Тема 5. Забруднення довкілля транспортними засобами.

Основні терміни теми: транспорт, двигуни внутрішнього згоряння, бензиновий двигун, дизельний двигун, види палива, вплив на довкілля, зниження токсичності вихлопних газів.

ІНФОРМАЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ ТЕМИ

Забруднення довкілля транспортними засобами

Двигуни внутрішньо­го згоряння (ДВЗ) являють собою теплові машини, в яких хімічна енергія палива перетворюється в теплову, а потім в механічну роботу.

В дизелях паливо запалюється за рахунок теплоти стиснення. Для того, щоб отримати достатньо високу температуру, необхідну для запалювання пального, потрібно довести повітря при стисненні до 2,5-4 МПа. Основною перевагою використання в дизелях відносно високих тисків є те, що це підвищує термічний ККД двигуна, чим зменшує витрати пального на одиницю виконуваної роботи. Високий тиск досягається шляхом стискання тільки повітря, а не паливної суміші повітря і парів пального, яка б запалювалася передчасно у період стискання.

Вприскування пального в сильно стиснене і нагріте повітря відбувається в період невеликої частини циклу, починаючись незадовго до кінця такту стиснення. Оскільки пальне вприскується в дуже нагріте повітря, що знаходиться під сильним тиском, і при цьому добре розпилюється, то йому не потрібна висока леткість, яку повинно мати пальне для карбюраторних двигунів. Пальне для дизелів дешевше, ніж для карбюраторних двигунів. Відсутність карбюратора і запального пристрою спрощує конструкцію дизеля.

У порівнянні з іншими двигунами ДВЗ мають ряд переваг, що стимулюють їх удосконалення і впровадження в народне господарство: високий коефіцієнт корисної дії, компактність, легкість пуску, автономність роботи та багато іншого. Розглянемо кілька типів двигунів для пояснення принципу їх дії. Схема роботи чотиритактного дизеля:

Тактом називають шлях, який проходить поршень з одного крайнього положення в інше. Сукупність тактів називається циклом. В 4-тактних двигунах цикл виконується за 2 оберти колінчатого вала або за 4 ходи поршня.

1 такт - впуск або всмоктування. Заповнення робочої порожнини циліндра паливною сумішшю чи повітрям.

2 такт - стиснення. Повітря або горюча суміш стискається поршнем при його русі. Клапани чи вікна закриті.

3 такт - робочий хід. При згорянні палива утворюються гази, температура в циліндрі росте, гази розширюються, рухаючи поршень. Наприкінці робочого ходу тиск газів на поршень зменшується.

4 такт - випуск.

Автомобільний транспорт

Загальна характеристика. Автомобільний транспорт займає важливе місце в єдиній транспортній системі. Він перевозить 10-80% народногосподарського вантажу, що обумовлено високим маневруванням, можливістю доставки вантажу "від дверей до дверей" без додаткових перевантажень в дорозі, а отже, високою швидкістю доставки і збереженням вантажу [3].

Висока мобільність, здатність оперативно реагувати на зміни пасажиропотоків ставить автомобільний транспорт "поза конкуренцією" при організації міських перевезень пасажирів. На його частку припадає майже половина всього пасажирообігу [4].

Автомобілі поділяються на транспортні (вантажні і пасажирські), спеціальні і спортивні. Вантажні автомобілі призначені для перевезення вантажу і пасажирів, спеціальні - для виконання різних технічних функцій (підйомні крани, пересувні компресори га ін.), спортивні - переважно для досягнення певних рекордів швидкості та інших спортивних досягнень.

Вантажні автомобілі в свою чергу поділяються на 3 основні категорії: пасажирські, до яких відносяться легкові автомобілі та автобуси; вантажні - для перевезення різного вантажу та тягачі, які не мають власних вантажних ємностей і призначені для буксировки напівпричепів і причепів.

За шляховими регламентаціями всі автомобілі поділяються на З основні групи. До першої групи "А" відносяться автомобілі шляхового типу, призначені для використання тільки на дорогах з досконалим капітальним покриттям і повною масою до 52 т. До другої групи "Б" належать автомобілі шляхового типу, які допускаються до експлуатації на всій мережі доріг загального використання з повною масою до 34 т.

Крім того, існують автомобілі, що не допускаються до експлуатації по дорогах загального використання, які мають навіть капітальне покриття. Ці автомобілі призначені для роботи по спеціально побудованих для них кар'єрних, лісовозних або інших дорогах, а також поза мережею доріг.

Автомобілі розрізняють також за родом двигуна. В залежності від роду встановленого двигуна автомобілі бувають таких типів: автомобілі з бензиновим двигуном внутрішнього згоряння - найбільш розповсюджені серед легкових автомобілів; також дизельні автомобілі, що працюють на дизельному паливі та автомобілі з газовими та комбінованими двигунами.

За ознаками проходження автомобілі поділяють: на шляхові (обмеженого проходження) для руху головним чином по дорогах (в тому числі і по ґрунтових); підвищеного і високого проходження, які можуть працювати у важких шляхових умовах та по бездоріжжю.

В залежності від вантажопідйомності вантажні автомобілі под­іляють на класи: особливо малої вантажопідйомності (до 0,5 т), малої (від 0,5 до 2 т), середньої (від 2 до 8 т), великої (від 8 до 16 т) і особли­во великої вантажопідйомності (понад 16 т).

Автомобілі малої вантажопідйомності призначені для доставки пошти, розвезення продуктових і промислових товарів. Автомобілі малої вантажопідйомності застосовують для освоєння незначного вантажообігу з дрібнопартійними відправками. Їх також використо­вують як вантажні таксі та автомобілі технічної допомоги.

Автомобілі середньої і великої вантажопідйомності служать для перевезення масових вантажів великими партіями. Такі автомобілі застосовують для масового перевезення сировини, палива, будівель­них матеріалів і сільськогосподарських вантажів.

Автомобілі особливо великої вантажопідйомності використо­вують при потужних і постійних вантажних потоках на спеціальних дорогах або поза дорогами загальної мережі (на великих будівницт­вах, при розробці корисних копалин відкритим способом, для пере­везення гірської породи, а токож для перевезення руди, вугілля. [4].

Одним з негативних факторів є зростаючий шкідливий вплив їх на навколишнє середовище та здоров'я людини. Це зумовлено, на­самперед, викидом значної кількості шкідливих речовин та шумом, що супроводжує роботу автомобіля. Потрапляючи в атмосферу, во­дойми, грунт шкідливі речовини негативно впливають на біосферу.

Розглянемо дороги. Чим вища категорія дороги, тим більший потік автомобілів вона пропускає і тим більш вдосконаленою є в тех­нічному відношенні. Залежно від інтенсивності руху, дозволеної швид­кості руху і роду технічних характеристик автомобільні дороги под­іляються на 5 категорій (табл. 10.2.1).

В автомобільних двигунах внутрішнього згоряння (ДВЗ) у світі щорічно спалюється приблизно 2 млрд. тон нафтового палива. При цьому ККД складає у середньому близько 23% [6].

Основна причина забруднення повітря полягає в неповному і нерівномірному згорянні палива. Всього 15% його витрачається на рух автомобіля, а 85% "летить на вітер".

У відпрацьованих газах двигуна внутрішнього згоряння містить­ся понад 170 шкідливих компонентів, з них близько 160 - похідні вуг­леводню - прямо завдячують своєю появою неповному згорянню па­лива в двигуні. Наявність у відпрацьованих газах шкідливих речовин обумовлена в кінцевому результаті видом і умовами згоряння палива.

Відпрацьовані гази, продукти зносу механічних частин і покри­шок автомобілів, а також дорожного покриття складають близько половини атмосферних викидів антропогенного походження. Найбільш дослідженими є викиди двигуна і картера автомобілів. До складу цих викидів, крім азоту, входять такі шкідливі ком­поненти, як оксид вуглецю, вуглеводні, оксиди азоту і сірки, тверді частинки.

Склад відпрацьованих газів залежить від роду застосо­ваних палив, приса­док і масел, режимів роботи двигуна, його технічного  стану, умов руху автомобіля та ін. Токсичність відпрацьованих газів бензинових двигунів обумовлюється голов­ним чином вмістом ок­сиду вуглецю та ок­сиду азоту, а дизель­них двигунів - окси­дом азоту та сажі (табл. 10.2.4) [З].

Таблиця 10.2.4. Склад відпрацьованих газів

 

Компоненти	Бензинові двигуни	Дизельні двигуни
Азот, ч/о	74-77	76-78
Кисень, %	0,2-8.0	2-18
Пари води, %	3,0-13,5	0,5-10,0
Вуглекислий газ, %	5-12	1-10
Диоксид вуглецю, %	5.0-14,0	1,0-12,0
Оксид вуглецю, %	0,1-10	0,01-0,3
Оксиди азоту, %	0,1-0,5	0,001-0,4
Альдегіди (в перерахунку	0,2	0,009
Вуглеводні, %	0,2-3,0	0,01-0,5
Сірчаний газ, %	0-0,002	0.03
Оксид сірки, %	0.003	0.0-0,015
Сполуки свинцю, мг/м3	0-60	-
Сажа, г/м3	0,4	0.01-1,1
Бенз(а)пірен, мг/10000 м3	до 0,00002	до 0,00001

 

В автомобільних двигунах реакція горіння перетворює енергію палива в теплоту, а потім в механічну роботу. В результаті реакції горіння утворюються токсичні компоненти. Вони викидають­ся двигунами в складі відпрацьованих газів. Відпрацьовані гази доповнюються побічними продуктами горіння, які є в паливах нафтового походження або в присадках до енергоносіїв і масел.

Частина газів через нещільність поршневих кілець потрапляє з циліндрів у картер, де, стикаючись з парами мастила, утворює картерні гази. Атмосферне повітря забруднюється також безпосе­редньо паливним випаровуванням з паливних баків, паливопроводів, карбюраторів.

Як бачимо з таблиці, основними компонентами відпрацьова­них газів є азот, кисень, пари води, двоокис та оксид вуглецю. До токсичних компонентів відносяться оксид вуглецю, оксиди азоту, вуглеводні, альдегіди, оксид сірки, сажа і бенз(а)пірен.

При згорянні 1 кг бензину при середніх швидкостях і ванта­жах виділяється приблизно 300-310 г токсичних компонентів (225 г оксидів вуглецю, 55 г оксидів азоту, 20 г вуглеводнів, 1,5-2,02 г ок­сиду сірки, 0,8-1 г альдегідів, 1-1,5 г сажі та ін.).

При згорянні 1 кг дизельного палива виділяється близько 80-100 г токсичних компонентів (20-30 г оксиду вуглецю, 20-40 г вугле­водів, 10-30 г оксидів сірки, 0,8-1,0 г альдегідів, 3-5 г сажі та ін.)

Дизелі частіше встановлюють на автомобілях підвищеної ван­тажопідйомності, хоча на даний час існує тенденція застосовувати дизелі на автомобілях середньої і навіть малої вантажопідйомності.

В порівнянні з карбюраторними двигунами дизелі мають такі

переваги:

• більш висока паливна економічність (на 30-40%);

• висока надійність;

• менша токсичність.

До недоліків дизеля необхідно віднести:

• велику масу і розміри при однаковій з карбюраторними двигуна­ми потужності;

• більш важкий пуск двигуна;

• підвищений рівень шуму при роботі;

• значні викиди з відпрацьованими газами сажі, яка може бути при­чиною утворення канцерогенних речовин.

Перехід автомобільного транспорту з рідкого на газове пали­во економічно і технічно виправданий.

Газ краще за бензин змішується з повітрям, тому він повніше згоряє в двигунах, а отже, і шкідливих речовин у відпрацьованих газах менше.

Необхідні ресурси

Автомобільний транспорт потребує таких ресурсів, як бензин, дизельне паливо, газове паливо, різні масла та альтернативні па­лива.

Тепер автомобільний транспорт споживає 60% бензину і май­же 35% дизельного палива.

Для вантажних автомобілів з бензиновими двигунами збільшення витрат потужності, що передається, на 1% призводить до витрат палива на 1,0-1,4% в діапазоні швидкості руху 36-55 км/ год, для дизелів - збільшення витрат палива на 1,1-1,3% в діапазоні швидкості руху 35-70 км/год.

На 1000 т-км вантажних перевезень автомобільний транспорт витрачає близько 149 кг умовного палива.

Для більшості вантажних автомобілів як з бензиновими дви­гунами, так і з дизельними мінімальна витрата палива відповідає швидкості руху автомобіля близько 30 км/год, при зростанні швид­кості до 50 км/год має місце поступове збільшення витрат палива.

Бензин застосовується, головним чином, у вигляді палива для двигунів внутрішнього згоряння зі спалахуванням від іскри. Це па­ливо характеризується такими показниками: схильністю до утво­рення відкладень, корозійною агресивністю.

Важлива експлуатаційна властивість бензину - його детона­ційна стійкість, тобто здатність нормально згоряти в двигуні за різних умов.

Детонаційна стійкість характеризується октановим числом. Воно закодоване у марках бензину: А-76, АІ-93, АІ-95, АІ-98. Як паливо застосовують також дизельне пальне. Воно має велику пе­ревагу над бензином - велика економія палива. Характерними до­мішками є сполуки сірки, вміст яких досягає 0,5% маси палива.

Газ краще за бензин змішується з повітрям, тому він повніше згоряє в двигуні. Октанове число у нього від 105 до 110 од., в той час як у найбільш високосортного бензину воно становить тільки 98 од. Крім того, газове паливо подовжує життя автомобільного дви­гуна майже в 1,5 рази. Неважко зрозуміти, чому бензин змиває змаз­ку зі стінок циліндрів, розріджує її і псує, а газ не порушує масляну плівку між деталями, які труться, і вони менше зношуються.

Високооктанове за складом газове паливо добре змішується з повітрям і рівномірно розподіляється по циліндру двигуна, сприяє більш повному згорянню робочої суміші.

Газ буває стиснений та скраплений.

Стиснений газ. Хоча при роботі на газі потужність двигуна падає на 18-20%, зате його ресурс на 30-40% більше, ніж при використанні бензину.

Як показав вітчизняний і закордонний досвід, використання природного газу у вигляді пального для автомобільних двигунів досить економічне. Кожен кубометр його зберігає як мінімум 1 л бензину, зменшується частка витрат на паливо в собівартості перевезень.

Паливо, яке використовується в газобалонних автомобілях, повинно мати тиск близько 20 МПа, стабільний склад компонентів і обмежений вміст шкідливих домішок.

Скраплений газ. Частіше використовується пропан-бутан, який при тиску 1,6 МПа зріджується при звичайних температурах. Крім ньо­го, починають як паливо для автомобілів використовувати зріджений природний газ. Зліва за кабіною, де звичайно розміщується бензобак, великий срібний "термос" з рідким метаном. Його температура кипін­ня - 160°С. Щоб зберегти паливо від випаровування, на борту вантаж­івки встановлюють кріогенний бак. Він вміщує 160 л зрідженого газу, що забезпечує автомобільний пробіг 300 км. Перше, на що звертається увага, - незвичайна легкість, з якою запускається двигун [3].

До необхідних ресурсів відносяться і масла. Під час роботи дви­гуна на його тертя витрачається від 3 до 8% палива в бензинових дви­гунах і від 2 до 4% в дизельних, величина витрат здебільшого залежить від в'язкості. Від в'язкості масла залежить також надійність роботи де­талей, які зазнають тертя, легкість пуску, охолодження поверхонь, що труться, винос продуктів спрацювання з поверхні тертя. Масла низь­кої в'язкості при низьких температурах швидше надходять до повер­хонь двигуна, які труться, зменшують пускові спрацювання. Кращими маслами вважаються ті, в яких найменша в'язкість, але які забезпечу­ють надійне змащування деталей, малу витрату його на чад, добрий відвід теплоти, забезпечують достатній тиск в системі змащування, мають меншу залежність в'язкості масла від температури.

Альтернативні види палива та енергії.

Спирти. Серед автомобільних видів палива в першу чергу слід відмітити спирти, зокрема, метанол і етанол, які можна застосовува­ти не тільки як добавку до бензину, але і в чистому вигляді. Їх головні переваги - висока детонаційна стійкість і добрий ККД робочого про­цесу, недолік - знижена теплотворна здатність, що зменшує пробіг між заправками і збільшує витрати палива в 1,5-2 рази в порівнянні з бензином. Крім того, через погану випаровуваність метанолу і ета­нолу ускладнений запуск двигуна.

Водень. Останнім часом широкого розповсюдження набула ідея використання чистого водню у вигляді альтернативного палива. За­цікавленість до водню як палива пояснюється тим, що запаси його практично безмежні. Це найбільш розповсюджений в природі елемент. Перевага водню як палива незаперечна. У нього висока теплотворна здатність: у 5 разів вища, ніж у бензина. Продукти згоряння містять один безпечний компонент - водяну пару [3].

Також можуть застосовуватись штучне рідке паливо, отримане з кам'яного вугілля, пилоподібне паливо, генераторний газ, біогаз та інші рідкісні палива: касторова олія, ефір.

Електромобіль. Електричні автомобілі мають електричні дви­гуни, що працюють від акумуляторних батарей. Переваги - без­шумність і відсутність відпрацьованих газів. Недоліки - малий радіус дії і значна маса акумуляторних батарей [4].

Вплив викидів автотранспорту на довкілля.

Одним з негативних факторів, пов'язаних з масовим викорис­танням автомобілів у сучасному світі, є зростаючий шкідливий вплив їх на навколишнє середовище та здоров'я людини. Це зумовлено, на­самперед, викидом значної кількості шкідливих речовин та шумом, що супроводжує роботу автомобіля.

Джерелами викидів шкідливих речовин є відпрацьовані і ази автомобільних двигунів, випаровування з системи живлення, підтікан­ня пального і мастил у процесі роботи та обслуговування автомобілів, а також продукти зносу фрикційних накладок зчеплення, накладок гальмівних колодок, шин. Потрапляючи в атмосферу, водойми, грунт шкідливі речовини, що викидаються автомобільним транспортом, негативно впливають на біосферу.

Найбільшу небезпеку становить забруднення атмосфери відпрацьованими газами автомобільних двигунів [1].

До числа шкідливих компонентів відносяться і тверді викиди, що містять свинець і сажу, на поверхні якої адсорбуються циклічні вуглеводні. Закономірності розповсюдження в навколишньому середовищі твердих викидів відрізняються від закономірностей, характерних для газоутворюючих продуктів. Окремі фракції, осідаючи поблизу від центра емісії на поверхні грунту і рослин, в результаті накопичуються у верхньому шарі грунту. Дрібні фракції утворюють аерозолі і розповсюд­жуються з повітряними масами на великі відстані [3].

Зауважимо, що з наведених у табл. 10.2.4 компонентів азот, ки­сень, вода і діоксид вуглецю не токсичні, решта - токсичні.

Хоча діоксид вуглецю не токсичний компонент, нагромадження його в атмосфері небезпечне, оскільки призводить до виникнення так званого парникового ефекту [1].

Оксид вуглецю. Він утворюється переважно в бензинових двигунах при роботі на багатих паливоповітряних сумішах. Причиною виникнення оксиду вуглецю в цьому випадку є нестача кисню для повного окислення вуглецю, який входить до складу палива. Незнач­на кількість оксиду вуглецю, що утворюється під час роботи на бідних сумішах, у тому числі і в дизелях, є продуктом проміжного окислення вуглецю, який через нестачу часу на процес згоряння не встигає доокислитись до діоксиду вуглецю. Оксид вуглецю - високотоксична сполука. Оксид вуглецю інертний і зберігається в повітрі 0,1-5 років. Підвищення його концентрації виникає в тунелях, гаражах, інтенсив­них транспортних потоках [1].

Оксид азоту. Токсичний вплив оксиду азоту при його викидах проявляється в двох шарах атмосфери - страто- і тропосфері. В стра­тосфері він пов'язаний з існуванням захисного шару Землі. Каталітич­не руйнування озонового шару NО₂ спричиняє недопустиме зростання біологічно активної радіації і ставить під загрозу існування біосфери. Частина оксиду азоту потрапляє в стратосферу з тропосфери. Оксид азоту зберігається в оточуючій його атмосфері протягом 3-4 днів [5].

Вуглеводні. У відпрацьованих газах міститься кілька десятків різних вуглеводнів, які різняться за токсичністю. Джерелом вуглевод­невих сполук є шари паливної суміші, прилеглі до стінок камери зго­ряння, де відбувається гасіння полум'я, частини камери згоряння, в яких через нерівномірний розподіл суміші виникає нестача кисню, а також циліндри, що працюють з пропусками запалювання та згоряння.

Вуглеводневі сполуки, які потрапляють в атмосферу, є також од­нією з складових, що утворює смоги у великих містах. Особливу небез­пеку становить наявність у складі вуглецю канцерогенних речовин, які викликають захворювання на рак (наприклад, бензапірен) [1].

Сірчаний газ. Розповсюдження сірчаного газу в повітряному середовищі відрізняється великою нерівномірністю. Сірчаний газ не отруйний, але в сполученні з іншими забрудненнями і вологою под­разнює очі, ніс та горло, шкідливо впливає на легені, вбиває рослини,

викликає корозію металів і зменшує прозорість атмосфери. При се­редньодобовій концентрації в повітряному середовищі більше 0,05 мг/м³ сірчаного газу, що справляє токсичний вплив на флору, фауну, людину. Менші концентрації сірчаного газу в результаті зіткнення з водою призводять до закислення води і грунту [5].

Сполуки свинцю. Наявність сполук свинцю у відпрацьованих газах є наслідком додавання тетраетилсвинцю в бензини для підви­щення октанового числа.

Свинець не повністю потрапляє в атмосферу після згоряння па­лива - від 70 до 75% загальної його кількості, що міститься у бензи­нах. Певна кількість сполук свинцю потрапляє в повітря при безпосередньому випаровуванні бензинів з паливного бака та карбюратора.

Сполуки свинцю у повітрі знаходяться протягом 1-4 тижнів. В атмосфері свинець швидко з'єднується з слідами йоду, утворюючи стабільну сполуку Pb, яка перешкоджає проходженню сонячної радіації [1].

Вуглекислий газ. Вміст в повітрі вуглекислого газу не нормований. Зростання концентрації вуглекислого газу небезпечне в тому відношенні, що при поглинанні довгохвильового теплового проміння створює "парниковий ефект", що обумовлює перегрів поверхні землі.

Тривалість знаходження вуглекислою газу в повітрі - 4 роки. Вміст в повітрі вуглекислого газу знижує вміст в ньому кисню і тим самим зменшує значення порогових, небезпечних для людини концентрацій токсичних речовин [5].

Альдегіди. Найхарактернішими для відпрацьованих газів дви­гунів внутрішнього згоряння є акролеїн, формальдегід та ацетальдегід. Альдегідам властива висока токсичність, неприємний запах та под­разнююча дія.

Сажа. При неповному згорянні палива з відпрацьованими газами викидається сажа. Вона утворюється в камерах згоряння двигунів внаслідок пролізу палива при високих температурах і тиску в середовищі з нестачею кисню. Особливо багато сажі утворюється в дизелях. Головна небезпека, яку несе сажа, в тому, що вона може бути носієм канцерогенних речовин, які адсорбуються на поверхні її частинок [1].

Вплив небезпечних речовин на навколишнє середовище може викликати незворотні зміни і навіть загибель флори і фауни. Особли­во істотні відхилення від екологічної рівноваги викликають інциденти з небезпечними вантажами. Наприклад, загибель чи захворювання тварин при потраплянні хімічних речовин в стічні води, знищення лісових масивів в результаті пожежі, що виникає при перевезенні легкозаймистих речовин і т.д.

Вплив автомобільного транспорту на флору і фауну. Автомобільний транспорт негативно впливає на природу загалом і на фауну зокрема. Це виражається в забрудненні природного середовища і доріг, руйнуванні місць проживання тварин, розсіченні дорогами сезонних і добових ділянок тварин, зіткнення останніх з транспортними засобами.

Значну роль відіграє придорожня рослинність і прилягаючі біотипи. На ділянках, де дорога робить досить круті підйоми і спуски, ліс близько підходить до полотна, гине переважна частина тварин.

Автомобільні дороги інколи загороджують традиційні шляхи міграції тварин, відокремлюючи місця їх проживання від місць жив­лення чи полювання, порушуючи екологічну рівновагу в природі.

Багато автомобільних доріг проходять по заповідниках, національних парках і лісах, де на проїжджу частину потрапляють дикі тварини.

Соковиті трави в зелених куточках міст спонукають багатьох господарів використовувати цей дар природи для поповнення фу­ражних запасів приміських ферм. Але сінокосу потрібно бути на лу­ках подалі від автомобільних доріг. Міські трави не для ферм. Вся зелень в містах виконує роль фільтрів навколишнього середовища. Одні накопичують і виводять за межі своєї зони більше свинцю, другі - сірки, треті - хлору.

Використання рослинної продукції придорожної зони не реко­мендується у зв'язку з підвищеним вмістом в ній важких металів і отруйних поліциклічних сполук [З].

Шум. Шум також є різновидністю несприятливого впливу ав­томобільного транспорту на навколишнє середовище. При русі автомобіля він виникає в результаті роботи його агрегатів і взає­модії шин з поверхнею дороги. Основними джерелами шуму є: про­цеси всмоктування повітря карбюратором і випуску відпрацьованих газів, робота вентилятора системи охолодження, клапанного механізму, трансмісії. Шум від взаємодії шин з поверхнею дороги спостерігається при русі будь-якого автомобіля і є значною складо­вою загального шуму автомобіля. При русі зі швидкістю 100 км/год і більше шум автомобіля в першу чергу обумовлюється взаємодією шин з поверхнею дороги, а в умовах розгону від нормального ре­жиму до максимального прискорення у всьому спектрі частот домі­нує шум вихлопної системи.

Рівень шуму від дотику шин з дорожним покриттям залежить від протектора, його глибини, шорсткості поверхні доріг, її воло­гості, жорсткості шин, а також навантаження на шину від автомо­біля. Зі збільшенням швидкості руху зростають всі частотні складові шуму. Спектральні характеристики шумів залежать від типу авто­мобіля. Вантажні автомобілі, особливо великої вантажопідйомності з дизельними двигунами, істотно збільшують рівень шуму: він на всіх режимах праці на 15 ДВ вищий, ніж для легкових автомобілів.

Джерелом шуму в дизельних автомобілях є як система вприску, так і взаємодія шин з поверхнею дороги, причому шум в системі вприс­ку є домінуючим на більш низьких швидкостях, а від взаємодії шин з поверхнею дороги - на високих 15].

Людина здатна сприймати коливання звуку в повітряному се­редовищі в широкому діапазоні - 10 ¹²-! Вт/м² - з частотою 20-20000 Гц. Шуми великої інтенсивності ведуть до перевтоми, зниження пра­цездатності, а при тривалому впливі є причиною патологічних змін у внутрішніх органах, порушення нормального функціонування ос­новних систем органів людини [7].

Заходи боротьби зі шкідливим впливом на довкілля

Аналіз робіт по зниженню токсичності відпрацьованих газів автомобілів дозволяє виділити такі основні напрями:

1. Використання нових типів силового устаткування, в яких викид шкідливих речовин малий.

До цього напрямку відносять розробку газотурбінних авто­мобільних двигунів, адіабатних дизелів, двигунів Стирлінга, елек­тричних силових агрегатів, що приводяться в дію акумуляторами, паливними та іншими джерелами електроенергії і використання дви­гунів з низькою токсичністю.

2. Заміна конструкції, робочих процесів, технології виробниц­тва автомобілів з метою зниження токсичності відпрацьованих газів.

Особливо багато робіт по вдосконаленню конструкції і робо­чих процесів здійснено відносно бензинових двигунів. Більшість з них спрямовані на підвищення стійкості займання і швидкості зго­ряння збіднених паливно-повітряних сумішей, які забезпечують низьку токсичність відпрацьованих газів. Для досягнення цієї мети в бензинових двигунах використовуються вдосконалені камери зго­ряння і впускні тракти, які забезпечують турбулізацію паливно-повітряної суміші в процесі згоряння, системи запалювання із збільшеною енергією розряду, системи безпосереднього вприскуван­ня бензину, що характеризуються високою рівномірністю розподі­лу складу суміші по циліндрах, форкамерно-факельний робочий процес тощо. Для підвищення економічності керування складом паливно-повітряної суміші і кутом випередження запалювання ви­користовується мікропроцесорна техніка.

3. Застосування пристроїв очищення або нейтралізації відпрацьованих газів. Для автомобілів з бензиновими двигунами дуже ефективні каталітичні нейтралізатори потрійної дії, які окислюють вуглець та вуглеводні і відновлюють оксиди азоту. Використання етильованих бензинів при наявності нейтралізатора призводить до отруєння в них каталізаторів і виходу з ладу. Для автомобілів з дизелями застосовують фільтри, які очищають відпрацьовані гази від сажі.

4. Використання альтернативного палива або зміна характеристик застосовуваного палива.

До перспективного палива, яке забезпечує зниження токсичності відпрацьованих газів, належать водень, спирти (етанол, метанол), стиснений природний газ (СПГ), зріджений нафтовий газ (ЗНГ), неетильовані високооктанові бензини.

З перелічених назв палива нині широко застосовуются СПГ та ЗНГ.

5. Законодавче обмеження викиду шкідливих речовин автомобілів - нових та тих, що експлуатуються, а також проведення податкової політики, яка стимулює зниження викиду шкідливих речовин.

6. Розробка нормативів, процедур контролю, а також технологій, що забезпечують підтримання технічного стану автомобілів на рівні, який гарантує викид шкідливих речовин, не вищий за нормативний.

7. Вдосконалення процесів керування автомобілем, транспортними потоками, поліпшення дорожніх умов, а також вдосконалення і організація перевезення вантажів.

Зниження міського шуму може бути досягнуто в першу чергу за рахунок зменшення шумності транспортних засобів, збільшення відстані між джерелом шуму і захищуваним об'єктом та спеціальних шумозахисних смуг озеленення, використання різних прийомів планування, раціонального розміщення мікрорайонів.

Створенням між проїжджою частиною магістралі і житловою будівлею смуги зелених насаджень можна добитися істотного зниження шуму.

Ефективним засобом зниження транспортного шуму є прокладання доріг у виїмці. Якщо отриманий при побудові виїмки грунт використовувати для відсипки по брівках її укосів шумозахисних валів, то зниження рівня шуму може досягти 15 dB.

В Японії запропоновано неслизькі дорожні покриття, які мають звукопоглинаючу властивість. Для цього в асфальтобетон вводять епоксидну смолу (0,7-1,5% за масою), гуму і отверджувач; пористість матеріалу становить 16-35%, водопроникність 0,1 -20 см/с, ступінь зву­копоглинання 71-100% [3].

Шляхи зменшення шкідливості викидів автомобільного транспорту

Зменшення шкідливого впливу випускних газів на навколишнє середовище може бути досягнено різними методами. Перш за все - вдосконалення саме двигуна. При використанні високосірчистих про­дуктів доцільна їх переробка заздалегідь з метою зменшення вмісту в них сірчистих сполук. Так, каталітичне гідроочищення дозволяє не тільки знизити вміст шкідливих компонентів у паливах, але й отри­мувати елементарну сірку, більш чисту й дешеву, ніж природна.

Для підвищення повноти згоряння палив, зменшення нагареутворення, шкідливого впливу сірки та інших домішок застосову­ють присадки - речовини, введення яких в палива в невеликих кількостях (до 1%) дозволяє покращити умови згоряння палив.

Використовують наступні присадки: органічні, солі жирних кислот, що розчиняються у паливі, або мінеральні, водорозчинні, які при введенні у паливо утворюють з ними емульсії. Розроблені поліфункціональні комплексні присадки, що покращують ряд вла­стивостей палив.

Зниження токсичності відпрацьованих газів може бути досяг­нуто їх нейтралізацією різними методами.

Дія каталітичних нейтралізаторів грунтується на безполум'яному окисленні продуктів неповного згоряння - СО та С_xН_y в СО₂ та Н₂O, а також на розкладанні сполук NO₂ на початкові речовини N₂ та О₂. Як каталізатори використовують оксидні каталізатори - суміш марганцю та оксиду міді, хрому, заліза (при t < 150°С) або ке­раміку, покриту платиною або паладієм, V₂О₅ (при t > 300°С).

При

NО утворюється вже у меншій кількості.

У світі триває пошук нових недефіцитних каталізаторів.

В плазменних нейтралізаторах СО, альдегіди С Н , суспензії палив окислюються до СО₂ та Н₂О при згорянні в полум'ї, отримано­му при спалюванні додаткового палива або при включенні елект­ричного пагрівача. Однак при цьому у відпрацьованих газах зали­шаються оксиди азоту.

Принцип дії рідинних нейтралізаторів полягає в пропусканні відпрацьованих газів через прошарок рідини, частіше всього - воду. При цьому знешкоджуються лише розчинені шкідливі речовини: аль­дегіди, оксиди сірки, вищі оксиди азоту; затримуються сажа, рідкі аерозолі (масло, паливо), недоліком є наявність в газах NО₂, СО, С_хН_у. Більш повне поглинання домішок може бути досягнене використан­ням розчинів NH₃, NаОН, етаноламінів або твердих сорбентів.

Карбюратор - головний елемент паливної системи двигуна, при­значений для розпилення, часткового випарювання та утворення суміші з палива і повітря; встановлення складу паливоповітряної суміші згідно до режиму робори двигуна; відповідно до навантажен­ня зміни кількості паливоповітряної суміші, яка надходить в цилінд­ри двигуна.

Неповне випаровування палива в карбюраторі викликає утво­рення паливної плівки на стінках впускного трубопровода. Це при­зводить до нерівномірного розподілу палива по циліндрах двигуна, зменшує його економічність та потужність, збільшує токсичність газів, що випускаються.

Для запобігання потраплянню паливної плівки в циліндри зас­тосовується підігрів паливоповітряної суміші в трубопроводі, що впус­кає суміш, випускними газами або підігрітою в системі охолодження двигуна водою. Також вживають інших заходів для того, щоб уник­нути утворення паливної плівки.

Нейтралізація випускних газів. Зниження рівня викидів токсичних речовин випускними газами двигунів можна досягти впливом на робочий процес з метою зменшен­ня утворення цих речовин в процесі згоряння, обладнанням двигуна системами нейтралізації випускних газів та застосуванням палив, у продуктах згоряння яких міститься менше токсичних речовин в припу­стимих межах без шкоди для потужності та економічності двигуна при мінімальному подорожчанні силової установки з двигуном.

Способи впливу на робочий процес для зниження токсичності двигуна, що застосовуються у наш час, призводять, як правило, до зменшення його потужності та збільшення витрат палива і, крім того, в двигунах з примусовим займанням не забезпечують поки що при­пустимого рівня токсичності. Тому установки з двигунами обладну­ються системами нейтралізації, в яких передбачається зниження кон­центрації токсичних речовин впливом на робочий процес та застосу­ванням приладів для нейтралізації і очищення газів у випускному тру­бопроводі -- нейтралізаторів та очищувачів.

У термічних та каталітичних нейтралізаторах проходять хімічні реакції, в результаті чого зменшується концентрація газових компо­нентів токсичних речовин. Механічні та водяні очищувачі застосову­ються для очищення випускних газів від механічних частинок (сажі) та краплинок масла. Останні використовуються рідко.

Термічний нейтралізатор є камерою згоряння, яка розміщуєть­ся у випускному тракті двигуна для допалювання продукту неповно­го згоряння палива - СН та СО. Він може встановлюватися на місці випускного трубопроводу та виконувати його функції. Реакції окис­лення СО та СН протікають достатньо швидко при температурі вище 830°С та при наявності в зоні реакцій незв'язаного кисню. Термічні нейтралізатори застосовуються на двигунах з примусовим займан­ням, в яких необхідна для ефективного протікання термічних реакцій окислення температура забезпечується без подання додаткового па­лива. Й без того висока температура випускних газів у цих двигунах підвищується у зоні реакції в результаті догоряння частини СН та СО, концентрація якого значно вища, ніж у дизелів.

Термічний нейтралізатор (мал. 10.2.1) складається з корпуса з випускними патрубками та однієї чи двох жарових труб-вставок з жароміцної листової сталі. Добре перемішування додаткового повітря, яке необхідне для окислення СН та СО, з випускними газами дося­гається інтенсивним вихроутворенням та турбулізацією газів при перетіканні через отвори в трубах і в результаті зміни напрямку їх руху системою перегородок. Для ефективного догоряння СО та СН потрібно дещо більше часу, тому швидкість газів у нейтралізаторі задається невисокою, внаслідок чого обсяг його отримується порівняно великим. Щоб уник­нути падін­ня темпера­тури випус­кних газів в результаті тепловідда­чі у стінки, випускний трубопро­від та нейтралізатор покривають тепловою ізоля­цією, встановлюють теплові ек­рани у випускних каналах, роз­міщують нейтралізатор якомога ближче до двигуна. Незважаю­чи на це, для прогріву термічно­го нейтралізатора після пуску двигуна потрібен значний час. Для скорочення цього часу підвищують температуру ви­пускних газів, що досягається збагаченням горючої суміші та зменшенням кута випередження за­палювання, хоча й те, й інше підвищує витрати палива. До таких самих заходів вдаються для підтримання стабільного полум'я на пе­рехідних режимах роботи двигуна Зменшенню часу до початку ефек­тивного окислення СН та СО сприяє також жарова вставка.

В каталітичних окислювальних нейтралізаторах (при наявності надлишкового кисню у випускних газах) з каталізаторами з коштов­них металів - платини, платини та паладію, платини та родію - достат­ньо висока швидкість окислення СО та СН забезпечується при порівня­но невисоких температурах, значно менших, ніж в термічному нейтра­лізаторі. Окис вуглецю окислюється в СО₂ при 250-300°С, вуглеводні, бензапірен, альдегіди - при 400-450°С; при цьому у випускних газів майже зникає неприємний запах. При температурі 580°С згоряє сажа. Каталізатори на базі звичайних металів по активації процесів окис­лення при невисоких температурах в двигунах не застосовують.

Для збільшення поверхні контакту з газами каталізатор на­носиться тонким шаром на поверхню носія з кремнезему або глино­зему у вигляді кульок або на поверхню монолітного носія з чарун­ками (мал. 10.2.2). Носій з каталізатором помішується в корпус, який може бути об'єднаний з глушником шуму випуску. Випускні тру­бопроводи та корпус каталітичного нейтралізатора теплоізолюють, щоб, як і в термічних нейтралізаторах, зменшити тепловіддачу від випускних газів.

У нейтралізаторах для легкових автомобілів застосовується платина та паладій. У разі використання етильованого бензину ак­тивність каталізатора швидко падає через відкладання свинцю.

В каталітичному та термічному допалювачах для окислення СН та СО потрібний незв'язаний кисень у випускних газах, тому в систе­ми нейтралізації двигунів з примусовим займанням, які можуть пра­цювати на багатих сумішах, входить пристрій для підводу додатко­вого повітря до випускних газів. Кількість додаткового повітря скла­дає приблизно 25% витрат повітря двигуном.

При наявності кисню у випускних газах та при їх достатньо ви­сокій температурі окислення СН та СО проходить у випускному тру­бопроводі. Тому додаткове повітря доцільно підводити у випускний канал в головці циліндра. Підвід додаткового повітря та теплова ізо­ляція випускних трубопроводів дозволяють помітно зменшити вики­ди СН та СО і тоді, коли нейтралізатор не застосовується.

У разі застосування термічного або окислювального каталітич­ного нейтралізатора викиди СН та СО вдається зменшити до вста­новлених норм. Концентрація окисів азоту не змінюється або змінюється дуже мало. Для зменшення концентрації окислів азоту в системах з окислювальними нейтралізаторами застосовується рецир­куляція випускних газів. З цією метою випускні гази в кількості до 10% обсягу свіжого заряду відбираються з випускного трубопрово­ду, охолоджуються та спрямовуються у впускну систему.

Тепер двигуни з примусовим займанням на легкових автомобі­лях обладнуються частіше системами нейтралізації, які включають ка­талітичний окислювальний нейтралізатор, систему подання додатко­вого повітря та систему рециркуляції випускних газів. Ступінь нейтра­лізації СН досягне в окислювальному нейтралізаторі з платино-паладієвим каталізатором 85%, СО - 93%. Ступінь нейтралізації оцінюється відношенням різниці концентрацій токсичних компонентів на вході в нейтралізатор та на виході з нього до їх концентрації на вході.

Каталітичні нейтралізатори з відновлювальним середовищем використовуються іноді у системах для зменшення викидів окисів азо­ту. Відновлення NO з утворенням N₂, стає можливим при наявносгі достатньо високого вмісту СО у випускних газах:

При α < 1 (коефіцієнт надлишку повітря для згоряння) у ви­пускних газах міститься водень, тому можлива реакція з утворен­ням аміаку:

Каталітичний нейтралізатор з відновлювальним середовищем доцільно застосовувати в комбінації з окислювальним каталітичним нейтралізатором для окислення СН та СО. Додаткове повітря підво­диться у такому випадку в окислювальний нейтралізатор, який вста­новлюється після відновлювального.

В каталітичному нейтралізаторі з каталізатором з коштовних металів можна зменшити до встановлених норм викиди всіх трьох токсичних газових складових - СН, СО та NO₂, але лише за умови, що склад горючої суміші відрізняється від стехіометричного (при α = 1) не більше, ніж на 1%. Такі нейтралізатори звуться трикомпонент­ними. Найкращі результати отримані з платино-родієвими каталі­заторами. Сучасні карбюратори та системи вприску бензину з палив­ними насосами (інжекторні системи) не забезпечують такого вузько­го діапазону складу суміші на всіх робочих режимах, тому потрібна спеціальна система регулювання подачі палива. Сьогодні вона зна­ходиться на стадії розробки.

Можливі також комбінації термічного нейтралізатора з каталі­тичним у двох варіантах.

Першим встановлюється каталітичний для нейтралізації NO₂, а другим термічний для допалювання СН та СО (мал. 10.2.4).

Першим встановлюється термічний, а другим окислювальний каталітичний нейтралізатор для допалювання СН та СО. Додаткове повітря для окислення СН та СО підводиться у другий нейтралізатор.

УЗАГАЛЬНЕННЯ

Автомобільний транспорт відіграє важливу роль в житті людини і в розвитку економічної стабільності держави. Без виключення усі види транспорту вносять свій внесок в забруднення довкілля викидами вихлопних газів. Викиди цих газів пов’язані з використанням таких видів палива, при спалюванні яких утворюються шкідливі речовини, які потім викидаються в атмосферу.

Заходи по зниженню викидів шкідливих речовин використовуються не в повному обсязі. При використанні цих заходів можна досягти значного зниження викидів від транспорту.

Література для самоосвіти: 2, 7, 9