Охрана окружающей среды

Воздействие автомобильного транспорта на загрязнение атмосферного воздуха.

При экологической оценке дорожно-транспортного комплекса (ДТК) первоочередное внимание уделяют воздействиям, возникающим при движении автотранспортных средств.

Эти воздействия называют транспортными загрязнениями.

К транспортным загрязнениям относятся три типа загрязнений:

• — Параметрические, связанные с непроизводительными потерями энергии (шум, вибрация, электромагнитные излучения, выделение тепла).
• — Механические воздействия, в которые входят прямые силовые действия на элементы окружающей среды (ДТП, гравиметрическое воздействие, которое проявляется в разрушении конструкций, изменении естественных силовых полей).
• — Ингредиентные воздействия, включающие собственно материальные выбросы.

С позиций экологической безопасности для практики проектирования и эксплуатации автомобильных дорог наиболее важное значение имеют ингредиентные транспортные загрязнения.

Ингредиентные транспортные загрязнения.

Основным источником загрязнения воздушного бассейна являются:

— токсичные вещества, выбрасываемые с ОГ (отработавшими газами);

Большая часть (80%) токсичных компонентов отработавших газов рассеивается в воздухе над проезжей частью и придорожной территорией.

Причем и концентрация достаточно быстро убывает по мере удаления от дороги.

Уровень содержания токсичных веществ тем выше, чем выше интенсивность движения транспорта.

• — картерные газы;
• — топливные испарения из системы питания автомобилей (0, 6−1, 4 л. в сутки);
• — испарения при заправке автомобилей (1, 4 г на 1 л заливаемого топлива);
• — испарения при хранении топлива (55−70 г на 1 т в сутки);
• — канцерогенные вещества в их составе;
• — сажа с адсорбированными на ней полиароматическими углеводородами (ПАВ);
• — асфальтовая и грунтовая пыль;
• — продукты износа тормозных накладок, содержащих 30% асбеста

Структура выбросов.

Топливо, используемое в искусственно инициированном процессе окисления-сгорания с целью получения при этом энергии, не исчезает бесследно.

Все присутствующие в нем химические элементы, несмотря на интенсивные физические воздействия, возвращаются природе в виде загрязняющих среду выбросов.

Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания (ОГ ДВС) содержат сложную смесь, насчитывающую более 200 химических соединений.

Газовая смесь состоит:

• — из инертных газов, проходящих через камеру внутреннего сгорания без изменений;
• — продуктов сгорания;
• — несгоревшего окислителя.

Твердые частицы — продукты дегидрирования топлива, металлы, и др. вещества, которые содержатся в топливе и не могут сгореть.

По химическим свойствам, характеру воздействия на организм, вещества, составляющие ОГ подразделяются:

• — на нетоксичные (N2, CO2, H2O, H2)
• — на токсичные (СО, CnHm, NOx, H2S, альдегиды и др.)

Токсичные газообразные вещества делятся на несколько подгрупп.

Таблица 7. Средний состав отработавших газов двигателей.

Содержание вредных веществ при сжигании 1 т жидкого нефтяного топлива в двигателях автомобилей, не оборудованных системами нейтрализации ОГ (кг/т топлива) Таблица 8.

Самая многочисленная подгруппа токсичных веществ состоит из углеводородов.

По токсичности углеводороды значительно отличаются один от другого, но чаще всего их рассматривают в сумме.

Альдегиды представлены тремя ядовитыми и обладающими резким запахом соединениями.

Сажа и свинец находятся в отработавших газах в твердом агрегатном состоянии.

Токсичность этих веществ также очень велика.

Характеристики вредного воздействия компонентов отработавших газов автомобилей на организм человека.

По степени воздействия на организм человека токсичные вещества подразделяются на 4 класса:

• 1 — чрезвычайно опасные,
• 2-высоко опасные,
• 3 -умеренно опасные,
• 4 — мало опасные.

Для них установлены предельно допустимые концентрации:

• — предельно допустимая концентрация в рабочей зоне (ПДКрз);
• — предельно допустимая среднесуточная концентрация в атмосфере населенных мест (ПДКсс);
• — максимальная разовая предельно допустимая концентрация в воздухе населенных мест (ПДКмр).

Оксид углерода (СО).

— прозрачный, не имеющий запаха газ, который не растворяется в воде (4-й класс опасности).

Длительность его существования в атмосфере — от 2 месяцев до 3 лет. Поступая в организм с вдыхаемым воздухом, СО быстро поглощается кровью и блокирует возможность гемоглобина снабжать организм кислородом.

Окись углерода (СО) нарушает окислительные процессы в организме человека, так как вступает в реакцию с гемоглобином крови, замещая в нем кислород.

Очень часто наступает отравление даже небольшими дозами СО.

В первую очередь это относится к водителям, работникам ГАИ и пешеходам в крупных городах.

Отравление выражается в появлении головных болей, общей депрессии и снижении работоспособности.

Отравление СО может быть и причиной дорожно-транспортных происшествий, так как даже при небольшом уровне загрязнения у водителей заметно снижается внимание и замедляется реакция.

СО в ряде стран считается основным токсичным веществом.

Диоксид азота (NO2).

— газ красновато-бурового цвета, в малых концентрациях без запаха, хорошо растворяется в воде (2-й класс опасности).

Образующаяся, в результате взаимодействия NO2 с влагой воздуха, азотная кислота разрушает легочную ткань и верхние дыхательные пути.

При этом отравление организма происходит постепенно и каких-либо нейтрализующих это действие средств нет. В больших концентрациях NО2, пагубно действует на нервную систему человека, увеличивает число больных астмой.

Окислы азота (NOx) при взаимодействии с водой образуют азотную и азотистую кислоты, которые разрушают легкие человека.

Также NОx поражает слизистую оболочку глаз, сердечно-сосудистую систему.

Углеводороды (СН).

— в выбросах представлены низкомолекулярными соединениями, образующимися в результате неполного сгорания топлива, полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) и альдегидами.

В целом, их…

По данным НИИАТа концентрация СО при работе двигателя на холостом ходу превышает этот показатель на установившемся режиме в 2, 1 раза, а на режимах принудительного холостого хода — в 1, 6−1, 9 раза.

При разгоне автомобиля и при движении с установившейся скоростью в ОГ характерна большая концентрация окислов азота.

В области режимов работы двигателя на обогащенных смесях наблюдается практически линейная зависимость концентраций СО от коэффициента избытка воздуха (Ь).

В диапазоне средних нагрузок (40−70%) при составе смеси, близком к стехиометрическому, концентрации СО и CnHm, незначительны, а концентрации NОХ могут достигать максимальных значений.

Высокие концентрации газообразных примесей принято оценивать в процентах по объему (% об.),.

— меньшие — количеством частей на 1 млн. (млн.) или массовой концентрацией (мг/м3).

Концентрации пересчитывают из объемных единиц в массовые с учетом молекулярного веса примеси при определенных значениях температуры и давления.

Концентрации компонентов в ОГ еще не характеризуют токсичность двигателя.

Например, концентрации СО при работе на холостом ходу являются, как правило, наибольшими, но общее количество выделяемых ОГ невелико.

Проведенные испытания показали, что автомобилем ГАЗ-24 «Волга» на режиме холостого хода выделяется (по массе) в 2, 5 раза меньше СО, чем при движении со скоростью 50 км/ч на подъемах с уклоном 3%.

Однако концентрация СО на холостом ходу в 6 раз больше, чем при движении со скоростью 60 км/ч.

Таблица 9.

Наиболее неблагоприятными, с позиций токсической характеристики двигателя, являются режимы разгона, замедления и холостого хода.

Поэтому, наличие средств регулирования дорожного движения на городских магистралях, эффективно решая проблему обеспечения безопасности движения, приводит к увеличению выброса вредных веществ.

Для экологической оценки автомобильных двигателей как источника загрязнения используют показатели, учитывающие химический состав и количество ОГ, а также энергетические показатели транспортных средств в конкретных или осредненных условиях эксплуатации.

Количество i-го компонента, выделяемого двигателем в единицу времени:

CТi = Ci • Qог где Ci — концентрация рассматриваемого токсичного компонента, г/м3; Qог — объемный расход ОГ, м3/ч.

Используется также показатель удельного уровня выброса вредных веществ (аналогично удельному расходу топлива), определяемый из соотношения:

qi = CТi / Ne.

где Ne — эффективная мощность двигателя, кВт.

Для сравнительной оценки токсичности двигателя используется удельная эквивалентная токсичность двигателя, приведенная к СО:

qCO =? KiCO • qi.

где KiCO — коэффициенты, представляющие собой отношение среднесуточной ПДК для СО и ПДК для i-го вещества в воздухе населенных мест.

В различных странах мира, в том числе в СНГ, для оценки токсичности двигателя и определения количества вредных выбросов на участках улично-дорожной сети городов применяется так называемый пробеговый выброс, т. е. абсолютное количество выбросов токсичного вещества за единицу пройденного пути автомобилем: qi = Ci / U.

Для оценки токсичности автомобилей по выбросу вредных веществ используются ездовые испытательные циклы, которые воспроизводят средние режимы движения автомобилей при имитации действительных условий их эксплуатации в городах. Ездовые циклы представляют собой определенную последовательность наборов режимов, включая холостой ход, разгон, движение с постоянной скоростью, замедление.

Критерий экологической безопасности автотранспорта.

Для интегральной оценки качества отработавших газов (ОГ) любого автомобиля используется комплексный показатель опасности автомобиля (КОА), который отражает совокупность количества выбросов всех примесей, содержащихся в отработавших газах, а также класс опасности и токсичность:

КОАj =? КОВi =? (Mi / ПДКi) Ь (i) (1).

где Мi — количество выбросов i-й примеси в атмосферу, г/с;

ПДКi — максимально-разовая предельно допустимая концентрация г/м3;

Ь (i) — безразмерная константа, позволяющая соотнести степень вредности i-го вещества с вредностью диоксида серы (III степень опасности).

Использование КОА дает то преимущество, что позволяет сравнивать между собой опасность автомобиля (передвижного источника) и промышленного предприятия (стационарного источника загрязнения атмосферы).

Но КОА не позволяет судить о соответствии ОГ данного автомобиля действующим нормам по выбросам.

Поэтому необходимо модифицировать критерий КОА, т. е. выработать критерий экологической безопасности автомобиля (Кa), который позволит сопоставить его с некоторым эталоном.

Предлагается в качестве эталона выбрать категорию опасности автомобиля, сертифицированного по правилам № 83 ЕЭК ООН (иначе ЕВРО).

Тогда критерий экологической безопасности автомобиля будет определяться по формуле:

строительство автомобильный дорога трасса Ка = КОАj /КОАЕВРО (2).

где КОАj, — категория опасности автомобиля, определяемая для реальных условий эксплуатации;

КОАЕВРО — категория опасности автомобиля, удовлетворяющего ЕВРО.

Из формулы (2) очевидно, что если Ка > 1, то техническое состояние такого автомобиля с позиции экологической безопасности следует считать неудовлетворительным.

Для расчёта категории опасности автомобиля выбросы примесей представляются в виде потока частиц вещества (в единицах массы, отнесенной к единице времени).

В свою очередь, значение предельных выбросов вредных веществ в нормах ЕВРО представляется в единицах массы, отнесенных к расстоянию.

Пересчет рекомендуется выполнять по формуле:

Мit = MiL • Lц /tц,.

где MiL — удельный выброс i-го вещества на 1 км пробега, г/км;

Lц = 11 км — протяженность цикла;

tц = 1220 с — время цикла.

Далее, используя полученные по формулам (1) и (2) коэффициенты рассчитывается значение критерия экологичности Кai, на основании которого строится таблица уровней экологической безопасности автомобиля (табл. 10).

Таблица 10. Границы уровней экологической безопасности автомобилей.

В качестве эталонного норматива следует использовать уровень экологической безопасности (Ка? 1) автомобиля, удовлетворяющего четвертой поправке к правилу ЕЭК ООН, а именно — ЕС 2005 ЕЭК ООН (ЕВРО IV) (табл. 11).

Таблица 11. Величины выбросов вредных веществ с отработанными газами для разных автомобилей.

На основании данных табл. 5 по предложенной выше схеме расчета вычислены интегральные характеристики экологической опасности отработавших газов автомобилей (КОВ и КОА) (табл. 12).

Таблица 12. Зависимость экологической опасности от марки автомобиля.

Если значения табл. 6 подставить в уравнение (2), то получим значения критерия экологической безопасности (табл. 13).

Таблица 13. Критерии экологической безопасности автомобилей.