Analysis of methods and means of ecological control of harmful emissions of exhaust gases of automobiles

Full Text

Введение На современном этапе проблема загрязнения воздушного бассейна крупных городов и защита окружающей среды от промышленных выбросов имеет исключительно важное значение. Данная проблема и подходы к ее решению активно обсуждаются специалистами за рубежом и у нас в стране. Воздействие автомобильного транспорта на окружающую среду по данным исследований ученых, работающих в данном направлении, является наиболее значимым фактором [1, 2]. Автомобильный транспорт загрязняет все сферы природной среды и влияет не только на экологическое состояние окружающей среды, но и на социальные условия жизни, экономику государства, а также ухудшается здоровье населения. Оценка воздействия автотранспорта на воздушную среду необходима для принятия целенаправленных мероприятий в сфере защиты окружающей среды. При рассмотрении данной проблемы применяемые методы контроля и измерения выбросов вредных веществ автомобилей играют важнейшую роль. В настоящее время бурное развитие автомобильного транспорта и возникающие в связи с этим проблемы энергетической и экологической безопасности привели к появлению новых технологий и технических решений на автомобилях, созданию принципиально новых силовых установок. Число автомобилей в мире в настоящее время растет быстрее, чем совершенствуются устройства очистки их выхлопных газов и внедряется новый экологически чистый автотранспорт. Пока доля гибридных автомобилей, подзаряжаемых гибридов и электромобилей не превышает в отдельных развитых странах 6% от всех выпускаемых автомобилей. Общий выброс вредных веществ от автомобилей по оценкам экспертов растет пропорционально увеличению количества автомобилей. Ожидается, что в 2015 г. количество автотранспортных средств превысит 1 миллиард автомобилей. Из них более 82% приходится на легковые автомобили [1]. Непрекращающийся рост численности автопарка привел к тому, что его доля выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух в 2012 - 2015 гг. превышает 87% от общего объема по городу, а количество загрязняющих вредных веществ от автотранспорта составляет 120 кг в год на 1 жителя. Если на промышленных предприятиях можно установить очистные сооружения и этим существенно снизить объемы выбросов загрязняющих веществ, то бороться с выбросами автотранспорта намного сложнее. Целью исследования является анализ методов и средств экологического контроля выбросов вредных веществ отработавших газов автомобилей. Воздействие автомобильного транспорта на окружающую среду Автомобильный транспорт оказывает большое влияние на окружающую среду в следующих направлениях: выбросы отработанных газов, а также сажи и аэрозолей автомобилей; продукты сгорания, образующиеся при движении автомобилей по дороге; шум, вибрация и электромагнитные поля. Компоненты выбросов всех видов автотранспорта являются токсичными разной степени опасности, при этом формальдегид и полициклические ароматические углеводороды относятся к канцерогенным веществам. Кроме того, дизельные двигатели выбрасывают в окружающую среду - опасные твердые частицы. Выбросы транспорта зависят также от качества топлива и от режима движения автомобиля. Много времени уходит на режимы с повышенными выбросами - холостой ход, ускорение и разгон, а также установившиеся режимы работы двигателей, когда выделяется больше вредных веществ. По результатам последних исследований, проведенных в Москве, существенным загрязнителем городского воздуха является также истертая в мелкую пыль резина автомобильных покрышек [3]. Выброс твердых частиц в результате износа протектора шин на автомобилях массой до 3,5 т составляет 0,051 г/км, что уже почти в 5 раз превышает нормативы ЕЭК ООН на выброс твердых частиц для двигателей, установленных на эти автомобили. Более 58% твердых частиц оказались размером менее 10 микронов, при этом они способны легко проникать в легкие человека. Такая шинная пыль из организма человека практически не выводится и может приводить к летальным исходам. Международным агентством по изучению рака и Федеральным центром Госсанэпиднадзора предприятия резиновой и шинной промышленности твердые частицы двигателей включены в список канцерогенно опасных веществ [3]. Установлено также, что в шинной пыли также присутствуют более 140 химических соединений различной степени токсичности, но особенно опасны для здоровья человека полиароматические углеводороды (ПАУ) и летучие канцерогенные вещества N-нитрозамины [4]. ПАУ и выделяемые канцерогенные вещества запрещены в Евросоюзе согласно нормативу REACH от 1 января 2010 г. Мероприятия, направленные на уменьшение загрязнений воздушной среды городов от воздействия выбросов автотранспорта Учитывая негативное воздействие выбросов автотранспорта на население необходимо осуществлять мероприятия, направленные на уменьшение загрязнений атмосферного воздуха. В первую очередь для уменьшения загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами необходим технический контроль состояния автомобилей. Отсутствие контроля и низкий уровень технического обслуживания приводят к расстройству нормальной работы узлов и систем автомобиля, что влечет за собой повышенный выброс вредных веществ в атмосферный воздух. В результате все усилия автомобильной промышленности по совершенствованию двигателей и систем нейтрализации для обеспечения требований экологических стандартов могут быть сведенены на нет. Поэтому сегодня особенно актуально становится задача не только совершенствовать конструкцию автомобиля с точки зрения ограничения токсичности, но и повышение уровня технического обслуживания и совершенствование системы контроля за их техническим состоянием. Политика экологической безопасности также реализуется путем проведения комплекса мер, направленных на повышение экологических характеристик автомобилей и развитие инфраструктуры транспорта. К настоящему времени в Российской Федерации создана правовая и нормативная база по вопросам экологии в транспортно-дорожном комплексе, состоящая из правовых документов международного и общероссийского значения. Международные документы включают межгосударственные Технические регламенты и стандарты. Международные нормы обладают приоритетом перед нормами, предусмотренными национальным законодательством. В числе важнейших международных соглашений такие документы, как Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха, Венская конвенция об охране озонового слоя. В настоящее время заключено более 300 международных актов, регулирующих нормативно-правовую базу взаимоотношений в области транспорта. Членство России в международных соглашениях и организациях обусловливает необходимость выполнения ею принятых обязательств. Методы измерения выбросов вредных веществ отработавших газов автомобилей Нормируемыми составляющими выхлопных газов автомобиля в странах ЕЕС являются СО, СО2, СН, NОх и твердые частицы. При испытаниях автомобилей на соответствие содержания суммарной массы углеводородов (ТНС) в отработавших газах двигателей с искровым зажиганием используется газоанализатор плазменно-ионизационного типа FID. Ионизационно-плазменный метод, хотя и является более сложным по отношению к инфракрасному методу, но обладает преимуществом перед ним, т.к. не чувствителен к водяному пару и улавливает все углеводороды, содержащиеся в ОГ ДВС. Система отбора проб углеводородов представлена на рис. 1а и состоит из подогреваемого пробоотборника, пробоотборной магистрали, фильтра, насоса и системы управляющих отбором клапанов. Температуру всех подогреваемых элементов поддерживают при помощи нагревательной системы на уровне 190°С. Это позволяет измерять всю гамму (в том числе тяжелых) содержащихся в отработавших газах углеводородов. Газоанализатор калибруется с помощью нулевого поверочного газа и калибровочного газа пропана. Среднею концентрацию измеряемых углеводородов определяют методом интегрирования. В случае системы измерения, обеспечивающей непрерывный поток газов по интеграционному методу, применяемому при испытаниях ДВС, используют детектор HFID. Данная система приведена на рис. 1б. Подогреваемая пробоотборная магистраль данного устройства снабжается при этом подогреваемым фильтром, обеспечивающим 99-процентный уровень эффективности улавливания измеряемых твердых частиц размером ³ 0,3 мкм. Устройство отбора проб частиц состоит из пробоотборника, установленного в канале для разбавления, патрубка отвода частиц, фильтродержателя, насоса частичного потока, регуляторов расхода и расходомеров. Регулирование потока проб в смесительном канале системы обора отработавших газов осуществляют в соответствие со схемой, изображенной на рис. 2. Метод анализа с разбавлением проб (CVS) разработан для получения данных по удельному выбросу автомобилями токсичных веществ. При этом методе весь объем ОГ смешивается с атмосферным воздухом таким образом, что суммарный расход ОГ и добавленного воздуха остается за время испытаний постоянным и известным. Небольшая часть разбавленных ОГ непрерывно отбирается в эластичную емкость для последующего анализа, причем массовый расход разбавленных ОГ, отбираемых для анализа, пропорционален суммарному массовому расходу ОГ и разбавляющего воздуха. С помощью разбавления очищенным воздухом пробы смесь газов подают в емкость для проведения дискретного или непрерывного анализа. С точки зрения уменьшения ошибок измерений из-за присутствия влаги кратность разбавления поддерживают в отношении 8:1 и выше. Поступающий в смесительный канал воздух предварительно очищают в фильтре, заполненном активированным углем. а) б) Рис. 1. Методы и система отбора проб углеводородов в отработавших газах автомобилей Рис. 2. Регулирование потока проб в смесительном канале системы обора отработавших газов Рис. 3. Принципиальная схема прибора, применяемого для измерения выбросов вредных веществ с отработавшими газами автомобиля Для анализа содержания окислов азота (NOx) используется либо газоанализатор хемилюминесцентного типа (CLA) с конвертором NOx/NO, либо газоанализатор недисперсионного типа с поглощением в ультрафиолетовом спектре (NDUVR) с конвертором NOx/NO. Погрешность измерения не превышает ±2%, независимо от реального значения калибровочных газов. Анализатор калибруют в наиболее часто используемом рабочем диапазоне с помощью нулевого и поверочного газа, содержание NO в котором должно соответствовать примерно 80% рабочего диапазона. Для анализа содержания моноксида углерода (СО), диоксида углерода (CO2) и углеводородов (СН) используют инфракрасные анализаторы (NDIR) абсорбционного типа. Принципиальная схема прибора приведена на рис. 3. Контроль выбросов вредных веществ отработавших газов автомобилей в эксплуатации В настоящее время на территории России находятся в эксплуатации автомобили разных экологических классов. Контроль выбросов вредных веществ в эксплуатации показывает, что уровень выбросов может различаться для различных автомобилей в 10 и более раз [5]. Это касается как новых автомобилей, так и подержанных отечественных и ввозимых из-за рубежа. При использовании в процессе эксплуатации топлива несоответствующего качества также возможен существенный, многократный рост вредных выбросов. Поэтому сегодня особенно актуально становится задача совершенствования контроля за техническим состоянием автомобилей. Для этого оборудуются передвижные лаборатории по контролю за состоянием автотранспорта, проводятся проверки качества топлива на лицензируемых АЗС. В настоящее время российская нормативная база в области экологического контроля автотранспортных средств не в достаточной степени гармонизирована с европейскими требованиями, основу которых составляют Директивы 2009/40/ЕС и 2010/48/EС, определяющие нормы и методы испытаний автомобилей при проведении технических осмотров. Совершенствование экологического контроля автотранспортных средств касается возможности использования нормативных требований при контроле бортовых диагностических систем автомобиля в эксплуатации. Кроме того, в соответствии с вновь введенными международными документами ужесточаются требования к точности используемого газоаналитического оборудования. Это связано со значительным снижением значений измеряемых и предельно допустимых норм выбросов вредных веществ для экологического класса автомобилей ЕВРО-5. Анализ требований к содержанию вредных выбросов, установленных ведущими зарубежными заводами-изготовителями автомобилей для целей контроля в эксплуатации подтверждает целесообразность сохранения требований к содержанию СН в отработавших газах. В российских стандартах предложено также сохранить требования к выбросам суммарных углеводородов для автомобилей как важного показателя, который наиболее информативен с точки зрения оценки технического состояния двигателя и его систем. Измерение углеводородов с требуемой точностью необходимо также для оценки значений коэффициента избытка воздуха, являющегося нормативным параметром. Допустимый диапазон измерения значений коэффициента избытка воздуха (λ) согласно Директиве 2010/48/ЕС находится в пределах 1±0,03 [5]. Следует отметить, что Федеральный стандарт США и Калифорнийские требования предусматривают жесткий контроль токсичности в эксплуатации автомобилей. Проверка функционирования систем нейтрализации выхлопа отработавших газов, осуществляется при 50 и 100 милях пробега или 80 и 160 тыс. км. Для контроля озоновлияющего потенциала эмиссии углеводородов по Калифорнийскому законодательству также рассчитывается масса неметановых составляющих. Контроль транспортных средств в эксплуатации по экологическим параметрам в Российской Федерации осуществляется только в рамках единственной процедуры - проверки технического состояния при периодических технических осмотрах транспортных средств. Необходимо также повысить значимость строгого соблюдения экологических стандартов и не допустить, чтобы демонтаж вышедших из строя систем нейтрализации в эксплуатации с соответствующей перенастройкой системы бортовой диагностики принял бы массовый характер [5]. Косвенным подтверждением неработоспособности в России системы контроля технического состояния автомобильного парка по экологическим параметрам является отсутствие рынка вторичных каталитических нейтрализаторов. Даже у официальных дилеров автомобилей в перечне регламентных работ, как правило, не предусмотрена замена каталитических нейтрализаторов, хотя их срок службы (ресурс) значительно меньше среднего срока службы автомобиля. Следует установить систему замены нейтрализаторов и гарантированного их функционирования в течение всего срока эксплуатации автомобиля. Содержание оксида углерода и углеводородов в отработавших газах лабораториями определяются при работе двигателя в режиме холостого хода на минимальной (nmin) и повышенной (nпов) частотах вращения коленчатого вала двигателя, установленных предприятием-изготовителем автомобиля [6]. При отсутствии данных, установленных предприятием-изготовителем автомобиля значение nmin не должно превышать: 1100 мин-1 - для автомобилей категорий М1 и N1 (легковые автомобили и легкие грузовики), 900 мин-1 - для автомобилей остальных категорий. Значение nпов устанавливают в пределах: 2500-3500 мин-1 - для автомобилей категорий М1 и N1, не оборудованных системами нейтрализации, 2000-3500 мин-1 - для автомобилей категорий М1 и N1, оборудованных системами нейтрализации, 2000-2800 мин-1 для автомобилей остальных категорий независимо от их комплектации. Содержание оксида углерода и углеводородов (объемные доли) должно быть в пределах данных, установленных предприятием-изготовителем автомобиля, но не более значений, указанных в табл. 1. Таблица 1 Нормируемые значения вредных веществ по ГОСТ Р 52033-2003 Частота вращения Оксид углерода, объемная доля, % Углеводороды, объемная доля, млн-1, для двигателей с числом цилиндров до 4 включительно свыше 4-х Автомобили, не оснащенные каталитическими нейтрализаторами nmin nпов 3,5 2,0 1200 600 3000 1000 Автомобили, оснащенные каталитическими нейтрализаторами nmin 1,0 400 600 nпов 0,7 200 300 Выводы Проблема загрязнения воздушного бассейна крупных городов и защита окружающей среды от выбросов вредных веществ имеет исключительно важное значение. Пути решения экологических проблем лежат в постоянном мониторинге состояния окружающей среды и на этой основе принятии и соблюдении законодательных требований стандартов по выбросам вредных веществ. Оценка воздействия автотранспорта на воздушную среду необходима для принятия целенаправленных мероприятий в сфере защиты окружающей среды. Следует установить систему замены вышедших из стоя нейтрализаторов отработавших газов автомобилей и гарантированного и эффективного их функционирования в течение всего срока эксплуатации автомобиля. Эффективный контроль выбросов в эксплуатации позволит поддерживать безопасность окружающей среды и здоровье населения.

About the authors

V. A. Solomin

The Central research and development automobile and engine institute NAMI

A. V. Shabanov

The Central research and development automobile and engine institute NAMI

Ph.D.

A. A. Shabanov

Moscow Polytechnic University

Email: saaha-1955@mail.ru

V. M. Kilyushnik

Moscow Polytechnic University

A. V. Mladenskiy

Moscow Polytechnic University

References

Supplementary files