЕС уменьшились на 85 %. Однако реальный уровень выбросов за этот период снизился около 40 %. Дизельные автомобили составляют более 50 % всех новых автомобилей в Евросоюзе, являются одним из основных источников загрязнения оксидами азота. Европейская комиссия в настоящее время готовит улучшенную процедуру сертификации новых транспортных средств, согласно которой начиная с 2017 года автопроизводители будут обязаны, кроме лабораторных, проводить и реальные дорожные испытания с использованием портативных систем измерения выбросов (PEMS).

Экологические нормы в Европе.

С 2015 года в Европе действуют нормы «Евро-6». Согласно этим требованиям для бензиновых двигателей устанавливаются следующие допустимые выбросы вредных веществ (г/км):

оксид углерода (CO) — 1;

углеводород (СН) — 0,1;

оксид азота (NOx ) — 0,06;

взвешенные частицы (PM) — 0,005.

Для автомобилей с дизельными двигателями стандарт «Евро-6» устанавливает другие нормы (г/км):

оксид углерода (CO) — 0,5

оксид азота (NOx ) — 0,08;

углеводороды и оксиды азота (HC + NOx ) — 0,17;

взвешенные частицы (PM) — 0,005.

Экологический стандарт в России.

Россия следует стандартам Евросоюза по выбросам выхлопных газов, хо-

тя их реализация отстает на 6-10 лет. Первым стандартом, который был официально утвержден в Российской Федерации, стал «Евро-2» в 2006 году.

21

С2014 года в России на ввозимые автомобили действует стандарт «Евро-5».

В2016 году он стал применяться и на все производимые автомобили.

Стандарты «Евро-5» и «Евро-6» имеют одинаковые нормы максимального количества выбросов вредных веществ для автомобилей с бензиновым двигателем. Для автомобилей, двигатель которых работает на дизельном топливе, стандарт «Евро-5» имеет менее строгие требования: оксид азота (NOx ) не должен превышать 0,18 г/км, а углеводороды и оксиды озота (HC + NOx ) — 0,23 г/км.

2.2.Эксплуатационные материалы

иих воздействие на экологическую систему

Работу двигателя обеспечивает достаточно большой ассортимент эксплуатационных материалов: топлив, моторных масел и специальных жидкостей.

Бензины являются топливом для карбюраторных или инжекторных двигателей и представляют собой смесь углеводородов, выкипающих при температурах от 35 °С до 215 °С; с температурой застывания ниже минус 60 °С и кинематической вязкостью вдвое меньше, чем у воды.

Выпуск автомобильных бензинов регламентируется следующими нормативными документами: ГОСТ 2084-77 (с изменениями 3-5), ТУ (техническими условиями) и ГОСТ Р51105-97.

Вмаркировке бензинов буква «А» указывает, что бензин автомобильный,

ацифры показывают минимальное значение октанового числа (процентное содержание изооктана в смеси с Н-гептаном, которая по интенсивности детонации соответствует испытуемому бензину). Индекс «И» означает, что октановое число определено по исследовательскому методу (режим частичных нагрузок работы двигателя).

Бензины по фракционному составу подразделяются на летние и зимние. Летние бензины предназначены для применения во всех районах страны, кроме северных, в период с 1 апреля по 1 октября, а в южных районах всесезонно. Зимние бензины применяются в северных районах всесезонно, а в остальных с 1 октября по 1 апреля. В период перехода с одного вида бензина на другой допускается в течение одного месяца применять как летний, так и зимний бензин,

атакже их смеси.

Всвязи с участием России в европейских экологических программах «Евро-1», «Евро-2», «Евро-3» и «Евро-4», направленных на резкое снижение вредных выбросов от автотранспорта, Всероссийским научноисследовательским институтом по переработке нефти разработан стандарт ГОСТ Р51105-97. По этому стандарту должны выпускаться четыре вида бензина: «Нормаль-80» (заменит бензины А-76 и АИ-80), «Регуляр-91» (заменит бензины

22

АИ-92 и АИ-93), «Премиум-95» (заменит АИ-95) и «Супер-98» (заменит АИ-98). В стандарте изменены требования к фракционному составу бензинов.

Дизельное топливо — это продукт прямой перегонки нефти с использованием процессов гидроочистки (удаление соединений серы) и депарафинизации (удаление парафиновых углеводородов с высокой температурой плавления). Температура вспышки дизельного топлива составляет 35–80 °С, застывания — ниже минус 5 °С, теплота испарения 234–270 кДж/кг.

Всоответствии с ГОСТ 305–82 (с изм.) промышленностью выпускаются следующие марки дизельного топлива: Л (летнее), З (зимнее), А (арктическое). Эти топлива предназначены для использования на всех моделях быстроходных дизельных двигателей наземной и судовой техники.

Топливо Л предназначено для дизелей, эксплуатирующихся при температуре окружающего воздуха 0 °С и выше.

Топливо З должно иметь температуру застывания не выше минус 35 °С при эксплуатации с температурой окружающего воздуха минус 20 °С и не выше минус 45 °С при температуре минус 30 °С и выше.

Температура застывания арктического дизельного топлива не превышает минус 55 °С. Оно предназначено для дизелей, работающих в суровых условиях Севера и Сибири.

Взависимости от содержания серы дизельное топливо подразделяется на два вида: в первом содержание серы составляет не более 0,2 % и во втором — не более 0,5 % (для марки А — не более 0,4 %).

При обозначении летнего дизельного топлива к его букве (Л) добавляются цифры, обозначающие содержание в нем серы и температуру вспышки. Например, летнее топливо с содержанием серы до 0,2 % и температурой вспышки 40 °С имеет обозначение: Л-0,2-40. В условное обозначение зимнего топлива входят буква и цифры, соответствующие массовой доле серы и температуре застывания. Например, зимнее топливо с массовой долей серы до 0,5 % и температурой застывания минус 45 °С имеет обозначение: 3–0.5–(–45). При обозначении арктического топлива к его букве (А) добавляется только цифра, указывающая содержание серы, например, А-0.4

Загрязнение воздушного бассейна происходит в результате эмиссии паров бензина из горловин бензобаков при их заправке, а также в процессе эксплуатации автотранспортных средств.

Экспериментально установлено, что одна капля бензина диаметром 1 мм при температуре 20 °С полностью испаряется за 3 секунды, а диаметром 0,01 мм — за 0,2 секунды. Поэтому уменьшение испарений углеводородов является наиболее эффективным способом борьбы с фотохимическими загрязнениями атмосферы.

23

Человек с нормальным обонянием ощущает запах паров бензина при концентрациях их в воздухе около 400 мг/м3. Легкое отравление парами бензина может наступить через 5–10 мин. пребывания человека в атмосфере с концентрацией паров бензина в пределах от 900 до 3612 мг/м3. При этом появляются головная боль, головокружение, сердцебиение, слабость, психическое возбуждение, беспричинная вялость, дрожание вытянутых рук, мышечные судороги.

При непродолжительном вдыхании воздуха с концентрацией паров бензина от 1000 до 5000 мг/м3 уже через несколько минут появляются головная боль и неприятные ощущения в горле. Первыми признаками острого отравления парами бензина являются понижение температуры тела и замедление пульса. С повышением температуры окружающего воздуха сила токсичного воздействия бензина резко повышается.

При воздействии на кожу бензин и дизельное топливо обезжиривают ее и могут вызвать кожные заболевания — дерматиты и экземы. Бензиновые фракции не накапливаются в организме, но ядовитые вещества, растворенные в нем (например, тетраэтилсвинец в этилированном бензине), остаются в организме.

Воздействие канцерогенных веществ зависит как от дозы, так и от продолжительности их действия. Новообразования возникают не сразу после начала воздействия, а лишь через большой срок для человека этот срок может быть равен 15–20 годам). Установлено, что человеческий организм интенсивно накапливает и удерживает бенз(α)пир в детском возрасте и в возрасте старше 50 лет.

Результаты исследований влияния паров бензина на растения показали, что усиливается стрессовая нагрузка на них, возрастает скорость отмирания хвои, изменяется кислотность клеточного сока, понижается иммунитет культурных растений.

Скорость испарения углеводородов дизельного топлива в несколько раз ниже скорости испарения бензинов, следовательно, загрязнение окружающей среды дизельным топливом в основном, обусловлено его утечками. При этом происходит загрязнение грунтов, подземных вод и водоемов.

Загрязнение почвы дизельным топливом приводит к значительным физи- ко-химическим изменениям, выражающимся в изменении микроэлементарного состава почвы, ее водно-воздушного и окислительно-восстановительного режимов. Избыток органических углесодержащих веществ, поступающих в почву, нарушает нормальное соотношение углерода и азота, а также приводит к дефициту кислорода, азота и фосфора. Вследствие ухудшения агрохимических свойств почвы задерживается рост зерновых, бобовых культур и др.

Загрязнение подземных вод дизельным топливом не только ухудшает качество воды, но и делает ее непригодной для питьевых и других целей.

24

При отравлении парами дизельного топлива у человека наблюдаются те же признаки, что и при отравлении парами бензина, а частое и длительное воздействие дизельного топлива раздражает слизистую оболочку и кожу человека.

Моторные масла предназначены для смазывания двигателей внутреннего сгорания с целью уменьшения трения, снижения износа и предотвращения задира контактируемых поверхностей. Одновременно с этим масло отводит тепло от трущихся деталей и уплотняет зазоры, в первую очередь в зоне цилиндропоршневой группы.

Для производства моторных масел используются, как правило, минеральные (нефтяные) или синтетические базовые продукты.

Минеральные базовые масла получают путем переработки сырой нефти с применением различных процессов разделения.

Синтетические базовые масла искусственно создают из нефтяных или растительных продуктов. Эксплуатационные свойства этих масел выше, чем минеральных, поэтому их используют для экстремальных условий работы, как при высокой, так и при низкой температуре. Главным недостатком синтетических масел является то, что они по своей природе более дорогие, чем минеральные, а возможности их производства ограничены. Кроме того, некоторые из них имеют еще один недостаток — они вызывают большее набухание резинотехнических изделий, поэтому их следует с осторожностью использовать там, где они могут контактировать с уплотнениями, предназначенными для работы с минеральными маслами.

Отечественные и импортные моторные масла классифицируются по уровню эксплуатационных свойств и вязкости. Однако наша система классификации отличается от общепринятой мировой, что вызывало трудности, поэтому принято решение о переходе на мировую систему индексации моторных масел. Однако сегодня еще действует ГОСТ 17479.1-85 «Масла моторные. Классификация и обозначения», согласно которому осуществляется классификация этих масел.

Воздействие моторных масел на почву и подземные воды сходно с воздействием дизельных топлив.

Влияние масла на открытые водоемы проявляется в ухудшении физических свойств воды (замутнение, изменение цвета, вкуса, запаха); растворении в воде токсичных веществ; образовании поверхностной пленки и осадка на дне водоема, понижающих содержание в воде кислорода. Масло, попадая в воду, растекается вследствие гидрофобности по поверхности, образуя тонкую пленку, которая перемещается со скоростью примерно в два раза больше, чем скорость течения воды. При соприкосновении с берегом и прибрежной растительностью пленка оседает на них. В процессе распространения по поверхности воды лег-

25

кие фракции масла частично испаряются, растворяются, а тяжелые опускаются в толщу воды, оседают на дно и образуют данное загрязнение.

В состав композиции смазочных масел с целью улучшения их функциональных свойств вводятся токсичные индивидуальные компоненты, характеризующиеся определенными токсикологическими свойствами.

К таким компонентам (вредным веществам) можно отнести функциональные присадки, добавляемые к основам смазочных масел с целью улучшения их противоизносной, противозадирной, защитной, антиокислительной эффективности.

Отравление маслами с токсичными присадками вызывается при длительном и систематическом воздействии их на незащищенные кожные покровы и при работе в одежде, пропитанной маслом. Наиболее часты фолликулярные поражения кожи, представляющие собой заболевания волосяных мешочков и сальных желез. Эти заболевания известны под названием масляных, или керосиновых, угрей. Смазочные масла могут вызывать экзему, дерматиты, пигментацию кожи и даже более тяжелое заболевание — образование бородавочных разрастаний, переходящих в рак.

Дыхательные пути и легкие человека более чувствительны, чем другие органы, к воздействию масляных паров и масляного тумана. Вдыхание масляного тумана со взвешенными частицами от 1 до 100 мкм вызывает отравление. Опасность отравления парами или туманами масел сильно увеличивается, если в масле содержатся сернистые соединения.

Токсичные свойства масел усиливаются с повышением их температуры кипения, кислотности, а также с увеличением содержания в их составе ароматических углеводородов, смол и сернистых соединений

Низкозамерзающие жидкости, используемые в жидкостной системе охлаждения автотракторных двигателей, представляют собой смесь этиленгликоля с дистиллированной водой.

Смесь может быть приготовлена в любых соотношениях в зависимости от требуемой температуры ее замерзания. В чистом виде этиленгликоль — бесцветная прозрачная жидкость без запаха, с температурой замерзания минус 11,5 °С. Максимально низкой температурой замерзания (минус 75 °С) обладает смесь, содержащая 66,7 % этиленгликоля и 33,3 % дистиллированной воды.

Промышленность кроме чистого этиленгликоля выпускает водоэтиленгликолевые смеси (антифризы) двух марок — 40 и 65 (цифра означает температуру замерзания смеси). В марке 40 содержится 53 % этиленгликоля и 47 % воды, в марке 65 соответственно 65 % и 35 %.

С целью уменьшения вспенивания антифризов и снижения коррозионных свойств в них добавляют 2,5–3 % присадок сложной композиции. Такую жид-

26

кость называют тосолом, которую выпускают три марки: «Тосол AM», «Тосол A- 40М» и «Тосол А-65М». Буква «М» указывает на то, что в антифриз введен молибденовокислый натрий, который улучшает антикоррозионные свойства в отношении цинковых и хромовых покрытий.

Несколько дешевле тосола в производстве низкозамерзающая жидкость зеленого цвета «Лена», выпускаемая на основе этиленгликоля. У нее меньшая коррозионная активность по отношению к алюминию, припою, чугуну, слабее выражено воздействие на резинотехнические изделия.

Жидкость «Лена» совместима в любых соотношениях с тосолом. Следует помнить, что этиленгликоль ядовит, поэтому обращаться с ним нужно осторожно. Этиленгликолевые жидкости не представляют опасности для острых ингаляционных отравлений, однако опасны при попадании внутрь организма человека.

Жидкости обладают характерным алкогольным запахом, сладковатым вкусом и могут быть приняты за спиртные налитки. Прием их внутрь вызывает тяжелые отравления, а в некоторых случаях — смерть. Смертельные дозы жидкости для человека при приеме внутрь — от 35мл и более.

При отравлении средней тяжести отмечаются опьянение, сонливость или возбуждение, потеря аппетита, усиленная жажда, тошнота, рвота.

2.3. Мероприятия по снижению загрязнения окружающей среды

при эксплуатации автомобильного транспорта

2.3.1. Совершенствование конструкций и рабочего процесса двигателей

Выброс токсичных веществ органически присущ двигателям внутреннего сгорания и обусловлен характером протекающих в них процессов смесеобразования и сгорания.

При идеальном протекании процесса сгорания стехиометрической смеси (содержащей теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания топлива) в продуктах сгорания должны присутствовать лишь азот, диоксид углерода и вода. В реальных условиях отработавшие газы содержат (как уже было отмечено) продукты неполного сгорания, продукты термической реакции взаимодействия азота с кислородом, неорганические соединения тех или иных веществ. Полнота превращения реагирующих веществ в конечные продукты зависит от состава рабочего заряда, скорости реакции и от времени, которое отводится на нее в реальных условиях сгорания в цилиндре двигателя.

27

Процесс сгорания в цилиндре двигателя развивается от источника первоначального воспламенения (искровой разряд на электродах свечи зажигания в карбюраторных двигателях или зона факела топлива с оптимальными условиями воспламенения в «дизеле»). Камеру сгорания условно можно разделить на три объема, или зоны:

зона 1 — холодный пристенный слой с температурой менее 400 °С, где вследствие интенсивного теплоотвода смесь вообще не горит, и поэтому сохраняются углеводородные топлива;

зона 2 –— зона пиролиза (граничит с пристенным слоем), в которой температура (до 750 °С) достаточна для расщепления углеводородных молекул на радикалы, частичного окисления углеводородов и полимеризации ПАУ;

зона 3 с температурой выше 750 °С — зона нормального высокотемпературного горения, в которой при температуре 2000 °С образуется оксид азота (с последующем доокислением до диоксида азотаи оксид углерода).

Такое условное выделение зон в объеме камеры сгорания полностью применимо к бензиновым двигателям. Снижению выброса продуктов неполного сгорания и улучшению экономичности двигателей способствует обеднение смеси. Однако работа многоцилиндрового бензинового двигателя при α > 1,15 практически невозможна из-за появления пропусков воспламенения в отдельных цилиндрах. Поэтому обеспечить устойчивое сгорание смеси при ее обеднении (α > 1,3) можно двумя путями: созданием расслоения топливовоздушной смеси

исжиганием в камере сгорания однородной сильно турбулизированной обедненной смеси.

Сущность расслоения в том, что начальная стадия процесса сгорания происходит в зоне обогащенной смеси, а последующая — в зоне бедной смеси.

Расслоить смесь можно в разделенных (форкамерных) и неразделенных камерах сгорания. У форкамерных двигателей в дополнительной камере сгорания смесь обогащенного состава надежно воспламеняется электрической искрой. Факел пламени в основной камере сгорания полностью сжигает обедненную смесь. Недостаток таких двигателей — сложность систем приготовления смеси

игазораспределения, повышенные тепловые потери ввиду усложненной конфигурации и большой площади камеры сгорания.

Расслоение заряда в неразделимых камерах сгорания достигается направленной подачей обогащенной смеси к электродам свечи зажигания, а бедной смеси — в периферийную зону.

28

Организация сгорания смеси с расслоением заряда гарантирует содержание в отработавших газах окиси углерода до 0,2 %, а также снижение объема углеводородов.

Всилу ряда недостатков (усложнение конструкции, снижение мощности при работе двигателя на полных нагрузках) камеры сгорания с расслоением смеси не находят широкого применения.

Наиболее перспективный путь — сжигание в камере сгорания однородной сильно турбулизированной обедненной смеси. Турбулизация смеси происходит при закручивании потока различными устройствами: винтовые впускные канаты, заслонки, радиальные ширмы на впускных клапанах и др. Воспламенение обедненных топливовоздушных смесей обеспечивается установкой в цилиндре двух свечей зажигания, применением многоэлектродных свечей, свечей с повышенной энергией и увеличенной продолжительностью разряда.

Вдвигателях с расслоением и высокой турбулизацией заряда допустимо увеличение степени сжатия до 12–13 единиц с целью повышения индикаторного КПД.

Вдвигателях с непосредственным вспрыскиванием топлива в цилиндры образование токсичных веществ, в частности углеводородов и частиц углерода, предопределяется также особенностями смесеобразования, включая структуру распыляемого факела.

Для организации малотоксичного рабочего процесса дизелей необходимо уменьшить интенсивность тепловыделения в начальный период сгорания при условии увеличения скорости сгорания и турбулизации смеси в конечный фазе сгорания. Это в наибольшей степени реализуется в разделенных и вихревых камерах сгорания. В них сгорание происходит в две стадии. На первой стадии в дополнительную камеру впрыскивается все топливо, и его сгорание происходит при α < 1, что ограничивает образование оксидов азота (несмотря на высокие температуры). Во второй стадии в основном объеме камеры сгорания смесеобразование происходит при избытке кислорода, но при пониженных по сравнению с неразделенной камерой температурах. Интенсивное вихреобразование способствует догоранию несгоревших частиц топлива и сажи.

Таким образом, выбросы всех групп токсичных веществ двигателем с разделенной камерой сгорания в 1,5–3 раза ниже, чем с неразделенной. Кроме того, «дизели» с предкамерами могут работать на более высоких частотах вращения и имеют меньшую шумность. Недостаток двигателей с разделенными камерами — худшая на 10–15 % экономичность по сравнению с двигателями, имеющими неразделенные камеры сгорания.

29

Полуразделенные камеры сгорания обладают положительными свойствами как разделенных, так и неразделенных и получили наибольшее распространение на автотракторных «дизелях».

На образование вредных веществ существенное влияние оказывает процесс смесеобразования в дизельных двигателях, которое может быть объемное, пленочное или объемно-пленочное.

Традиционным является объемное смесеобразование, однако широкое распространение получают дизели с пленочным смесеобразованием. В этом случае топливо впрыскивается плотной струей, попадает на горячую поверхность камеры сгорания и интенсивно испаряется.

Заметного снижения токсичности отработавших газов можно достигнуть путем осуществления рабочего процесса дизельного двигателя по схеме двойной топливоподачи, при которой в цилиндр сначала подается «запальная» порция топлива (12–18 % от суммарной цикловой подачи), а затем — основная. Первый период сгорания характеризуется умеренной скоростью тепловыделения, второй — возрастанием его интенсивности, что благоприятно сказывается на снижении образования в цилиндре вредных веществ, снижению дымности, уровня вибрации и шуме дизеля.

«Запальная» порция топлива не должна быть малой, так как в этом случае при впрыске в начале такта впуска она успевает полностью испариться. Образуется неоднородная но своему составу бедная смесь и предварительных центров подготовки воспламенения топлива не возникает.

Осуществление разделенного впрыскивания топлива (без существенной переделки серийной топливной аппаратуры) возможно у высокооборотных «дизелей» с относительно малыми размерами цилиндра.

Снижения токсичности можно добиться путем применения специальных малотоксичных регулировок ДВС, хотя при этом несколько ухудшаются параметры топливной экономичности.

Регулировки в дизелях сводятся к уменьшению установочного угла отражения впрыска топлива и к увеличению α (ограничению цикловой подачи).

Уменьшение угла опережения впрыска топлива приводит к снижению оксидов азота, но к увеличению выбросов сажи и удельному расходу топлива. Выбросы окиси углерода, углеводородов и альдегидов практически неизменны.

Ограничение цикловой подачи на 30 % от номинальной приводит к снижению на 70–80 % выбросов окиси углерода, углеводородов и сажи.

30