Аналіз екологохімічних показників автомобілів

Для оцінки екологічної небезпечності викидів ШР з ВГ автомобілів запропонований параметр, який визначає рівень забруднення атмосферного повітря кожним з ШР , що представляє собою відношення маси i-тої шкідливої речовини , що викидається з ВГ j-того різновиду автомобіля за їздовий цикл, до добутку витрат ВГ до і-їшкідливої речовини

. (1)

Розраховані для означеного різновиду автомобіля показують, у скільки разів середній вміст i-ї ШР у ВГ, який вимірювався в процесі випробувань автомобіля, перебільшує його гранично допустимий рівень в атмосферному повітрі Речовина, рівень забруднення повітря якою найбільший, є визначальним у забрудненні атмосфери.

В якості екологічного показника зручно скористатися вираженим у відсотках відносним рівнем забруднення повітря який педставляє собою відношення до суми рівнів забруднення атмосфери всіма виміряними ШР на автомобілі, який випробується

, (2)

де .

Величина показує частку кожної з виміряних ШР у загальному забрудненні атмосферного повітря.

Екологохімічну недосконалість автомобілів запропоновано оцінювати за допомогою показника відносної екологічної шкідливості , який представляє відношення суми рівнів забруднення атмосферного повітря всіма виміряними на j-тому автомобілі ШР до суми рівнів забруднення повітря базовим різновидом автомобіля чи різновидом, який має найбільше значення

(3)

Розроблена методика комплексної оцінки екологічної недосконалості автомобілів дозволяє визначити, наскільки проведені на автомобілі зміни чи удосконалення взагалі змінили його екологічний стан.

Зниження рівнів викидів ШР з ВГ автомобілів з карбюраторними двигунами можна досягти шляхом більш раціональної організації робочого процесу двигуна, використанням іншого виду палива, встановленням на автомобілі системи нейтралізації ВГ, використанням на автомобілі різних комбінацій, приведених способів.

Нижче представлені результати випробувань легкових автомобілів типу ГАЗ-24 та ГАЗ-31 з карбюраторними двигунами типу ЗМЗ на стенді з біговими барабанами за Європейським їздовим циклом, який імітує їх рух в міських умовах. Вони складають автомобільний парк транспортного господарства

АТ "ХарП". Одне випробування складається з чотирьох однакових їздових циклів, що безперервно повторюється один за іншим. Загальна тривалість випробування - 13 хвилин. Різновиди автомобілів ГАЗ, на яких проводиться випробування на бігових барабанах за їздовим циклом у відповідності до ОСТу 37.001.054-86, представлені у таблиці 1, де И - автомобіль, який обладнаний двигуном з іскровим запаленням; ОСНВГ - автомобіль, укомплектований окислювальною системою нейтралізації ВГ.

Таблиця 1 - Дані, отримані при випробуваннях на бігових барабанах автомобілів ГАЗ за їздовим циклом

Марка автомобіля

Типи двигунів

Спосіб запалення

Вид палива, яке використовується

Система нейтралізації ВГ

1

ГАЗ-31-029

ЗМЗ.402.10

И

Бензин АИ-93

Відсутня

2

ГАЗ-24-10

ЗМЗ.4021.10

И

Бензин А-76 (неетильований)

Відсутня

3

ГАЗ -24-17

ЗМЗ.4027.10

И

Зріджений газ (пропан-бутан)

Відсутня

4

ГАЗ-24-17

ЗМЗ.4027.10

И

Зріджений газ (пропан-бутан)

ОСНВГ

Рівні виміряних ШР, що викидаються з ВГ досліджених різновидів автомобілів при їх випробуваннях за європейським їздовим циклом, приведені в таблиці 2.

Таблиця 2 - Рівні викидів ШР досліджених автомобілів

Марка автомобіля

Спосіб запалення ВГ

Система нейтралізації

Рівні викидів ШР, г/випр.

CO

CH

NOX

CH+NOX

БП

1

ГАЗ-31-029

И

Відсутня

27,4

9,2

9,6

18,8

36,0*10-6

2

ГАЗ-24-10

И

Відсутня

19,8

9,7

9,0

18,7

25,5*10-6

3

ГАЗ-24-17

И

Відсутня

6,8

8,4

3,7

12,1

3,3*10-6

4

ГАЗ-24-17

И

ОСНВГ

0,7

2,4

3,9

6,3

0,7*10-6

ГДВ (автомобіль без нейтралізатора)

45,0

6,0

17,0

ГДВ (автомобіль з нейтралізатором)

25,0

3,5

6,5

Автомобілі марок ГАЗ-31-029 та ГАЗ-24-10 (двигуни із іскровим запаленням, системи нейтралізації ВГ відсутні) приймаються за базові.

Абсолютні , сумарні і відносні рівні забруднення повітря викидами ШР зВГ досліджених різновидів автомобілів представлені в таблиці 3.

Таблиця 3 - Показники абсолютних, сумарних та відносних рівнів забруднення повітря викидами ШР з ВГ

Чисельник - Зi, знаменник - Зj, %.

%

CO

CH

NOX

БП

1

1405/4,3

944/3,0

24615/75,7

5538/17,0

32502/100

2

1015/3,5

995/3,4

23077/79,5

3923/13,6

29010/100

3

349/3,1

862/7,7

9487/84,7

508/4,5

11206/100

4

36/03

246/2,4

10000/96,2

108/1,1

10390/100

Як видно із таблиці 3, у базових автомобілів максимальні відносні рівні забруднення повітря дають NOx: 75,7% - у автомобіля ГАЗ-31-029 та 79,5% - у автомобіля ГАЗ-24-10. Другим за величиною забруднення атмосфери для обох автомобілів є БП: 17% - у автомобіля ГАЗ-31-029 та 13,6% - у автомобіля ГАЗ-24-10. Відносні рівні забруднення повітря CO та CH - незначні.

На підставі приведених даних проаналізуємо ефективність реалізованих способів зниження рівнів викидів ШР з ВГ модифікацій автомобілів,що розглядаються.

Одним із суттєвих способів зниження рівнів викидів, що визначають ШР (NOx та БП) з ВГ досліджуваних автомобілів є використання суміші пропану з бутаном замість бензинів.

Таблиця 4 - Показники рівня викидівпри використанні пропану з бутаном

Вид палива

Марка автомобіля

NOx, г/випр.

NOx/(NOx)max,%

БП, мкг/випр.

БП/БПmax, %

1

2

3

4

5

А-76 (неетильо-ваний)

ГАЗ-24-10

9,0

94

25,5

71

АИ-93

ГАЗ-31-029

9,6

100

36,0

100

Пропан-бутан

ГАЗ-24-17

3,7

39

3,3

9

Переваги газових палив - однаковий агрегатний стан палива та повітря, вузький компонентний склад палива, легкість забезпечення гомогенності горючої суміші, що не потребує перезбагачування суміші на режимі холостого ходу та виключає попадання в циліндри двигуна крапель рідкого палива, рівномірність розподілення горючої суміші по циліндрам двигуна, більш широкі межі запалення суміші, більший індікаторний ККД двигуна при більш високих коефіціентах надлишку повітря (), менші максимальні температури продуктів спалення в циліндрах двигуна. Можливість збіднення суміші сприяє суттєвому зниженню рівнів викидів БП, а також - CO, краще сумішоутворення та розподілення суміші по циліндрам - CH, зниження максимальної температури горіння та більш низький градієнт температур за об`ємом камери спалення - NOx (див.табл.3). Як і у базових автомобілів, максимальний відносний рівень забруднення атмосферного повітря у автомобіля, що працює на газовому паливі, дають рівні викидів NOx - їх частка у загальному забрудненні повітря складає 84,7% (див. табл. 3). Викиди всіх цих ШР з ВГ автомобіля ГАЗ-24-17 нижче ГДВ, що встановлені за ОСТом 37.001.054-86, тобто цей автомобіль відповідає існуючому стандарту.

Ефективним засобом зниження рівнів викидів ШР є встановлення на автомобіль системи каталітичної нейтралізації ВГ. В залежності від здатності ініціювати ті чи інші реакції каталізатори умовно поділяють на: окислювальні та відновні, використовуються для відновлювання оксидів азоту; біфункціональні, які можуть використовуватись для нейтралізації всіх вказаних вище інгредієнтів та сполучають функції окислювальних та відновлювальних каталізаторів.

В даних дослідженнях автомобілі обладнювались нейтралізаторами виробництва Уральського електрохімічного комбінату (УЕХК). Використовувалась окислювальна система нейтралізації ВГ (ОСНВГ).

Проведенні дослідження показали (див. табл. 2), що автомобіль ГАЗ-24-10, що працює на неетильованому бензині А-76, обладнаному двигуном з іскровим запаленням та окислювальною системою нейтралізації ВГ, викидає порівняно з базовим автомобілем менше: CO - у 6,2 рази, CH - у 2,3 рази, БП - у 23 рази, але рівні викидів NOx навіть трохи зростають (на 4,4%). Даний автомобіль з ОСНВГ не задовольняє вимоги стандарту по ГДВ для NOx та NOx+CH, які встановлені для автомобілів, що обладнані каталітичними нейтралізаторами.

До аналогічних результатів по зміненню рівнів викидів ШР з ВГ призвела комплектація автомобіля ГАЗ-24-17, що працює на пропан-бутані, окислювальною системою нейтралізації ВГ. Цей автомобіль викидає з ВГ, порівняно з базовим автомобілем, менше: CO - у 9,7 рази, CH - у 3,5 рази, БП - у 4,7 рази, але рівні викидів NOx декілька збільшується (на 5,7%). Цей автомобіль з ОСНВГ не задовольняє вимоги стандарту по ГДВ для NOx.

На основі отриманих результатів досліджень виконаний узагальнений аналіз екологохімічної ефективності проведених удосконалень автомобілів. Результати аналізу представлені в таблиці 5, де індекси автомобілів (див. табл. 1) розташовані в порядку зменшення їх факторів екологохімічної шкідливості.

Таблиця 5- Узагальнений аналіз екологохімічної ефективності

Різновиди автомобілів

1

2

3

4

Фактор відносної шкідливості

100

89,3

34,5

32

Проведені дослідження показали,що:

основними шкідливими речовинами, що визначають екологічну недосконалість автомобілів з карбюраторними двигунами, є NOx та БП, а також оксиди свинцю, якщо використовуються етильвані бензини;

найбільше значення факторів екологохімічної шкідливості мають базові автомобілі ГАЗ-31-029 та ГАЗ-24-10, які працююють на бензині, обладнані двигунами з ісковим запаленням та які не мають систем каталітичної нейтралізації ВГ;

ефективним способом покращення екологохімічних показників автомобілів, що обладнані двигунами з іскровим запаленням, є використання газового палива замість бензину (показник екологохімічної шкідливості автомобіля, що працює на пропан-бутані, знижається практично в 3 рази);

- використання ОСНВГ на автомобілях, що обладнані двигунами з іскровим запаленням, неефективне, тому що показник екологохімічної шкідливості автомобілів знижається незначно;

- із розглядених різновидів автомобілів задовольняють встановленим нормам за ГДВ: автомобіль ГАЗ-24-17, що працює на газовому паливі та не обладнаний ОСНВГ;

Таким чином, для суттєвого покращення екологохімічних показників автомобілів з карбюраторними двигунами необхідно, поперед всього, забезпечити їх роботу на неетильованих бензинах та знизити рівні викидів з ВГ оксидів азоту та канцерогенних речовин. Необхідно при цьому відмітити, що суттєвий вплив на екологохімічні показники автомобілів здійснює технічний стан двигунів (знос деталей, забруднення внутрішніх полостей камер згоряння та систем паливоживлення, невірність його регулювань та ін.). Так, при несправностях в системах живлення та запалення горючої суміші двигуна рівні викиду БП зВГ можуть зрости у 10-100 разів, тобто один автомобіль із несправним чи невірно відрегульованим двигуном за ступінню забруднення атмосфери канцерогенними речовинами може замінити цілу сотню технічно справних автомобілів.

В свою чергу, для оцінки екологохімічних показників легкових автомобілів (типу ГАЗ) проводились порівняльні випробування декількох модифікацій вказаних автомобілів на стенді з біговими барабанами за Європейським Їздовим циклом в узгодженні з ОСТом 37.001.054-86:

А - базовий автомобіль типу ГАЗ з бензиновим двигуном ЗМЗ-402.10 потужністю 100 л.с. (без системи нейтралізації ВГ);

Б - на дослідженому автомобілі бензиновий двигун замінений на дизель ГАЗ-560 (тієї ж потужності);

В - на базовому автомобілі з бензиновим двигуном встановлено біфункціональну (окислювально-відновну) систему каталітичної нейтралізації ВГ.

Крім вимірювань рівнів викидів токсичних речовин, що нормуються (CO, CH, NOx), виконувався аналіз рівнів викидів канцерогенних речовин та інших ШР з ВГ за Європейським їздовим циклом. Для цього було розроблено, виготовлено та випробувано повнопоточну систему фільтраційного вловлення твердих часток та канцерогенних речовин, а також відпрацьовано методику спектрального аналізу сумарних рівнів їх вловлювання.

Вказані випробування автомобіля на стенді відповідають його пробігові 4,06 км в умовах міської їзди. Результати випробувань - маса викиду ШР за час випробування автомобіля за Європейський їздовий цикл (Мі), усереднена питома маса викиду ШР на один кілометр їздового циклу (mi = Mi(4,6)) та відносний рівень забруднення атмосфери одним автомобілем за випробування (Мі/[ПДКі]сд)- приведені в таблиці 6. Прийнятий відносний рівень забруднення атмосфери умовно показує об`єм чистого повітря, необхідного для розведення і-тої ШР з ВГ, яка була викинута за час випробування, до нешкідливої для людини концентрації.

Таблиця 6 - Результати випробувань автомобілів за Європейським їздовим циклом

Модифікація автомобіля

Рівні викидів і забруднення атмосфери

ШР, які викидаються з ВГ автомобіля, та їх [ГДКі]сд, мг/м3

Разом

CO [3]

CH [1,5]

NO2 [0.04]

Сж [0,05]

БП [10-6]

SO2 [0,05]

А

Мі, г/випр.

mil, г/км

м3/випр

19,8

4,9

6,6

9,7

2,4

6,4

9,0

2,25

225

0,1

0,02

2,0

25,5*10-6

8,87*10-6

25,5

0,14

0,03

2,8

38,7

9,6

268

Б

Мі, г/випр.

mil, г/км

м3/випр

6,79

1,67

0,9

1,14

0,28

0,74

5,0

1,23

125

1,0

0,15

20

130*10-6

32*10-6

130

9

2,22

180

22,9

5,65

457

В

Мі, г/випр.

mil, г/км

м3/випр

1,12

0,28

0,37

0,9

0,22

0,6

0,3

0,07

7,5

Сліди

-

-

2,9*10-6

0,71*10-6

2,9

Сліди

-

-

2,3

0,6

11,4

Із результатів дослідження автомобіля маємо, що він з бензиновим двигуном дійсно викидає з ВГ нормовані шкідливі речовини (CO, CH, NOx та сажу) за масою у 2,8 разів більше, ніж той автомобіль з дизелем. З урахуванням тільки цих шкідливих речовин відносний рівень забруднення атмосфери для дослідженого бензинового двигуна у 1,6 разів вище, ніж у дизеля. Однак з урахуванням рівнів викидів з ВГ оксидів сірки та бенз(а)пірену відносний рівень забруднення атмосфери автомобілем з дизельним двигуном збільшується і стає вище, ніж з бензиновим двигуном, що серійно випускається (без використання системи каталітичної нейтралізації ВГ), у 17 разів. При цьому важливо також відмітити, що з ВГ автомобілів з дизелями викидається значно більше сполук тяжких металів, виключаючи сполуки свинцю, ніж при використанні навіть етильованих бензинів в карбюраторних двигунах.

При запровадженні експертних оцінок для найнебезпечніших ШР (БП, NOx, Сж, SO2), з урахуванням явищ синергізму та подальшого посилення їх сумарної шкідливої дії на людину, в тому числі їх похідних, умовний показник екологохімічної недосконалості автомобілів можна представити наступною залежністю:

, (4)

де множник 10-6 введений для зниження розмірності показника;

- гранично допустимі середньодобові концентрації ШР у повітрі населених міст;

a,b,c,d - коефіціенти, що приймаються на підставі експертних оцінок.

У відповідності до викладеного для автомобіля з бензиновим двигуном (без системи нейтралізації ВГ) Фбенз=0,85 (див. табл. 6, a=3, b=3, c=2, d=6), привстановленні на вказаний автомобіль біфункціональної системи каталітичної нейтралізації ВГ Фбенз(кат)= 0,04, а для того ж автомобіля з дизелем Фдиз=1,58. Таким чином, екологохімічна шкідливість легкового автомобіля з дизелем (з погляду забруднення атмосфери шкідливими речовинами, що викидаються з ВГ) більше, ніж автомобіля збензиновим двигуном(без системи нейтралізації ВГ) у 1,85 рази і більше в 40 разів, ніж автомобіля з бензиновим двигуном, обладнаного біфункціональною системою каталітичної нейтралізації ВГ [20].

Особливо треба відмітити часткову участь шкідливих інгредієнтів, що викидаються з ВГ автомобілів, в умовному показникові їх екологічної недосконалості. Для автомобіля з бензиновим двигуном (бензин неетильований, система нейтралізації ВГ відсутня) частка NOx складає приблизно 84, бенз(а)пірену - 10, а останніх ШР - 6 %. При встановленні на автомобіль БСНВГ частка NOx складає приблизно 65, бенз(а)пірену з сажою - 27, а всіх останніх ШР - 8%. Для автомобіля з дизелем частка NOx складає приблизно 27, бенз(а)пірену з сажою - 33, оксидів сірки - 39 %. При цьому необхідно ще раз підкреслити, що основна маса канцерогенних речовин, що викидаються з ВГ автомобіля з дизелем, сорбується на твердих частках. Тому тверді частки, які несуть на собі канцерогенні інгредієнти продуктів спалення палив, представляються найбільше шкідливими для людини та всього живого в тому числі і тому, що канцерогенні вуглеводні є "довгоживучими" та з часом накопичуються у навколишньому середовищі.