Экология транспорта. Учебное пособие

Газохол — смесь нефтяного бензина с этанолом (до 20 %). По большинству показателей газохол соответствует современным бензинам, но дает ощутимый эффект в плане экономии нефтяного компонента топлива и повышения экологичности смеси.

Использование водно-топливных эмульсий (ВТЭ) — один из способов повышения эффективности сгорания топлива. В этом случае двигатель совмещает в себе функции двигателя внутреннего сгорания и паровой машины.

Впрыск воды в цилиндр в количестве 35 % от количества расходуемого низкооктанового бензина позволяет устранить детонацию двигателя, улучшить его охлаждение, увеличить долговечность и мощность на 10 %, снизить расход топлива на 15 %.

При работе дизелей на ВТЭ дымность отработавших газов уменьшается в результате влияния водяных паров на процесс газификации углерода (сажи). При увеличении содержания воды в ВТЭ снижается средняя температура цикла и, соответственно, содержание оксидов азота в отработавших газах.

Однако воду следует впрыскивать в цилиндр в мелкодисперсном состоянии, поэтому сложность широкого применения ВТЭ заключается в необходимости оснащения заправочных станций специальными устройствами для приготовления эмульсии.

Двухтопливное питание используется для рационального использования детонационной стойкости бензинов. В этом случае по основной топливной системе постоянно подается низкооктановый бензин, а по второй (дополнительной) — высокооктановая добавка только на режимах больших нагрузок. В качестве добавок могут использоваться самые разнообразные продукты нефтяного происхождения: спирты и их смеси с водой, эфиры, побочные продукты нефтехимических производств и др.

Применение двухтопливного питания дает возможность использовать бензины с уменьшенным на 10–12 ед. октановым числом, при этом подача добавки экономит 5–8 % бензина.

В свою очередь, снижение октанового числа уменьшает на 7–12 % затраты нефти при производстве бензинов и тем самым позволяет существенно увеличить их выработку (выход).

Основной недостаток двухтопливного питания — усложнение топливоподающей системы двигателя.

2.3.4. Правила малотоксичной эксплуатации двигателей

Количество вредных выбросов двигателями в эксплуатационных условиях, в значительной степени зависит от технического состояния и регулировки

41

их систем. В первую очередь это относится к тем системам, которые периодически следует проверять и регулировать в режимах, широко используемых при эксплуатации и легко имитируемых без специального оборудования в условиях предприятий.

Значительная доля времени работы двигателей в режиме холостого хода обусловливает необходимость выдерживания оптимальных регулировок его систем в этом режиме. В эксплуатационных условиях основными регулируемыми параметрами для бензиновых двигателей являются состав смеси, характеризуемый коэффициентом избытка воздуха α, величина минимальной частоты вращения холостого хода п, угол опережения зажигания .

Значительно снизить выброс вредных веществ и улучшить экономичность в эксплуатационных условиях можно при проверке и регулировке двигателей не только в режиме холостого хода, но и при нагрузочных режимах, дающих возможность выявить неисправности всех систем и механизмов.

От профессионального мастерства водителя автомобиля и других транспортных средств в значительной степени зависит расход топлива в эксплуатационных условиях. Выбросы вредных веществ зависят от количества расходуемого топлива, поэтому можно предположить, что приемы, используемые водителем при управлении транспортным средством, влияют и на их количество.

Вэксплуатационных условиях движение автомобиля включает разгоны, движение с постоянной или близкой к ней скоростью, замедления, которые могут осуществляться с включенной передачей или отъединенным от трансмиссии двигателем, а также с использованием тормозов.

Поэтому водитель в первую очередь должен выбирать оптимальные режимы при разгонах и движении с постоянной скоростью, в которых выбрасывается основная масса вредных веществ и расходуется большее количество топлива.

На токсичность и экономичность автомобиля в процессах разгона влияет положение дроссельных заслонок карбюратора. При уменьшении угла открытия дроссельных заслонок от 100 до 70 % расход топлива снижается при практически одинаковых значениях вредных выбросов и средней скорости автомобиля.

Всвязи с тем, что зависимости составов топливно-воздушной смеси и отработавших газов от положения дроссельных заслонок и частоты вращения для бензиновых двигателей различных моделей аналогичны, а мощности двигателей, отнесенные к массе автомобилей, близки, при разгоне легковых автомобилей целесообразно открывать дроссельную заслонку на 50 %, а переключать передачи при частотах, составляющих 0,5–0,6 номинальной.

Исследования по разгону грузовых автомобилей с бензиновыми двигателями показывают, что с целью экономии топлива и снижения вредных выбро-

42

сов в окружающую среду с учетом производительности автомобилей дроссельные заслонки карбюратора целесообразно открывать на 60–80 % от их полного открытия и переключать передачи при частотах вращения 2300–2500 мин–1.

На грузовых автомобилях с «дизелями» при всережимном регулировании во время разгона целесообразно устанавливать рычаг управления топливоподачей в положение, близкое к 80 % от полной подачи, и переключать передачи, когда скорость на включенной передаче перестает увеличиваться.

Увеличение скорости перемещения рычага управления топливоподачей автомобиля с дизельным двигателем приводит к незначительному росту средней скорости в процессе разгона и аналогичному увеличению расхода топлива при фактически неизменных выбросах вредных веществ. Поэтому целесообразнее перемещать орган управления топливоподачей плавно, особенно это относится к автомобилям с бензиновыми двигателями, в которых при резком открытии дроссельных заслонок наблюдается значительное обогащение топливовоздушной смеси в начале разгона и повышенные выбросы СО и СmHn.

В процессе движения автомобиля с постоянной скоростью, величина которой зависит от многих факторов, водитель выбирает передачу для движения автомобиля с данной скоростью.

Дня автомобиля с «дизелем» в эксплуатационных условиях по возможности необходимо использовать наиболее высокую передачу. При этом будет наблюдаться снижение вредных выбросов и повышение экономичности автомобиля.

Обязательным условием экономного расходования топлива и снижения вредных выбросов двигателями является повышение профессионального мастерства водителей транспортных средств, обучение их рациональным приемам управления. Умению выбора оптимального режима работы двигателя в эксплуатационных условиях следует обучать в процессе подготовки водителей. В настоящее время широко распространены бортовые приборы, помогающие водителю выбрать оптимальный режим работы двигателя. Принцип работы таких приборов заключается в измерении параметров двигателя, характеризующих режим его работы, и подаче сигналов водителю о необходимости изменить режим работы, если он не является оптимальным, путем включения другой передачи. В бензиновых двигателях замеряют положение дроссельных заслонок карбюратора или разрежение за дроссельными заслонками и частоту вращения, в дизельных — положение рейки топливного насоса и частоту вращения. Использование таких приборов дает возможность снизить расход топлива автомобилем на 10–20 %, а это, как правило, приводит к снижению суммарных вредных выбросов.

43

Дорожные условия объединяет большая группа фактов, оказывающих влияние на режимы движения автомобиля, его скорость, затрачиваемую для движения, мощность двигателя. К таким факторам принадлежат коэффициент сопротивления качению, угол продольного профиля дороги, интенсивность и состав транспортного потока, расстояние между перекрестками и светофорами, наличие дорожных знаков различного назначения и др.

Увеличение коэффициента сопротивления качению на 0,01 увеличивает суммарные выбросы, приведенные к СО, у легковых автомобилей на 52–65 %.

У грузовых автомобилей с бензиновыми двигателями коэффициент сопротивления качению больше влияет на величину вредных выбросов. При скорости движения 36 км/ч изменение коэффициента сопротивления с 0,014 до 0,03 увеличивает суммарные вредные выбросы в 3,3 раза и расход топлива в 1,6 раза.

Увеличение угла подъема продольного профиля дороги на 10 % способствует повышению суммарных вредных выбросов легкового автомобиля в среднем на 62–77 % и расхода топлива на 20–24 % в интервале скоростей движения 36–72 км/ч.

В значительно большей степени влияет величина угла подъема дороги на токсичность и экономичность грузового автомобиля. При движении автомобиля ЗИЛ-130 с полной нагрузкой со скоростью 36–54 км/ч и увеличении угла подъема дороги на 10 % суммарные вредные выбросы в среднем повышаются на 110–190 %, а расход топлива возрастает на 43–51 %.

Несколько меньшее влияние оказывает величина угла подъема продольного профиля дороги на токсичность автомобиля с «дизелем». Увеличение угла подъема на каждые 10 % приводит к повышению суммарных вредных выбросов автомобилем при движении со скоростями 36–50 км/ч на 27–34 %. При этом расход топлива увеличивается на 42–52 %.

Как уже отмечалось, движение транспортных средств в населенных пунктах и городах является циклическим. Путь цикла определяется расстоянием между светофорами, перекрестками, пешеходными переходами.

Увеличение пути цикла приводит к значительному снижению расхода топлива и выбросов отдельных вредных веществ, а также ихобъема.

Для грузового автомобиля с бензиновым двигателем увеличение пути цикла на 100 м в пределах 250–500 м снижает суммарные выбросы вредных веществ и расход топлива в среднем соответственно на 17 и 16 %, а в пределах от 500 м до 1000 м лишь на 5,7 и 3,3 %.

Циклическое движение автомобиля с дизелем также способствует повышению вредных выбросов и расхода топлива по сравнению с установившимся. С увеличением пути цикла от 300 до 500 м суммарные вредные выбросы и рас-

44

ход топлива снижаются в среднем на 18 % на каждые 100 м пути в этом интервале. Увеличение интервала пути от 500–10 00 м практически не приводит к снижению вредных выбросов, а расход топлива при увеличении пути цикла на 100 м снижается в среднем только на 3,7 %.

Как показывает проведенный анализ, циклическое движение автомобиля существенно влияет на загрязнение окружающей среды и расход топлива. Особенно резкое увеличение вредных выбросов и расхода топлива для всех рассмотренных моделей автомобилей наблюдается при пути цикла до 500 м.

Снижение его на каждые 100 м меньше этого расстояния приводит к повышению суммарных выбросов вредных веществ и расхода топлива на 16–20 %.

Таким образом, снижение вредных выбросов двигателями транспортных средств является комплексной задачей.

45

3. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ТРАКТОРОВ И АВТОМОБИЛЕЙ

Электрооборудование предназначено для выработки электрической энергии (электроснабжения), обеспечения работы системы зажигания, пуска, приборов освещения, сигнализации и диагностирования. В современных автотракторных средствах электрическая энергия используется автоматического управления двигателем, трансмиссией и другими агрегатами, а также обеспечения безопасности движения и комфорта в салоне.

Все приборы электрооборудования делят на две группы: источники электрической энергии (генераторы и аккумуляторные батареи) и потребители.

3.1. Источники экологической опасности

3.1.1. Аккумуляторные батареи

Аккумуляторные батареи, установленные на тракторах и автомобилях, предназначены для питания электрического стартера при пуске двигателя и снабжения энергией потребителей при не работающем двигателе или при работе его на малой частоте вращения, когда мощность генераторной установки не превышает мощности аккумуляторной батареи. Наибольшее распространение получили свинцовые (стартерные) батареи, которые способны давать большие токи при малом падении напряжения на выводах. Щелочные аккумуляторы громоздки (в 2 раза тяжелее свинцовых), имеют низкий коэффициент полезного действия — 0,55–0,70 (тогда как у кислотных он равен 0,85–0,90), а потому применяются редко.

Кислотно-свинцовая аккумуляторная батарея представляет собой электрохимическое устройство, преобразующее электрическую энергию в химическую при заряде и химическую энергию в электрическую при разряде. Активными материалами такой батареи являются: диоксид свинца (РbО2) на положительных пластинах, чистый зубчатый свинец (Рb) — на отрицательных и серная кислота (H2SO4) — в электролите.

Формула общей токообразующей реакции в аккумуляторах следующая:

46

Таким образом, при разряде аккумулятора расходуется серная кислота, и образуется вода, а на обоих электродах — сульфат свинца. При заряде происходит обратный процесс. И в том, и в другом случае изменяется плотность электролита, которая служит показателем степени заряженности аккумулятора.

Одновременно с основной реакцией могут протекать и побочные, например, при заряде аккумуляторной батареи электролиз воды, во время которого происходит выделение газов — кислорода и водорода, приводит к «выкипанию» электролита.

Токсикология свинца изучена очень тщательно, так как его содержание в окружающей среде сейчас растет быстрыми темпами. Соединения свинца нарушают обмен веществ и являются ингибиторами ферментов. В организме свинец депонируется в скелете (до 90 %) в форме труднорастворимого фосфата, заменяя в костях кальций и становясь постоянным источником отравления организма:

Признаками отравления свинцом являются повышенная возбудимость, бессонница, депрессия, ухудшение зрения. В тяжелых случаях поражается головной мозг. Некоторые медики склонны объяснять отравлением агрессивность и преступность.

Свинец в достаточно высокой концентрации тормозит прорастание семян редиса, замедляет рост корней в длину, а также образование корневых волосков. Сильно поражаются молодые листья растений, отравленных свинцом. Свинец вызывает потерю тургора клетками растений, в результате чего листья становятся дряблыми. Клетки корня прекращают делиться. У редиса свинец подавляет образование корнеплодов.

Присутствие свинца в окружающей среде приводит к существенному снижению качества продукции.

Нейтрализация свинца в почвах не наблюдается ввиду слабой способности его миграции по профилю почв.

Установлено, что растения могут содержать повышенные концентрации свинца (до 10 мкг/кг). Зерновые культуры (пшеница, ячмень) могут содержать концентрации свинца, в 5–8 раз превышающие допустимые величины, картофель, например, — до 26 раз. Морковь концентрирует свинец в количествах, превышающих фоновые в 4–7 раз.

47

При производстве аккумуляторов в качестве присадок используется кадмий, который считается токсичнее свинца.

Токсичность кадмия связана с его сходством с нуклеиновыми кислотами. В результате его присоединения к ДНК нарушается ее функционирование. При отравлении кадмием поражается нервная система, возникают острые костные боли, дисфункция половых органов. Период биологического полураспада кадмия в организме составляет около 15 лет.

Серная кислота оказывает существенное влияние на растения. При попадании серной кислоты на растение возникают пятна на его листьях, подавляется прорастание пыльцы.

3.1.2. Системы зажигания

Система зажигания предназначена для своевременного воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателя. Для улучшения экономических и экологических показателей бензиновых двигателей изыскивают способы эффективного поджига бедных смесей (такие смеси сгорают вяло), а это требует мощных источников воспламенения. В качестве таких источников используют свечи зажигания, которые представляют собой разрядник с двумя электродами, разделенными воздушным промежутком.

Воспламенение смеси осложняется тем, что электрическую искру подают на электроды свечи зажигания в конце такта сжатия при давлении в цилиндре, равном примерно 1,5 MПa. Чтобы в среде с такой плотностью обеспечить бесперебойное искрообразование между электродами свечи, пробивное напряжение должно составлять 16–25 кВ (с запасом).

Высокое напряжение получают в катушке зажигания (бобине) путем трансформации тока низкого напряжения, поступающего от 12-вольтовой аккумуляторной батареи, которая питает систему. Такие системы называют батарейными (по источнику тока).

Импульс высокого напряжения возникает при размыкании контактов прерывателя, работающего синхронно с механизмом газораспределения. Электрическую искру по отдельным цилиндрам в соответствии с порядком работы двигателя распределяют прибором, называемым распределителем.

Электромагнитное излучение — один из каналов потерь энергии при работе электроустановок и приборов, в том числе электрооборудования и систем зажигания автомобиля.

Поглощенная тканями энергия электромагнитного поля превращается в тепловую. Поглощение энергии кожным покровом — это наименее опасный

48

случай, поскольку излишнее тепло ощущается как повышение температуры кожи и интенсивно излучается в окружающее пространство. Поглощение энергии электромагнитных волн внутренними органами наиболее опасно, так как ряд органов (почки, сердце, мозг, глаза) обладают слабовыраженным механизмом терморегуляции. Увеличение температуры этих органов даже на 1 °С может привести к необратимым последствиям.

Медицинские обследования людей, производственная деятельность которых связана с изменением электромагнитных полей, показали, что их жалобы на быструю утомляемость, боль в суставах, головную боль являются не субъективными ощущениями, а результатом воздействия электромагнитных полей. Электромагнитные поля повышенной напряженности способны вызвать у человека зрительный эффект мелькания и нарушения ориентации. В автомобилях с карбюраторными двигателями электромагнитное поле наибольшей интенсивности создают приборы системы зажигания. Следующей по интенсивности излучения является группа приборов системы электрического питания автомобиля: генераторы постоянного и переменного тока, регуляторы напряжения, системы вспомогательных устройств с электропроводом, всевозможные датчики, работа которых связана с коммутацией напряжения.

Основной источник электромагнитных излучений — системы зажигания автомобиля и в первую очередь свечи, распределитель, высоковольтные провода. При работе системы зажигания электромагнитные излучения возникают вследствие пробоя газовых зазоров свечей и распределителя зажигания. Образующийся искровой заряд состоит из емкостной и индуктивной составляющих. Емкостная составляющая обусловлена пробоем накопленной энергии заряда высокого вторичного напряжения, индуктивная составляющая — выделением энергии, наколенной в катушке зажигания при прохождении тока в ионизированном газовом промежутке, образованном емкостным зарядом.

Приборы системы зажигания и электрооборудования автомобиля являются первичными излучателями электромагнитных волн.

Отрицательное воздействие электромагнитных полей на человека и на те или иные компоненты экосистем прямо пропорционально мощности поля и времени облучения.

49

3.2. Правила экологически безопасной эксплуатации электрооборудования

3.2.1. Правила безопасного использования аккумуляторных батарей

В процессе работы с аккумуляторными батареями должны быть исключены случаи отравлениями парами кислоты, свинцом и его окислами.

Для предохранения от попадания серной кислоты в организм человека работать с ней следует в специальном костюме (из грубой шерсти, не разъедаемой электролитом), резиновых фартуках, перчатках и сапогах, в защитных очках. Нельзя перемещать бутыли с кислотой, держа их за горловину. Во избежание расплескивания вещества при транспортировке бутылей они должны быть плотно закупорены пробками.

При доливании к кислоте воды происходит бурная реакция с разбрызгиванием кислоты. Поэтому категорически запрещается при приготовлении электролита вливать воду в кислоту. Необходимо вливать кислоту тонкой струйкой в воду при непрерывном помешивании стеклянной или эбонитовой палочкой. В случае попадания брызг на кожу надо немедленно осторожно снять кислоту ватой, промыть пораженные места обильной струей воды и затем 3–10 %-ным раствором кальцинированной соды или 5–10 %-ным раствором нашатырного спирта. Пролитая кислота должна быть немедленно нейтрализована струей воды, при этом не допускается попадание раствора в питьевые колодцы.

Попадая через нос и рот в желудок, свинец и его окислы растворяются и переносятся в кровь, вызывая хроническое отравление. Другие пути проникновения вещества в организм — руки и одежда, загрязненные свинцовой пылью в процессе зачистки и пайки пластин, межэлементных соединений и полюсных выводов. Поэтому для предупреждения отравления свинцом обслуживающий персонал обязан:

перед принятием воды или пищи полоскать рот 1 %-ным раствором питьевой соды и тщательно мыть руки с мылом;

коротко стричь ногти, не носить усов и бороды, регулярно бриться;

ежедневно утром, а также после работы и вечером тщательно чистить зубы;

после окончания работы оставлять одежду в специальном шкафу;

не посещать столовую и не выходить с территории предприятия в спецодежде;

сдавать спецодежду для стирки не реже одного раза в неделю;

50