ВВЕДЕНИЕ. Проблемные вопросы экологии автомобильного транспорта

Проблемные вопросы экологии автомобильного транспорта. Экологическое воздействие автомобилей на состояние атмосферного воздуха

Автомобиль и его двигатель являются источником выделения около 200 различных газов и химических соединений, прямо или косвенно ухудшающих экологическое состояние окружающей среды и нашей планеты в целом. В результате сгорания топлива и проникающих в камеры сгорания смазочных материалов, выброса компонентов различных типов присадок и продуктов износа деталей автомобиля и двигателя вредные выбросы содержат две основные группы загрязняющих веществ:

- оказывающие прямое негативное воздействие на организм человека и окружающую среду (оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, в том числе ароматического ряда, различного типа кислоты, соединения свинца, серы);

- оказывающие негативное косвенное воздействие и являющиеся причиной глобальных экологических катастроф, таких, как образование фотохимического "смога", "парникового эффекта", "озоновых дыр" и др. (двуокись углерода, кислородосодержащие углеводороды, метан и твердые частицы).

Выброс вредных веществ происходит с отработавшими газами двигателя, с картерными газами (при вентиляции в атмосферу) и с парами топлива из системы питания и топливного бака. В таблице 1 приведены данные по составу отработавших газов.

Таблица 1

Состав отработавших газов ДВС

Токсичные компоненты отработавших газов двигателя оказывают различное физиологическое воздействие на организм человека. Ниже приведена их краткая характеристика.

Оксид углерода (СО). Бесцветный газ, не имеющий запаха, практически не растворим в воде. При попадании в организм человека в определенных концентрациях снижает процесс образования гемоглобина в крови и снабжения организма кислородом. В результате отравления оксидом углерода появляются головная боль, сердцебиение и удушье, а в дальнейшем возможны потеря сознания и летальный исход.

Оксиды азота. В отработавших газах двигателя до 95-97% составляет оксид азота (NO), который уже в системе выпуска, а затем в атмосфере окисляется в диоксид азота (NO₂). Оксид азота − бесцветный газ, с водой практически не взаимодействует. Диоксид азота − газ красновато-бурого цвета, в малых концентрациях практически без запаха, а в больших обладает удушливым запахом. Оксиды азот разрушающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, могут остаться в легких в виде азотной и азотистых кислот, получающихся в результате взаимодействия с влагой верхних ды­хательных путей. Отравление до состояния, угрожающего жизни, возникает при концентрации оксидов азота 0,5 - 1,0x10 ³ %.

Углеводороды. В отработавших газах находится большое количество углеводородных соединений. Предельные углеводороды оказывают на организм человека наркотическое воздействие. Непредельные углеводороды, особенно олефины, вызывают слезотечение, кашель, способствуют изменению нервной системы. Вступая в реакции с оксидами азота, под действием солнечного излучения, они образуют биологически активные вещества, которые вызывают раздражение органов дыхания, а также наносят ущерб растительному и животному миру. Наиболее опасны полициклические ароматические углеводороды (ПАУ): бенз-α-пирен, бензфлуоратен, коронен, обладающие канцерогенной активностью. ПАУ, постепенно накапливаясь в организме человека до критических концентраций, стимулируют образование злокачественных опухолей. Из альдегидов в отработавших газах в основном присутствуют формальдегиды и акролеин. Формальдегид − бесцветный газ с резким и неприятным запахом, раздражает глаза и верхние дыхательные пути, поражает центральную нервную систему. Акролеин также обладает сильным раздражающим действием.

Дисперсные частицы. Это углеродные частицы (сажа), образующиеся в результате крекинга при горении топлива в цилиндрах двигателя, аэрозоли масла и несгоревшего топлива, продукты износа подвижных частей двигателя и др. Дисперсные частицы, размер которых 0,2 - 5,0 мкм, задерживаются в легких, вызывая негативные изменения в органах дыхания. На частичках сажи адсорбируются вредные пары, газы, а также тяжелые ароматические углеводороды, в частности бенз-α-пирен.

В настоящее время законодательными актами Российской Федерации и других стран нормируется большое количество вредных веществ в атмосфере. Для этого введены санитарные нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в окружающем воздухе: максимально-разовые и среднесуточные. Однако только незначительная часть из них выбрасывается автотранспортными двигателями с отработавшими газами, и только оксид углерода, углеводороды (суммарно), оксиды азота и твердые частицы и формальдегид нормируются стандартами, ограничивающими выброс вредных веществ автотранспортом. Косвенным методом нормирования выброса твердых частиц является измерение дымности отработавших газов дизельных двигателей.

Влияние различных компонентов отработавших газов автомобилей на организм человека и окружающую среду весьма различно и может быть в первом приближении оценено соотношением ПДК, которые постоянно пересматриваются по мере выявления их негативного воздействия. Поэтому в ряде стран и в международных организациях, в частности, Европейской экономической комиссии ООН (ЕЭК ООН) рассматриваются предложения по введению нормирования выбросов автотранспортом таких ядовитых компонентов отработавших газов, как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), сернистые кислоты и ряд альдегидов.

Интенсивно нарастает опасное загрязнение атмосферы углекислым газом (СО₂), в больших количествах содержащихся в отработавших газах автомобилей. Этот газ, не являясь ядовитым для организма человека, способствует развитию парникового эффекта − явления, устранение которого в настоящее время стало глобальной проблемой.

Проблема глобального потепления в настоящее время считается наиболее важной среди всех экологических проблем, с которыми столкнулось человечество. Это было отмечено на Конференции ООН в Киото в 1997 г., на которой были определены порядок, последовательность и обязательства стран по снижению выбросов парниковых газов. Диоксид углерода (СО₂) является доминирующим среди выбросов всех парниковых газов, ответственных за потепление. Поэтому сокращение выбросов СО₂ является первостепенной задачей, и нормы этого сокращения сформулированы Киотским протоколом. Решением 2002/358/ЕС страны Евросоюза ратифицировали долгосрочные положения и цели Киотского протокола. Целый ряд документов ЕС определяет механизмы мониторинга, контроля и отчетности предприятий за эмиссией парниковых газов (в первую очередь СО₂), потреблением топлив и других не возобновляемых ресурсов (Директива 2003/87/ЕС, Решение 280/2004/ЕС, Решение 2004/156/ЕС и др.).

Для автомобильной промышленности дополнительно были приняты ряд положений и мер, направленных на сокращение выбросов СО₂ автомобилями. Среди них можно отметить следующие нормативные документы Евросоюза.

Директива 1999/94/ЕС, установившая требования о доступности и обязательности информации по выбросам СО₂ и расходу топлива для всех автомобилей, продаваемых на рынках ЕС.

Решение 1753/2000/ЕС, устанавливающее требования к обязательному мониторингу СО₂ для легковых автомобилей и предоставлению ежегодного отчета каждым производителем.

Решение 2001/677/ЕС, устанавливающее формат отчетности для выполнения директивы 1999/94 ЕС.

Решение 1999/125/ЕС, установившее цели достижения 140г/км эмиссии СО₂ к 2008 году для новых легковых автомобилей АСЕА.

Решение 2000/303/ЕС, установившее цели достижения 140 г/км эмиссии СО₂ к 2009 году для новых легковых автомобилей КАМА.

Решение 2000/304/ЕС, установившее цели достижения 140 г/км эмиссии СО₂ к 2009 году для новых легковых автомобилей JAMA.

Директива 2003/96/ЕС, установившая дополнительные экологические налоги на энергоносители (в том числе на автомобильные топлива).

Следует отметить, что установленная перспективная норма в 140 г/км эмиссии СО₂; распространяется не только на вновь отипованные новые модели автомобилей, а является средним нормативом. За расчет берется среднее арифметическое по всем зарегистрированным новым автомобилям, изготовленным конкретным производителем и проданным в странах ЕС за текущий год. Методика определения СО₂ установлена решением 1753/2000/ЕС и привязана к новому циклу движения, утвержденному директивой 93/116/ЕС с учетом изменений, введенных директивой 99/100 ЕС. Эмиссия СО₂ в 140 г/км соответствует расходу топлива в 5,9 л/100км для бензинового двигателя.

В апреле 2009 г. С целью снижения выбросов от автотранспорта в Европейском Союзе были приняты Правила «443/2009, касающиеся ограничения выбросов СО₂ от новых легковых автомобилей категории М₁. Всоответствии с данными Правилами установлена цель: достичь средней величины выбросов СО₂ от новых легковых автомобилей в целом по Европейскому Союзу на уровне 120 г/км к 2012 г., а после 2020 г. установлена цель − 95 г СО₂/км.

Для производителей автомобилей установлены предельные значения выбросов диоксида углерода в зависимости от снаряженной массы автомобиля. Расчет предельных выбросов СО₂производится по формуле:

e_СО2= 130 + 0,0457 х (М-1372), гСО₂/км,

где М − снаряженная масса автомобиля, кг.

На основании данной формулы производитель рассчитывает предельную величину выброса СО₂ выпускаемых им автомобилей для европейского рынка. Затем производитель сравнивает эту величину с реально достигнутой.

Для расчета реально достигнутой величины среднего выброса производитель может использовать данные по автомобилям с меньшим выбросом СО₂ и принимать в расчет:

- 65% выпускаемых автомобилей в 2012 г.;

- 75% − в 2013 г.;

- 80% − в 2014 г.

Начиная с 2015 г. необходимо учитывать все выпускаемые легковые автомобили для европейского рынка.

Известно, что практически все автопроизводители Европы и США входят а Ассоциацию АСЕА, производители легковых автомобилей Японии входят в Ассоциацию JAMA, производители легковых автомобилей Кореи входят в Ассоциацию КАМА, поэтому остановленные перспективные цели являются обязательными почти для всех легковых автомобилей, которые будут продаваться на рынках Евросоюза в будущем (следует учесть также, что в состав стран ЕС с 2004 года добавилось много новых членов).

Ведущаяся в Евросоюзе статистика показывает, что на протяжении последних лет средние цифры сокращения СО₂ по паркувновь зарегистрированных автомобилей непрерывно улучшались. Например, для всех новых легковых автомобилей АСЕА, ежегодно регистрируемых в странах ЕС, среднее значение СО₂ с 1995 по 2002 гг. сократилось с
185 г/100км до 163 г/100км (или на 12,1%), что привело к аналогичному снижению среднего расхода топлива за этот период с 7,6 л/100км до
6,5 л/ 100км. Причем такое снижение произошло несмотря на имевшее место за тот же период увеличение средних значении для массы легковых автомобилей на 10,2%), объема двигателей на 5,7% и мощности двигателей на 21,8% (это было связано с улучшением комфорта автомобилей, повышением их технической оснащенности и безопасности).

В странах ЕС в настоящее время обсуждаются проекты законов, согласно которым будут изменены оплата регистрации автомобиля (registration tax) и ежегодный налог за пользование автомобилем (annual circulation tax). Они будут учитывать выбросы СО₂. Кроме того, Директивой 2003/96/ЕС уже введен дополнительный экологический налог на топлива, который также ляжет на плечи покупателей автомобилей.

Валовой выброс вредных веществ автотранспортом России в предыдущий период и прогноз до 2010 г, рассчитанный из учета роста автомобильного парка и сокращения удельных выбросов всеми категориями автомобилей в соответствии с международными нормативами ЕЭК ООН, представлен на рисунке 1.

Общий валовой выброс нормируемых вредных веществ автотранспортом в России, несмотря на уменьшение удельных выбросов индивидуально по каждой категории автотранспорта, в соответствии с требованиями международными нормативами ЕЭК ООН монотонно возрастает, что объясняется постоянным ростом всего автотранспортного парка.

Рис. 1. Парк и выбросы вредных веществ

автомобильным транспортом РФ

1 − рост автомобильного парка, млн. шт.

2 − вредные выбросы от автомобилей, соответствующих стандартам РФ на 1995 г, млн. т.

3 − вредные выбросы от автомобилей в ЕC, оснащенных антитоксич-ными системами, млн. т.

4 − Реальные выбросы от автомобилей РФ, млн. т.

Как видно из баланса валовых выбросов вредных веществ (рис. 1), оснащение автотранспорта антитоксичными системами и особенно системами нейтрализации отработавших газов двигателей, в соответствии с требованиями ЕВРО-1 и ЕВРО-2, является эффективным мероприятием и позволит снизить выброс вредных веществ парком автотранспорта РФ к 2006 - 2010 гг. в два - три раза.

Поэтапное введение международных норм, ограничивающих выброс вредных веществ, является главным действующим стимулом развития работ по созданию автомобилей с пониженной токсичностью.

Токсичность вредных веществ различна, и оценка только по отдельным нормируемым на сегодняшний день компонентам не всегда позволяет составить правильное представление об экологических качествах данного автомобиля Влияние различных компонентов отработанных газов автомобиля на организм человека и окружающую среду весьма различно и может быть в первом приближении оценено соотношением предельно допустимых концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе (ПДК) Для повышения объективности обшей оценки был предложен суммарный показатель − массы выброса вредных веществ, использующий медицинские ПДК вредных веществ. С этой целью выбрано условное вредное базовое вещество, среднесуточная ПДК которого для воздуха населенных мест постоянна и равна 1мг/м³. Принятие этого условия позволило обеспечить стабильность сравнения суммарных масс различных выбрасываемых вредных веществ, т.к. в течении последних 30 лет ПДК СО, которое использовалось в качестве базового, менялось несколько раз, а также менялось ПДК на NO₂, CH и SO₂. Сопоставляя эту величину − 1мг/м³ с установленными санитарными нормами − ПДК, и на ненормируемые международными стандартами, и на нормируемые вредные вещества, можем получить следующие значения "удельной величины степени вредности" выбрасываемого вредного вещества:

СО − 0,33; СН − 0,67; NO_х − 25,0; сажа − 20,0; соединения свинца − 3333;

SO₂− 20,0; СНО − 333; бенз-α-пирен − 10⁸.

Суммарная масса выбрасываемых вредных веществ, приведенная к массе базового вещества, в этом случае определяется по формуле:

М_вв = 0,ЗЗМ_СО + 0,67М_СН + 25,0М_NOх,. + 20,0М_С + 3333М_Pb + 20,0M_SO2 + 333 М_СНО+10⁸М_БП.

С помощью этого расчета можно определять значимость каждого вредного компонента в общем выбросе отработавших газов двигателей с различными экологическими мероприятиями.

Первое реальное и существенное снижение выброса вредных веществ в Российской Федерации было осуществлено при переходе с этилированных бензинов на неэтилированные для подготовки организации производства систем нейтрализации. Прекращение выпуска этилированных бензинов с 1999-2000 гг. практически решило проблему выброса с отработанными газами двигателей в атмосферу чрезвычайно вредных соединений свинца (рис. 2).

Рис 2. Значимость выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателей легковых автомобилей при действующих ПДК.

Токсическая опасность этилированного бензина связана главным образом, с наличием в нем высокотоксичных антидетонаторов на основе соединений свинца: тетраэтилсвинца (ТЭС) или тетраметилсвинца (ТМС). По своим токсикологическим параметрам, определяемым предельно допустимыми концентрациями (ПДК) в воздухе, ТЭС во много раз опаснее самого бензина (табл. 2). И хотя добавки ТЭС к бензину малы (0,2-0,5 г/л по свинцу), этилированный бензин является высокотоксичным веществом. ТЭС оказывает токсическое действие на все органы и ткани, нарушает обменные процессы. Опасность отравления усиливается способностью ТЭС задерживаться и накапливаться в организме до опасных концентраций.

Следует учитывать и то, что при сгорании этилированных бензинов практически весь ТЭС (до 90%) в виде различных соединений свинца (оксидов, бромидов и т.д.) выбрасывается в атмосферу с продуктами сгорания, что приводит к загрязнению природной среды. Поэтому содержание ТЭС в бензинах постоянно уменьшают, переходят на выпуск неэтилированных бензинов, повышая их октановое число за счет высокооктановых добавок, первую очередь, углеводородных.

К высокооктановым углеводородным компонентам бензинов относятся изомерные углеводороды, алкилаты, ароматические углеводороды − производные бензола, циклические углеводороды (циклогексан, метилциклогексан) и др.

Из всех высокооктановых углеводородных компонентов особую экологическую опасность представляют ароматические углеводороды бензол и его производные − толуол, ксилол, этилбензол и кумолы. Содержание ароматических углеводородов в выпускаемых сегодня в России высокооктановых неэтилированных бензинах достигает 45-65%.

Таблица 2

Бензол помимо действия на кровь и кроветворные органы, обладает раздражающим и аллергическим эффектами, мутагенной и канцерогенной активностью, опасен при проникновении даже через неповрежденную кожу.

В общем случае можно считать, что относительная токсичность бензинов прямо коррелируется с содержанием в них ароматических углеводородов.