Воздух в наших городах (2 часть)

Экологические стандарты являются важным элементом нормативной базы создаваемой в настоящее время системы сертификации автотранспорта. Действующие стандарты на токсичность и дымность отработанных газов предъявляют достаточно жесткие требования к экологическим параметрам автомобильной техники. К сожалению, из-за различия в методиках испытаний практически не представляется возможным сопоставить их со стандартами, действующими в других странах, в том числе с требованиями Правил ╧ 15, 24, 49 ЕЭК ООН. В настоящее время практически решен вопрос о прямом применении в России международных экологических стандартов (соответствующих Правил ЕЭК ООН).

В системе эксплуатации автомобильного транспорта используются два стандарта. Первый устанавливает нормы предельно допустимого содержания окиси углерода (СО) и углеводородов (СН) в отработанных газах автомобилей с бензиновыми двигателями.

Второй стандарт регламентирует требования к автомобилям с дизельными двигателями. Он предусматривает проверку как новых, так и находящихся в эксплуатации автомобилей на дымность. Проверка осуществляется на стоящем автомобиле при работе двигателя на двух режимах: при ускорении и максимальной частоте вращения на холостом ходу.

Одним из наиболее опасных параметрических загрязнений окружающей среды является транспортный шум. Эта проблема находится в поле зрения специалистов автомобилестроения, эксплуатации автомобильного транспорта, организации дорожного движения, градопланировки и строительства:

60-80% шумов, настигающих человека в жилой застройке, создают транспортные потоки.

В таблице приводятся данные об источниках транспортного шума.

1) совершенствованию двигателя автомобиля и его технического состояния;

2) рациональной организации перевозок и движения;

3) сокращению распространения загрязнения от источника к человеку.

Одно из основных мероприятий - совершенствование конструкции современного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием. Наибольшее влияние на токсичность отработанных газов оказывают изменения, вносимые в систему питания и зажигания ДВС, поскольку они определяют процесс воспламенения и сгорания рабочей смеси.

Работы ведутся в следующих направлениях:

- улучшение качества смесеобразования во впускной системе;

- улучшение распыления топлива;

- применение регуляторов принудительного холостого хода;

- обеспечение равномерного распределения смеси по цилиндрам.

Применение нейтрализаторов позволяет снизить содержание вредных веществ в отработанных газах. В настоящее время наибольшее распространение получили каталитические нейтрализаторы, в которых используются платина, палладий, радий. Эти вещества позволяют существенно снизить порог энергии, при котором начинаются окислительно-восстановительные реакции.

Нейтрализаторы бывают восстановительные и окислительные. В дизелях применяются только окислительные нейтрализаторы, принцип работы которых заключается в том, что отработанные газы, проходя по нейтрализатору, вступают в реакцию с расположенными там гранулами дорогих металлов (платина, палладий) и превращаются в другие, не токсичные вещества.

Различные типы нейтрализаторов размещаются в выпускном тракте ДВС и там в зависимости от принципа работы (каталитический, термический, механический и водяной) выполняют свои функции.

Ведутся поисковые работы по созданию сажевых фильтров с системой регенерации, обеспечивающих снижение выбросов твердых частиц на 80-90%. За рубежом такие системы уже находятся в опытно-серийном производстве.

Отечественные конструкции трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов, без которых невозможно обеспечить выполнение перспективных норм выбросов, находятся в стадии лабораторных испытаний.

Другим методом обезвреживания отработанных газов является рециркуляция, т. е. повторное засасывание в цилиндры (вместе с порцией новой горючей смеси), с целью досжигания СО и СН и снижения количества окислов азота непосредственно в цилиндрах двигателя.

На ближайшую перспективу поршневые ДВС останутся основным типом автомобильных двигателей, причем большое развитие должны получить дизельные ДВС. Дизельные ДВС начали широко применяться после второй мировой войны на грузовых автомобилях большой грузоподъемности. Но в последние годы такие преимущества дизельного ДВС, как меньший удельный расход топлива (на 30- 35%) и более низкая токсичность отработанных газов, обусловили их широкое применение не только на грузовых автомобилях большой и средней грузоподъемности, автобусах, но и на легковых автомобилях.

Известен двигатель Стерлинга, построенный фирмой "Филипс".

Интересная подробность: Роберт Стирлинг, живший в начале XIX века, был священником. В то время люди часто получали увечья и гибли из-за взрывов, вызванных резким повышением давления в паровых машинах. Запросы инженеров опережали возможности металлургов. Требовалась сталь, способная выдерживать высокое давление, а она тогда отсутствовала. Однако Роберт Стирлинг пошел по другому пути. Как приличествовало его сану, он скорбел по человеческим трагедиям, и это побудило его сконструировать двигатель, который должен был работать при более низких, а поэтому менее опасных давлениях.

Двигатель Стирлинга долгое время пребывал в забвении, но в последнее время он был вновь возвращен к жизни. Вспомнили о нем потому, что этот двигатель мало загрязняет окружающую среду, является автономным и малошумным. Кроме того, этот двигатель оказался очень удобным для использования в режиме холодильника, т.е. при обращении цикла. Он может работать на спирте, бензине, керосине, дизельном топливе, мазуте, сырой нефти, оливковом и подсолнечном маслах и на некоторых горючих газах. Работает двигатель очень плавно, без вибраций, а уровень его шума сравним с уровнем шума электродвигателя. Токсичность отработанных газов двигателя Стирлинга также значительно ниже токсичности отработанных газов ДВС. Отработанные газы этого двигателя практически не содержат продуктов неполного сгорания (СО, С^Н^, сажа и т. д.) и не имеют неприятного запаха. Это объясняется хорошим качеством смесеобразования, которое можно обеспечить при стационарном процессе сгорания.

Снижение вредных выбросов от автомобилей может быть достигнуто за счет улучшения качества традиционных видов моторного топлива и применения новых, экологически более "чистых" видов горючего. Основное мероприятие здесь - снижение содержания в автомобильных бензинах высокотоксичного антидетонатора тетраэтилсвинца (ТЭС). До настоящего времени около 75% выпускаемых бензинов являются этилированными и содержат от 0,17 до 0,37 г свинца на 1 л бензина. При сгорании этилированных бензинов около половины содержащегося свинца выбрасывается с выхлопными газами в атмосферу.

В США, Германии, Швейцарии, Японии и других странах содержание свинца в автомобильных бензинах доведено до минимума (0,15 г/л и менее), в ближайшее время свинцовые антидетонаторы в этих странах вообще не будут использоваться. В России полный отказ от использования этилированного бензина планируется к 2000 г., что связано с трудностями модернизации технологических процессов нефтепереработки.

Существенное снижение загрязнения окружающей среды и экономия бензина достигаются при замене традиционных видов нефтяного топлива так называемыми альтернативными видами моторного топлива, в первую очередь, газом. В этом плане практическое применение нашли сжиженные пропанбутановые газы и сжатый природный газ. По экспериментальным оценкам, использование газового топлива снижает выбросы окиси углерода в 2-4 раза, окислов азота - в 1,1 - 1,5 и суммарных углеводородов - в 1,4-2 раза.

В последние годы широко проводятся исследования в области использования присадок к топливам в целях уменьшения токсичности и дымности выбросов. Применение присадок позволяет снизить дымность в 4-7 раз (в зависимости от процента содержания присадки в топливе и от режима работы двигателя).

Человечество, поставив себя на грань экологической катастрофы, всерьез задумывается о возможности передвижения без помощи двигателя внутреннего сгорания, безжалостно отравляющего воздух. Один из вариантов - использование солнечной энергии. Конечно, современные машины на солнечных батареях еще не могут соперничать с "Вольво" и "Тойотой", но в США, Японии, Австралии подобные разработки ведутся при непосредственном участии известнейших промышленных фирм.

На территории выставки ЭКСПО-70 в Осаке курсировали электротакси. Весьма успешно работают английские конструкторы: еще в начале 1975 г. на улицах Манчестера появился электрический автобус, рассчитанный на 34 пассажира. В Зеленограде группа энтузиастов под руководством Алексея Кноха совместно с центром научно-технического творчества молодежи ("ДОКА").создали гелиомобиль, вполне способный потягаться на равных с зарубежными моделями. Вес "солнечного первенца" - 1170 кг, габариты - 4500х1500х800 мм, площадь панелей солнечных батарей -6 м². Гелиомобиль имеет два двигателя. Один, мощностью 375 Вт, питается энергией солнечных батарей и в солнечный день обеспечивает движение со скоростью 15 км/час. Второй, мощностью 1100 Вт, работает от аккумулятора. Оба двигателя, работающие одновременно, позволяют развивать скорость до 53 км/час.

Параллельно с интенсивной автомобилизацией общества ведутся научные и технологические разработки в области обеспечения экологической безопасности автотранспортных средств к сожалению, рост объема и темпы процесса автомобилизации существенно опережают внедрение методов и средств экологической безопасности. то обусловлено превалированием экономических интересов производителей автомобилей над экологическими и социальными интересами общества, в том числе и самих производителей.

Наивно рассчитывать, что они могут быть уравновешены посредством агитационно-пояснительной работы. Нужны жесткие государственно-административные меры нормативного характера. Их разработка, применение и контроль за соблюдением должны быть непременной обязанностью всех ветвей власти.

Чем пахнет из выхлопной трубы автомобиля, знают не только водители. Горожане привыкли к запаху выхлопных газов настолько, что порой и не ощущают его. Однако при определенных погодных условиях привыкшим к автомобильному "перегару" "детям асфальта" приходится констатировать чрезмерное содержание в городском воздухе выхлопных газов.

Оценить степень загрязненности московского воздуха можно даже и визуально. Те, кому случалось подлетать к Москве на самолете, могли обратить внимание на так называемый газовый купол. При определенных состояниях атмосферы над крупными городами загрязненный воздух практически не рассеивается и скапливается в виде громадного купола. Изнутри он незаметен, а со стороны, на фоне относительно чистого воздуха, выделяется достаточно отчетливо. Этот же эффект можно наблюдать, если взглянуть со стороны на автодорогу с интенсивным движением. Сидя в салоне автомобиля, движущегося внутри газового облака, к сожалению, не думаешь, чем нам приходится дышать. А вот если взглянуть, например, на Московскую кольцевую автодорогу, особенно на тот участок, где она проходит среди лесных массивов с их относительно чистым воздухом, нередко увидишь облако смога, простирающееся над дорогой.

Свидетелями загрязнения воздуха выхлопными газами придорожного пространства являются деревья, растущие вдоль дорог. В отличие от нас, не всегда обращающих внимание на степень загазованности воздуха и иногда не связывающих изменение нашего самочувствия с тем, чего мы надышались, придорожные деревья быстрее реагируют на это. На многих улицах Москвы липы и березы имеют явные отклонения от нормы. Ветви растут отдельными густыми пучками, наподобие "банных веников". У других пород деревьев изменяется цвет и форма листьев, отслаивается кора, проявляются другие изменения. Но все это - лишь отдельные стадии угнетения деревьев. В дальнейшем растения ждет неминуемая гибель.

Хотим мы или не хотим замечать выхлопные газы, нравится нам их запах или нет, а здоровья они нам не прибавляют. Из чего же состоят автомобильные выхлопы, какое действие оказывают они на организм человека?

При полном сгорании углеводородов конечными продуктами являются углекислый газ (CO2) и пары воды. Однако полного их сгорания добиться пока технически невозможно. Кроме того, любое углеводородное топливо содержит множество добавок, которые отнюдь не улучшают свойства отработавших газов.

Всего в состав выбросов автомобилей входит более 200 различных химических веществ. Это продукты неполного сгорания в виде оксида углерода, альдегиды, кетоны, углеводороды, в том числе канцерогенные, водород, перекисные соединения, сажа. (Канцерогенными называют вещества, способствующие развитию раковых заболеваний.) Продукты термических реакций азота с кислородом, за счет чего образуются оксиды азота. Соединения неорганических веществ, которые входят в состав топлива (соединения свинца и других тяжелых металлов, диоксид серы и др.), избыточный кислород.

Высокое содержание свинца в отработавших газах объясняется тем, что для повышения октанового числа бензина используют различные антидетонационные добавки и чаще всего тетраэтилсвинец. При работе двигателя автомобиля тетраэтилсвинец распадается с образованием частиц твердого оксида свинца. В связи с его высокой токсичностью в последнее время намечается переход на использование неэтилированных бензинов. Однако пока доля потребляемого автотранспортом этилированного бензина достигает 75%.

Количество и состав отработавших газов определяются конструктивными особенностями автомашин, режимом работы их двигателей, техническим состоянием, качеством дорожных покрытий, метеоусловиями. Особенностями работы автомобильных двигателей являются переменные нагрузки, то есть периодические изменения режима работы: холостой ход, разгон, установившееся движение и торможение. Наиболее высокая концентрация оксида углерода (CO) в отработавших газах наблюдается при работе двигателя на холостом ходу и при повышенных нагрузках. Так, по данным НИИАТ, при работе двигателя на холостом ходу содержание оксида углерода в выхлопных газах может в два с лишним раза превышать его содержание при установившемся режиме. Но, вместе с тем, когда автомобиль разгоняется и движется с установившейся скоростью, в отработавших газах отмечаются наибольшие концентрации оксидов азота.

В таблице 1 приведена характеристика городского ритма движения автомобиля. Усредненные значения параметров даны в процентах к их суммарному значению за полный цикл городского движения. Например, за 1 час поездки по городу приблизительно 24 минуты машина простоит у светофоров и в "пробках". То есть, 40 % времени двигатель будет работать на холостых оборотах. За это время будет израсходовано около 15 % топлива от суммарного расхода за этот час. Объем отработавших газов за время работы двигателя на холостом ходу (за 24 минуты) составит 10 % от общего их объема, выбрасываемого за час. В их составе будет около 20 % оксида углерода (CO) и около 17 % углеводородов (CnHm) от суммарного количества этих веществ, выбрасываемого в среднем за час движения по городу.