169645 (Контроль загрязнения воздушной среды, вызванного автотранспортом)

9. Контроль загрязнения воздушной среды, вызванного автотранспортом

1. Введение

1. Основные выбросы, загрязняющие воздух

2. Изучение проблемы

2.1 Механизмы эмиссии

2.2 Механизмы распространения

3. Меры по снижению загрязнения воздуха выбросами автотранспорта

3.1 Технические меры

3.1.1 Бензиновый (карбюраторный) двигатель

3.1.2 Дизельный двигатель

3.1.3 Альтернативные виды энергии

3.1.4 Электротранспорт

3.1.5 Гибридные комбинации

3.1.6 Результаты сравнения видов топлива

3.2 Организационные меры

3.2.1 Управление движением

Заключение

Введение

От общего загрязнения воздуха в результате деятельности человека до 51% приходится на транспорт.

Доля автомобильного транспорта (по разным источникам) составляет 10-30 %.

Определение:

Загрязнение воздуха - загрязнение атмосферы газообразными, жидкими или твердыми веществами, которые могут создавать опасность для человеческой жизни или здоровья, вредить здоровью или естественной жизнедеятельности животных и растений, способны вызывать коррозию материалов, снижать видимость или вызывать нежелательные запахи.

[Из законодательства США]

1. Основные выбросы, загрязняющие воздух

При пробеге 20 000 км автомобиль выбрасывает:

• Свинец (Pb) - 0.775 кг

• Окислы азота (NOx) - 40.75 кг

• Углеводороды (НС) - 234 кг

• Угарный газ (CO) - 765 кг

Диаграмма 1. Распределение вредных выбросов от работы автомобиля

Вывод:

Основные выбросы от работы автотранспорта:

• угарный газ (СО)

• углеводороды (НС)

• окислы азота (NOx)

Под действием солнечного света эти выбросы претерпевают химические превращения, и список вредных веществ пополняется низкоуровневым (тропосферным) озоном О₃ и разнообразными токсинами фотохимического происхождения.

Пример:

Смог наиболее серьезная неприятность из всех типов загрязнения воздуха.

Смог (Smog от английских слов smoke (дым) и fog (туман)) - туман, образующийся при конденсации водяных паров вокруг мелких частичек дыма.

В 1952 году в Лондоне такой смог, вызванный дымом от сжигания угля и английским туманом, унес около 4 000 жизней.

Современная разновидность смога, вызванная выхлопами автомобилей крупного города, под влиянием солнечной радиации преобразуется в фотохимический смог - туман желтого цвета. Эти превращения происходят при фотохимическом разложении углеводородов, выделяющихся при сжигании органического топлива, например, бензина. Продукты реакции включают озон, альдегиды, кетоны, ацетилнитраты, органические кислоты и другие продукты разложения. Кроме того, автомобили выбрасывают так же и угарный газ СО, один из наиболее токсичных составляющих смога.

Еще один тип смога - “ледяной смог”, образуется при очень низких температурах и представляет собой концентрацию мелких кристалликов льда вокруг центров - частичек дыма.

Все типы смога понижают видимость и, за исключением ледяного смога, раздражают дыхательную систему. Статистические наблюдения показывают, что разные типы смога действуют на здоровье человека по-разному. Фотохимический смог вызывает раздражение и слезоточивость слизистой оболочки глаз, а так же приводит к различным повреждениям растительности. Наиболее токсичные смоги вызывают повышение уровня смертности, особенно среди людей, страдающих болезнями дыхательной и сердечнососудистой систем.

2. Изучение проблемы

Оценка и выбор мероприятий снижения уровня загрязнения воздушной среды требуют изучения механизмов эмиссии и механизмов распространения вредных выбросов.

Определение

Эмиссия - выделение, излучение, выбросы отходов, побочных результатов или загрязняющих веществ в атмосферу.

Методы изучения универсальны и состоят из следующих стадий:

1. Определение исходных условий

2. Сбор данных об уровне загрязнения воздуха

3. Анализ данных

4. Сравнение с нормативами

5. Вынесение экспертного заключения

6. Принятие решения

1. 2.1 Механизмы эмиссии

Полная эмиссия автотранспортного средства зависит от трех основных факторов:

1. режим движения транспортного средства

2. его скорость

3. расстояние пройденного пути

Кроме основных факторов на эмиссию также влияют:

• пробег автотранспортного средства (степень его износа)

• марка автомобиля

• масса автомобиля

• степень очистки топлива

• температурный режим

Режимы движения

Выделяют четыре основных режима движения:

• холостые обороты

• разгон

• маршевый режим

• торможение

Все движение транспортного средства состоит из последовательных изменений этих четырех режимов.

Изменение режимов движения приводит к немедленному изменению состава и концентрации выбросов:

Диаграмма 2. Изменение выбросов в зависимости от режимов движения

Диаграмма показывает, как изменяется эмиссия основных загрязняющих веществ при изменении режимов движения.

Эмиссия сильно зависит от состояния двигателя:

В начале поездки, когда двигатель еще не разогрет, происходит неполное сгорание топлива, что приводит к дополнительной эмиссии паров бензина и несгоревших углеводородов. Особенно вреден т.н. “холодный старт”, т.е. запуск холодного двигателя. Двигатель работает нестабильно, испытывая большие нагрузки. Значительно увеличивается расход топлива, а, следовательно, и эмиссия.

В конце поездки, когда автомобиль уже припаркован на стоянку, но двигатель еще горячий, происходит дополнительное испарение топлива в атмосферу.

Скорость движения имеет непосредственное влияние на эмиссию.

Пример:

Эмиссия углеводородов уменьшается с повышением скорости, эмиссия окислов азота - увеличивается.

Диаграмма 3. Зависимость эмиссии от скорости движения транспортного средства

Вывод:

Механизм выброса должен рассматриваться комплексно, с учетом всех возможных составляющих. В противном случае возможна ситуация, когда применяемые односторонние меры не только не улучшат экологической ситуации, но могут усугубить ее.

Для принятия обоснованных решений по защите чистоты воздуха требуется всесторонний анализ процесса загрязнения. Точность анализа повышается при увеличении объемов статистических данных.

1. 2.2 Механизмы распространения

Разработка и оценка мероприятий транспортного контроля TCM (Traffic Control Measure) в отношении загрязнения воздуха требует детального изучения механизма распространения выбросов.

Пример:

Концентрация угарного газа (CO) достигает наиболее высоких отметок на перегруженных автодорогах и быстро снижается при удалении от мест с высокой интенсивностью движения транспорта. Изменение концентрации низкоуровневого озона (О₃) по мере удаления от дороги происходит значительно медленнее, чем угарного газа.

В этих условиях выбор эффективных мер по снижению загрязнения воздуха является крайне сложным. Если для снижения концентрации СО достаточно локальных мероприятий ТСМ, то для снижения концентрации озона нужны мероприятия более широкого радиуса действия.

3. Меры по снижению загрязнения воздуха выбросами автотранспорта

В таких развитых странах как США и Англия оценка влияния на окружающую среду является составной частью дорожного планирования и проектирования.

Однако многие быстро развивающиеся страны, такие как Индия, например, страдают от экологических проблем транспортного характера.

Эти проблемы возникают из-за быстрого роста населения и связанных с ним потребностей в транспортировке. Транспортные потоки значительно возрастают, возрастает протяженность маршрутов и транспортная перегруженность на них, усиливая влияние на окружающую среду.

Все меры по снижению уровня загрязнения воздуха выбросами автотранспорта могут быть разделены на технические меры и организационные меры.

Технические меры

• эффективное использование топлива (уменьшение массы автомобиля, уменьшение мощности двигателя, использование неполноприводных автомобилей для городских условий, улучшение аэродинамики, электронное зажигание, электронный контроль впрыска),

• использование систем очистки выхлопных газов (каталитические конвертеры),

• эффективная очистка топлива (очистка от серных примесей, использование высокооктановых бензинов без содержания свинца),

• новые эффективные двигатели

- дизельные

- газовые

- электрические

• новые виды топлива: метанол, пропанол.

Организационные меры

• улучшение дорожного покрытия для обеспечения плавного движения транспортного потока,

• повышение доли общественного транспорта в городских пассажирских перевозках,

• эффективное планирование транспортных потоков,

• использование HOV - полосы для движения транспортных средств с числом пассажиров не менее 3-х,

• ужесточение соблюдения существующих стандартов на загрязнение окружающей среды и разработка новых.

Определение:

Октановое число - условная количественная характеристика стойкости к детонации моторных топлив, применяемых в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания. Октановое число численно равно процентному (по объему) содержанию изооктана (О.ч. которого принято 100%) в его смеси с н-гептаном (О.ч. равно 0%), эквивалентной по детонационной стойкости испытуемому топливу при стандартных условиях испытания. Октановое число наиболее распространенных отечественных марок бензинов 76-89, авиабензинов 91-95.

[Советский энциклопедический словарь, Москва 1989]

Октановое число - соотношение, описывающее антидетонационные свойства бензина.

Определение:

Детонация моторных топлив - чрезмерно быстрое сгорание топливной смеси в цилиндре карбюраторного двигателя из-за накопления органических пероксидов в топливной смеси. Вызывает характерный металлический “стук”, вибрацию, перегрев двигателя.

[Советский энциклопедический словарь, Москва 1989]

Детонация повреждает двигатель и снижает его эффективность. Существуют два способа борьбы с детонацией:

1. добавление в топливо антидетонаторов.

2. увеличение содержания в топливе углеводородных изомеров, отличающихся более плавным сгоранием - увеличение октанового числа

Традиционно в качестве антидетонатора используются соединения свинца (тетраэтил свинца). Современное законодательство запрещает использование бензина с содержанием свинца из-за его высокой токсичности в автомобильных выхлопах.

Топливо с октановым числом 95 и выше не требует применения специальных антидетонаторных добавок. Такой бензин носит название lead-free (без содержания свинца) и рекомендован к применению во всех развитых странах. Существуют также марки бензина с октановыми числами 96, 98, 99 и 100.

1. 3.1 Технические меры

После появления на рынке поступает нового или улучшенного технического устройства для снижения эмиссии транспортного средства, требуется определенное время для того чтобы стали заметны результаты нововведения. В течение этого времени новое оборудование заменяется старым на значительной части автомобилей. Так или иначе, общий уровень эмиссии постепенно снижается по мере того, как распространяются все новые и новые технические усовершенствования.

1. 3.1.1 Бензиновый (карбюраторный) двигатель

Улучшение экологических характеристик бензинового двигателя, прежде всего, связано с уменьшением основных газов эмиссии: углеводородов СН, угарного газа СО и окислов азота NOx .

Для комплексной системы контроля эмиссии на автомобиле должны использоваться:

• соответствующее топливо

• система электронного контроля зажигания

• каталитический конвертер

• бортовая диагностическая система

При этом подразумевается правильное содержание и эксплуатация автомобиля. В противном случае использование технических средств не будет иметь результата.

Справка: каталитический конвертер

Каталитический конвертер - устройство выхлопной системы автомобиля преобразующее токсичные газы выхлопов в безвредные путем химической реакции.

Каталитический конвертер уменьшает выброс углеводородов СН, угарного газа СО и/или окислов азота NОх, окисляя их до сравнительно безопасных углекислого газа СО2, воды Н2О и оксида азота NO2.

При использовании каталитического конвертера необходимо использовать бензин без содержания свинца Pb для предотвращения засорения катализатора свинцом (С октановым числом не ниже АИ-95).

При использовании таких систем количество вредных выбросов минимально. Иногда при плохом качестве окружающего воздуха выхлопные оказываются газы даже чище.

Однако, даже оснащенный такими комплексными системами, автомобиль имеет очень высокую эмиссию в первые минуты поездки, когда двигатель еще не прогрелся до рабочей температуры и катализатор не функционирует. В настоящее время, усилия технологов сконцентрированы именно на этом отрезке цикла движения автомобиля. Но уже сегодня возможно достичь прогрева до рабочей температуры для начала действия катализатора менее чем через 500 метров пути, при старте автомобиля с холодным двигателем.

Система контроля эмиссии работает с максимальным эффектом при равномерном движении автомобиля. В этом случае, когда выброс углеводородов и окислов азота незначителен, эмиссия увеличивается при многоразовом ускорении и торможении.

Важное направление исследований для снижения эмиссии - улучшение качества топлива. Бензин с улучшенными характеристиками состава эмиссии ожидается уже в ближайшие несколько лет. Пониженное содержание серы S уменьшит неприятный запах сульфида серы H2S, который характерен для каталитических систем.