Влияние условий эксплуатации на экологическую безопасность автотранспортных средств

Факторы, влияющие на загрязнение ОС автотранспортом

Автомобильный транспорт удовлетворяет потребности в грузовых и пассажирских перевозках и является неотъемлемым звеном многих технологических процессов. При этом он является одним из основных источником загрязнения. Загрязнение происходит по всему пространству составляющих нашей биосферы, а именно — воздушного, водного бассейна и плодородного слоя почвы. Количество автотранспортных средств неуклонно растет, увеличивается интенсивность движения, следовательно, это приводит к увеличению валового выброса вредных веществ.

Основными компонентами отработавших газов являются различные газообразные вещества, состоящие из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточный кислород, аэрозоли и различные примеси (как газообразные, так и в виде жидких и твердых частиц). Загрязнение почвы придорожной зоны характеризуется содержанием в верхнем плодородном слое продуктов работы транспортного комплекса, в частности, происходит накопление тяжелых металлов на удалении 100 м от автодороги. В конечном итоге происходит непосредственное влияние вредных веществ на здоровье человека, проживающего в населенных пунктах, вблизи дорог и через потребление сельскохозяйственных культур.

Важное влияние на выброс вредных веществ оказывают условия эксплуатации автотранспортных средств (климатические условия, дорожные условия, сезонные условия и многие другие).

В частности, закономерности формирования массовых выбросов тяжелых металлов в придорожной зоне зависят от сезонных условий эксплуатации.

Известно, что в зимний период уменьшается интенсивность движения транспортного потока, но увеличивается расход топлива, увеличивается износ трущихся поверхностей, происходит износ шипов автомобильных шин, что также может оказать влияние на загрязнение почвы. В летний период происходит резкое увеличение интенсивности движения автомобилей, одновременно увеличивается радиус рассеивания тяжелых примесей.

Автотранспортные средства влияют на загрязнение почвы вблизи автомагистралей, о чем свидетельствует уменьшение концентрации тяжелых металлов при удалении от дороги. Отработавшие газы, кроме основных компонентов, содержат тяжелые металлы, входящие в состав присадок смазочного масла, либо являющиеся продуктами изнашивания деталей двигателя.

Кроме этого, источниками поступления тяжелых металлов могут быть продукты изнашивания тормозных накладок (медь, свинец, хром, никель, цинк), продукты изнашивания автомобильных шин (цинк, кадмий, медь, свинец), продукты изнашивания дорожного покрытия (кадмий, свинец), утечки и испарения топлива через систему питания, картерные газы, противогололедные смеси.

Выбросы тяжелых металлов оседают в непосредственной близости от источников загрязнения и накапливаются на глубине нескольких сантиметров почвенного покрова. Максимальное загрязнение придорожной полосы происходит в зоне до 30 метров. Наиболее опасными среди тяжелых металлов, выбрасываемых при эксплуатации автомобилей, являются свинец, цинк, медь. Интоксикация свинцом может привести к поражению центральной нервной системы, печени, почек, мозга, половых органов, а отравление медью — к заболеваниям анемией и гепатитом.

На загрязнение придорожной зоны тяжелыми металлами влияют большое число факторов. В ранее выполненных исследованиях изучено влияние ряда из них.

Факторы условий эксплуатации оказывают влияние на качество протекания рабочих процессов в двигателе и как следствие определяют состав и интенсивность поступления тяжелых металлов в окружающую среду.

Изменение суммарных выбросов зависит как от состава выбросов вредных веществ, так и от интенсивности поступления их в окружающую среду.

Состав выбросов зависит от типа подвижного состава, количества и качества потребляемого топлива, который может измеряться пробеговыми выбросами вредных веществ с отработавшими газами одиночных АТС. Интенсивность поступления вредных веществ характеризуется количеством источников выбросов в единицу времени.

Рис. 1 — Схема формирования выбросов Схема связей элементов изучаемой системы представлена на рис 2. В качества входа в систему рассматривается время. Существует корреляционная связь температуры окружающего воздуха с элементами системы. Анализ связей элементов рассматриваемой системы показал, что в меньшей степени исследованы закономерности влияния сезонных условий эксплуатации на интенсивность поступления тяжелых металлов.

Рис. 2 — Схема связей элементов изучаемой системы

Влияние режимов движения на объемы выбросов АТС

Существенное влияние на токсичность отработавших газов оказывают режимы движения автомобиля, которые можно подразделить на установившиеся и неустановившиеся. В городских условиях эксплуатации преобладающими являются неустановившиеся режимы движения, характеризующиеся постоянным изменением скорости. В общем случае движение автомобиля в городе осуществляется с разгонами, замедлениями, работой двигателя на холостом ходу и движением с относительно установившейся скоростью, причем сочетание этих фаз может быть различным.

Режимы движения, а следовательно, расход топлива и загрязнение воздушного бассейна города определяются геометрическими характеристиками улично-дорожной сети, типом автомобиля, квалификацией водителя, параметрами транспортного потока и качеством регулирования дорожным движением. Управляя процессом движения автомобиля, можно создавать транспортные потоки, различно воздействующие на окружающую среду.

Большое влияние на загрязнение атмосферы города оказывает интенсивность и скорость движения (рис. 3, табл. 20). Разнородность состава транспортного потока (из-за значительных различий тягово-динамических, тормозных, скоростных качеств отдельных транспортных средств) также является причиной частого изменения режимов движения. Так, уменьшение доли грузовых автомобилей в потоке способствует снижению загрязнения атмосферы в районе дороги до 50%.

Регулирование дорожного движения заметно влияет на расход топлива и загрязнение атмосферы (рис. 3).

Рис. 3 — Зависимость удельных выбросов легковых АТС от скорости в режиме va=const

Наблюдения показали, что концентрация токсичных веществ на перекрестке в 2,5−4 раза выше, чем на перегоне. Зона влияния перекрестка (зона повышенных концентраций токсичных веществ) достигает 200 м. Большое значение имеет расстояние между двумя регулируемыми пересечениями.

Наличие средств регулирования на перегоне в 1 км неизбежно увеличивает выброс токсичных веществ с отработавшими газами.

У бензиновых АТС при разгоне существенно возрастают выбросы СО и NOх, причем с увеличением литража двигателя значения коэффициентов kp снижаются. Расход топлива и выбро CхHу, также возрастают (в 3,5−7,9 раза). У дизельных АТС растут выбросы твердых частиц (сажи) и расход топлива. При замедлении значения удельных выбросов снижаются в 3−10 раз. Усредненные значения выбросов и расхода топлива в условиях эксплуатации по отдельным группам транспортных средств приведены в табл. 3.20.

Выбросы СО газовыми АТС существенно ниже, чем бензиновыми. Применение СНГ позволяет снизить выбросы NOх и CхHy, в то время, как при использовании СПГ (существующие образцы техники) наблюдается рост удельных выбросов этих веществ. Использование газодизельного цикла приводит к заметному росту СО и СХНУ, но снижению выбросов NOx и твердых частиц. Выбросы СО грузовыми АТС и автобусами с бензиновыми ДВС в 5,4−6,5 раза больше, чем у дизельных аналогов. Однако у последних больше выбросы NOx (в 2,7 и 1,9 раза), твердых частиц и SO2.

Таблица 1 — Выбросы вредных веществ и расход топлива одиночных АТС в условиях эксплуатации (ездовые циклы по ГОСТ 20 306–90), г/км

* м3/км.

** МДж/км.

Несоответствие дорог объемам движения и неудовлетворительное состояние дорожного покрытия становятся причиной значительного снижения скоростей автомобилей и неравномерности режима их движения, что в итоге также увеличивает расход топлива и загрязнение окружающей среды. Влияние технического состояния дорожного покрытия на расход топлива связано с изменением коэффициента сопротивления дорожного покрытия.

Выбросы вредных веществ (СО2, СО, СxHу, NOx, SO2, сажи, соединений свинца), расходы топлива и масла в зависимости от срока службы (пробега АТС) за период выработки ресурса определяются по формуле

(3.19)

где wj — удельные (на км пробега) выбросы одиночных АТС (новых), г/км.

Если не учитывать влияние технического состояния двигателя по мере выработки ресурса на выбросы и расход, то значения выбросов СО2, СО, СхНу, сажи при выполнении транспортной работы оказываются заниженными соответственно в 1,2 — 2 раза, расход масла — в 3 раза, но NOx — завышенными в 1,1 — 1,6 раза.

Выход резиновой пыли при эксплуатации в зависимости от типа и пробега транспортных средств (данные МАДИ-ТУ) составляет 1,35−53,2 кг/авт в год (для легковых автомобилей — 1,35; грузовых — 17,1; автобусов — 53,2), а асбестосодержащей пыли (до 30% асбеста) от износа тормозных накладок 0,8 — 1,5 кг/авт в год.

Воздействие климатических условий на объемы выбросов АТС

Уровень выбросов зависит от природно-климатических факторов, технического состояния агрегатов (отклонение регулировочных параметров от допустимых в результате износа и неисправности систем) и др. При низких температурах (250 К) наблюдаете рост выбросов СО и СхНу в 3−4 раза, выбросы NOх практически не меняются. При выработке моторесурса из-за износа двигателя выбросы СО, СхНу, сажи возрастают в 1,5−2 раза, а выбросы NOх снижаются на 25%.

Среди климатических факторов условий эксплуатации существует тесная корреляционная связь, поэтому при учете влияния сезонных факторов достаточно использовать только температуру окружающего воздуха М=f (t).

Влияние количества автотранспортных средств на загрязнение придорожной зоны можно оценить интенсивностью движения транспортного потока.

Сезонные изменения климатических условий влекут за собой соответствующие изменения дорожных условий, колебания которых во времени приводит к вариации скорости движения транспортно потока, что оказывает влияние на выбросы вредных веществ.

На массу выбросов тяжелых металлов автомобилями влияет ряд факторов, поэтому математические модели, описывающие закономерности влияния этих факторов, являются многофакторными. Математическая модель формирования выбросов тяжелых металлов автомобилями:

(5)

Концентрации выбросов тяжелых металлов в течение года описывается моделями (мг/кг):

CPb=0,62 + 0,14· Cos (30 (T — 1,01)); (7)

CCu=0,68 + 0,26· Cos (30 (T — 0,94)).(8)

Влияние температуры окружающего воздуха на концентрацию свинца и меди в придорожной зоне показано на рис. 4).

Рис. 4 — Закономерность изменения концентрации свинца в течение года Рис. 5 -Закономерность изменения концентрации меди в течение года На концентрацию тяжелых металлов влияет температура воздуха. Расход топлива зависит от температуры окружающего воздуха. При понижении температуры ухудшаются рабочие процессы двигателя, вызванные пониженным тепловым режимом, что приводит к увеличению расхода топлива.

В летний период повышается испаряемость топлива, ухудшается наполнение цилиндров двигателя, появляются дополнительные потери на привод вентилятора системы охлаждения, все это приводит к повышенному расходу топлива и неэффективной работе двигателя.

Кроме того, выброс тяжелых металлов в придорожной зоне зависит и от процессов изнашивания, происходящих при движении автотранспортных средств. При низкой температуре окружающего воздуха расход топлива возрастает из-за увеличения сопротивления трансмиссии и шин, увеличенного аэродинамического сопротивления, что может привести к повышенному содержанию токсичных веществ в отработавших газах.

Рис. 6 — Влияние температуры окружающего воздуха и скорости движения транспортного потока на выбросы свинца и меди при интенсивности движения автомобилей 600 авт./ч

Таблица 2 — Коэффициент неравномерности выбросов тяжелых металлов

Рис. 7 — Схема формирования выбросов

Рис. 8 — Схема связей элементов изучаемой системы Рис. 9 — Зависимость удельных выбросов легковых АТС от скорости в режиме va=const

Таблица 3 — Зависимость расхода топлива грузовых автомобилей от типа дороги

Таблица 4 — Зависимость расхода топлива от состояния дорожного покрытия

Рис. 10 — Закономерность изменения концентрации свинца в течение года Таблица 5 — Коэффициент неравномерности выбросов тяжелых металлов

автотранспорт выбросы окружающий среда

1. В. В. Амбарцумян, В. Б. Носов «Экологическая безопасность автомобильного транспорта» Научтехлитиздат — Москва, 2009 г.

2."Экологическая безопасность транспортных потоков" под редакцией А. Б. Дьякова Москва Транспорт — 2000 г.

3. Евгеньев И. Е., Каримов Б. Р. Автомобильные дороги и окружающая среда. Учеб. — Москва, 2007 г.

4. Экологические проблемы развития автомобильного транспорта. — Москва, 2007.

5. Экологический вестник России № 7, Информационно-справочный бюллетень Москва, 2008 г.

6. В. Ф. Протасов, А. В. Молчанов «Экология, здоровье и природопользование в России» Москва Финансы и статистика — 2005 г.