Защита биосферы от воздействия автотранспорта

Основные способы уменьшения загазованности на улицах городов под­разделяются на технические, организационно-правовые и градостроительные. К техническим способам относятся:

• применение энергоносителей не нефтяного происхождения;

• разработка и производство эффективных антитоксических устройств, в том числе окислительных и компонентных систем нейтрализации отработанных газов, совершенствование двигателей с целью умень­шения их токсичности;

• создание двигателей с малотоксичными рабочими процессами;

• создание новых видов транспорта;

• контроль за техническим состоянием автотранспортных средств;

• оптимизация системы управления дорожным движением, улучше­ние состояния дорожного покрытия.

В качестве применения энергоносителей не нефтяного происхождения. Можно отметить увеличение применения метанола и газа в виде сжиженно­го, природного и синтез-газа. Эти альтернативные виды топлива использу­ются преимущественно для ДВС с искровым зажиганием. Их применение для дизельных двигателей также способствует существенному уменьшению выброса вредных веществ. Так, при применении природного газа можно ожидать примерно на 10 % меньший выброс окислов азота и на 90 % мень­ший выброс углеводородов по сравнению с работой двигателя на дизельном топливе при непосредственном впрыскивании. Метанольный двигатель вы­брасывает значительно меньшее количество сажи (фактически без выброса сажи) и меньшее количество (примерно на 30 %) выбросов азота. Сравни­тельная характеристика различных видов топлива по выбросам токсичных компонентов приведена в табл. 5.32.

Для снижения токсичности отработанных газов в выпускной системе дизелей устанавливают устройства, обеспечивающие их физико-химическую очистку. Наиболее часто используются термические, каталитические и жид­костные нейтрализаторы.

Таблица 5.32

Выбросы вредных веществ при использовании различных видов

топлива

 

Виды топлива	Выбросы вредных веществ при испытании по циклу ОСТ, г/испытание
СО	с„н,	NOx
Бензин АИ-93	42,0	8.5	9,1
Метанол + бензин	32,0	5,4	7,6
Метанол	28.0	4.6	4,4
Сжиженный нефтяной газ	19,0	4,8	8,7
Сжатый природный газ	8,5	4,5	8,5
Водород	—	—	2,5
Водород + бензин .	3,0	2,8	4,6

Термические нейтрализаторы — окислительные устройства, в которых за счет избытка кислорода, имеющегося в отходящих газах двигателей, осу­ществляется дожигание продуктов неполного сгорания СО, С_хН_у до конеч­ных безвредных соединений НгО и СОг- Термическая нейтрализация газов осуществляется в реакционной камере при температуре 650^850 °С. Причем объем реактора определяет продолжительность реакции: чем больше объем камеры, тем эффективнее процесс окисления. Термические дожигатели сни­жают токсичность отходящих газов на 90 %. Термические реакторы отлича­ются большим сроком службы, и эффективность их работы по мере увеличе­ния пробега автомобиля не снижается. Еще одно немаловажное достоинство термических нейтрализаторов заключается в том, что они невосприимчивы к отходящим газам двигателя, работающего на этилированном бензине.

Недостатки — необходимость применения специальных жаропрочных материалов для изготовления реакционной камеры, некоторое уменьшение мощности двигателя и увеличение (до 16 %)удельного расхода топлива вслед­ствие возрастания сопротивления выпуска. Кроме того, установка терми­ческого нейтрализатора требует довольно много места в моторном отсеке в связи с необходимостью его расположения рядом с головкой блока цилинд­ров двигателя.

Каталитические нейтрализаторы — устройства, в которых отходящие газы проходят через слой катализатора (платина), на поверхности которого при температуре 250-300 °С происходит беспламенное каталитическое окис­ление СО и С_хН_у. Сущность процессов каталитической нейтрализации за­ключается во взаимодействии токсичных компонентов отходящих газов меж­ду собой или с избыточным кислородом в присутствии катализатора, уско­ряющего реакции окисления СО и С_хН_у до СОг и восстановления NO_x до

NO2. Эффективность каталитических нейтрализаторов составляет 70-100 % [3]. Наиболее универсальными являются катализаторы на основе благород­ных металлов (рутений, родий, палладий, платина) и некоторых окислов металлов (оксиды меди, хрома, никеля).

Жидкостные нейтрализаторы представляют устройства (рис. 5.18) для поглощения сажи и бенз(а)пирена до 50-100 %, но не улавливающие окись углерода и углеводороды. Принцип работы жидкостных нейтрализаторов основан на растворении или химическом связывании токсичных компонен­тов при пропускании отходящих газов через жидкость соответствующего состава. Отходящие газы из выпускной трубы 1 поступают в коллектор 8 и через отверстия в нем выходят в нейтральную жидкость, в которой происхо­дит очистка газов от токсичных компонентов. Затем газы через фильтрую­щий слой (из брикетированной металлической стружки 6) и сепаратор 5, в которых задерживается влага, захваченная газом при проходе через жид­кость, поступает в атмосферу. Раствор в рабочий бак 7 заливается из допол­нительного бака.

Рис. 5.18. Схема жидкостного нейтрализатора НТЖ-2: 1 — выпускная труба; 2 — перепускной кран; 3 — дополнительный бак; 4 — залив­ная горловина; J — сепаратор; 6 — металлическая стружка; 7 — рабочий бак; 8 — коллектор; 9 — пробка сливного отверстия; 10 — перегородки

Различия в механизме образования и нейтрализации основных токси­ческих веществ, содержащихся в отходящих газах двигателей, приводят в большинстве случаев к тому, что воздействие на рабочий процесс и конст­рукцию двигателей и применение определенных систем нейтрализации вы­зывают уменьшение одних и увеличение других токсичных компонентов отходящих газов. Поэтому для существенного уменьшения выбросов по всем основным токсичным компонентам применяют комбинации различных си­стем нейтрализации. При этом могут сочетаться не только различные типы

систем нейтрализации, но и устройства для уменьшения токсичности воз­действием на рабочий процесс и конструкцию двигателей.

Одно из основных мероприятий снижения выбросов отходящих газов до величин, регламентированных существующими стандартами, — совер­шенствование конструкции современного ДВС с искровым зажиганием. Ток­сичность двигателя с искровым зажиганием можно уменьшить путем; со­вершенствования конструкции и формы камеры сгорания впускной и вы­пускной систем двигателя, введения оптимальных регулировок смеси и угла опережения зажигания, применения непосредственного впрыска топлива, организации послойного смесеобразования, перепуска отходящих газов в выпускную систему, впрыска воды, поддержания двигателя в должном тех­ническом состоянии, рациональной его эксплуатации.

Наибольшее влияние на токсичность отходящих газов оказывают изме­нения, вносимые в систему питания и зажигания, так как именно эти систе­мы во многом определяют процесс воспламенения и сгорания рабочей сме­си. Совершенствование системы питания ДВС, позволяющее добиться бо­лее равномерного распределения рабочей смеси по цилиндрам, обеспечить ее оптимальный состав для каждого режима работы и возможность работы на бедных смесях, влияет в основном на количество продуктов неполного сгорания в отходящих газах.

Основные направления усовершенствования системы питания:

• улучшение качества процесса смесеобразования во впускной системе;

• улучшение системы распыления в карбюраторе;

• применение регуляторов холостого хода;

• Обеспечение равномерного распределения смеси по цилиндрам. Большое влияние на выделение токсичных компонентов оказывает орга­низация процессов смесеобразование и сгорания. Установлено, что двухка­мерные (вихрекамерные и предкамерные) дизели выделяют 50 % оксидов азота от выбрасываемых однокамерными. Эффективным способом умень­шения выбросов оксидов азота в отходящих газах дизелей является приме­нение рециркуляции отходящих газов. Дымносгь отходящих газов двигате­лей может быть уменьшена применением специальных устройств, коррек­тирующих работу циркулятора.

На ближайшую перспективу поршневые ДВС останутся основным ти­пом автомобильных двигателей, причем большое развитие должны полу­чить дизельные ДВС. Дизельные ДВС стали применяться после второй мировой войны и по настоящее время используются в основном на грузо­вых автомобилях большой грузоподъемности. Но ввиду своего преимуще­ства меньшего удельного расхода топлива до 30-35 % и более низкой ток­сичности отходящих газов они привлекли внимание и стали использоваться не только на грузовых машинах средней и малой грузоподъемности и ак бусах, но и легковых автомобилях. У многих массовых зарубежных mq лей имеются модификации с дизельным двигателем. ^ч

Недостатком дизельного ДВС является повышенное содержание сах ^х соединений серы, повышенная дымность и сильный неприятный запах Л ходящих газов. "

Роторно-поршневые ДВС имеют ряд преимуществ по сравнению с пор невыми: меньший вес и размеры; компактность, что особенно важно i) создании малолитражных автомобилей; способность работы на бензинА низким октановым числом; относительная простота конструкции; прак^, ь ческое отсутствие вибраций при работе; большая удельная мощность. >д_ч РПД уступает поршневому ДВС с искровым зажиганием по токсичноЛ отходящих газов. В то же время особенности конструкции позволяют боЛ эффективно применять устройства для уменьшения выделения С_хН_у. тЛ высокая температура сгорания и небольшие размеры двигателя дают в^ч можность использовать термический и окислительный каталитические н^Х трализаторы, эффект от которых выше, чем у поршневых ДВС.

Газотурбинная силовая установка при равной мощности легче и ко пактней ДВС, хорошо уравновешена и обладает меньшей токсичностью <Л ходящих газов. Но она обладает более низкими значениями экономичное^ и КПД, а также отличается дороговизной производства.

Двигатели внешнего сгорания. Среди достоинств паровых машин, npv менявшихся вплоть до 1931 г., долговечность, высокая плавность работах хорошие тяговые характеристики. Главные недостатки — низкий КПД и знЛ чительная масса. Опытные разработки позволили создать установки с поЛ ной конденсацией воды (замкнутый цикл), найти рецепты парообразуюшцЛ жидкостей с более выгодными показателями, по сравнению с водой,

Электромобиль — наиболее эффективное средство уменьшения загряч нения атмосферного воздуха городов, так как он совсем не выбрасывает а^ч мосферных газов. Кроме того, он обладает более простой конструкцией»⁴ Пробег автомобиля между подзарядками составляет 200 км. А автомобиль > двигателем, сочетающим бензиновый двигатель и электромотор, может пр<^ ходить до 1000 км. В настоящее время в Японии уже эксплуатируется 30 ты^^х таких автомобилей, при этом электробатареи составляют 0,1 % от их нал^' чия в электромобилях, что существенно снижает их массу и стоимость автс^ч мобиля. ^ч

Кроме того, с помощью мероприятий по оперативной организации да рожного движения (не требующих капитального переустройства улично-до рожной сети и строительства новых дорог) можно снизить расход топливу автомобилей, а значит, и количество отходящих газов (табл. 5.33).

Таблица 5.33

Снижение расходов топлива при проведении мероприятий по оперативной организации дорожного движения

Мероприятие	Среднее снижение расхода топлива, %
Сокращение одного пересечения транспортных и пешеходных потоков	5-20
Снижение уровня загрузки на 10 % при групповом и колонном режимах движения	3-10
Оптимизация скоростного режима	8-12
Оптимизация состава транспортного потока	7-8
Оптимизация цикла регулирования по минимуму расхода топлива	5-7

Снижение уровня загрузки автомобильных магистралей можно достиг­нуть рациональной организацией автомобильных перевозок, а также рассре­доточением транспортных потоков в пространстве и во времени, увеличени­ем пропускной способности магистралей. Наличие в транспортном потоке автомобилей с различными эксплуатационными свойствами приводит к воз­растанию неравномерности движения и расхода топлива. Создание одно­родных потоков возможно дифференцированием полос движения для транс­портных средств различного назначения (легковой, грузовой, пассажирский и т.д.), специализацией полос при подходе к пересечению дальнейшего на­правления движения, а также запрещением грузового движения в централь­ной части городов. Ограничение скорости движения в городах до 50 км/ч позволяет снизить расход топлива на 8-12 %, снижение скорости ниже 40 км/ ч приводит к увеличению расхода топлива.

Организационно-правовые мероприятия — это прежде всего нормирова­ние выбросов токсичных веществ с отработавшими газами автотранспорта. В различных странах мира действует более 90 нормативно-технических до­кументов, нормирующих токсичность выхлопных газов автомобилей. В ев­ропейских странах сейчас действуют нормы правил Европейской экономи­ческой комиссии ООН. Согласно правилам ЕЭК ООН №83 для бензиновых двигателей при испытании автомобилей по европейскому циклу, выбросы не должны превышать: по окиси углерода — 2,93 г/км, сумма углеводоро­дов и оксидов азота — 0,97 г/км; согласно правилу ЕЭК ООН №49 для ди­зельных двигателей при испытаниях по 13-ступенчатому циклу с пуском подогретого двигателя: ПДК окиси азота— 4,5 г/кВт-ч, углеводородов — 1,1 г/кВт-ч, оксидов азота— 8г/кВт-ч. Введенные в 1992 году нормативы, были ужесточены по сравнению с предыдущими на 45-60 %. Так, предель­но допустимая концентрация сажи составляет 0,63 г/кВт-ч для двигателей мощностью до 85 и 0,36 г/кВт-ч для двигателей большей мощности

Практика показывает, что реальным путем быстрого и эффективного снижения негативного влияния транспортных средств на биосферу является внедрение системы управления природоохранной деятельностью предприя­тий транспортного комплекса. В основе этой системы должны быть поло­жены следующие положения:

• система государственного управления охраной окружающей среды на транспорте должна строиться на основе сочетания административных и экономических методов регулирования деятельности объектов транспорта;

• все технические элементы транспортного комплекса, связанные с по­тенциальной опасностью загрязнения биосферы, должны быть сер­тифицированы в соответствии с действующими экологическими тре­бованиями. Предприятия — производители продукции для транспор­тного комплекса должны быть аккредитованы на право поставки про­дукции с учетом уровня ее экологической безопасности;

• деятельность предприятий и объектов транспорта должна быть рег­ламентирована путем выдачи лицензий, при этом в качестве обяза­тельных требований для получения лицензий должны выступать эко­логические;

• разработка и введение в действие эффективной системы экономичес­кого стимулирования и механизма финансирования природоохранной деятельности;

• создание единой программы научного обеспечения природоохранной деятельности и решение проблемы специальной экологической под­готовки персонала предприятий транспортного комплекса.

Градостроительные мероприятия направлены в основном на предотвра­щение распределения загрязнения от источника непосредственно в среду оби­тания человека. Эти мероприятия включают оптимальную планировку улиц и дорог, использование территориальных разрывов, зонирование застройки, сооружение магистралей-дублеров, кольцевых дорог, развязок на разных уровнях, использование естественных и создание искусственных экранов, защитное озеленение. Так, при одинаковой интенсивности движения наи­большее загрязнение воздуха фиксируется в районах плотной застройки с высокими зданиями. Увеличение расстояния между транспортной магистралью и жилой застройкой дает резкое снижение концентрации загрязняю­щих веществ.

Транспортная планировка, определяющая режим движения автомоби^ лей, позволяет снизить уровень загрязнения атмосферы. К мероприятиям транспортной планировки относятся: транспортные развязки на разных уров­нях, подземные тоннели и пешеходные переходы, магистрали-дублеры, коль­цевые магистрали. Мероприятия транспортной планировки способствуют пе­рераспределению транспортных потоков, уменьшают неравномерность дви­жения. Так, например, после постройки в Москве на площади Маяковского автомобильного тоннеля концентрация СО в воздухе снизилась в 2,5 раза, углеводородов — в 3 раза.

Эффективность зеленых насаждений зависит от способа озеленения, по­род деревьев, кустарников и времени года. Помимо роли защитного экрана, зеленые насаждения способствуют биологической очистке воздуха, погло­щая углекислый газ. Однородная древесная посадка оказывает малое газо­защитное действие. При такой посадке снижение концентраций отходящих газов составляет всего лишь 7-10 %. Более хорошие результаты (до 25 %) дает древесно-кустарниковая посадка. Однако в зимний период эффектив­ность посадки снижается в 3-4 раза. Для снижения концентрации окиси уг­лерода, более эффективной является трехрядная посадка деревьев. При этом концентрация сразу за посадкой снижается на 40 % (рис. 5.19).

При создании защитного экрана из зеленых насаждений должны выбираться породы деревьев и кустарников, наиболее устойчивые к дей­ствию токсичных компонентов отходящих газов. Менее всего пригодны для

этих целей хвойные деревья. Тополь хорошо поглощает канцерогенные ве­щества, особенно бенз(а)пирен.

Для защиты от пыли больше подходят хвойные деревья (ель канадская, туя складчатая, сосна горная и канадская), лиственные (клен остролистый, ясень американский и пенсильванский, бук, береза киргизская и бородавча­тая, вяз мелколистый и шершавый, дуб красный крупноплодный и череш-чатый, тополь бальзамический и белый), кустарники (боярышник, жимо­лость/калина, сирень, роза собачья и морщинистая), травянистые растения. Обязательный элемент лесополос — ограждения из металлической сетки по всей длине проезжей части. Деревья необходимо располагать в шахматном порядке. Высота деревьев — 7-8 м, кустарников — 1,5-2 м. Поперечная форма сечения имеет форму треугольника, причем более пологая сторона находит­ся со стороны дороги.