экологическая безопасность транспортных средства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
656.13(07)
М801
В.С. Морозова, В.Л. Поляцко
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВА
Учебное пособие
Челябинск
2011
Министерство образования и науки Российской Федерации
Южно-Уральский государственный университет
Кафедра эксплуатации автомобильного транспорта
656.13(07)
М801
В.С. Морозова, В.Л. Поляцко
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Учебное пособие
Челябинск
Издательский центр ЮУрГУ
2011
УДК [656.13.502.3](075.8)
М801
Одобрено
учебно-методической комиссией автотракторного факультета
Рецензенты:
В.Д. Шепелев, Ю.И. Аверьянов
Морозова, В.С.
М801 Экологическая безопасность транспортных средств: учебное пособие / В.С. Морозова, В.Л. Поляцко. – Челябинск: Издательский центр
ЮУрГУ, 2011. – 54 с.
Приведены сведения, связанные с экологической безопасностью
транспорта. Дан основной состав токсичных компонентов отработавших
газов автомобилей и их влияние на здоровье человека. Приведены также
нормативы качества окружающей среды и нормативы выбросов вредных
веществ, а также требования Европейской Электротехнической Комиссии ООН по нормам предельных выбросов и дымности для автомобилей
с бензиновыми и дизельными двигателями. В данном пособии приводятся также способы снижения выбросов токсичных компонентов, связанные с регулировочными и конструктивными особенностями двигателей и
автомобилей, используемых альтернативных видов топлив, организацией
рационального перевозочного процесса и технического состояния автомобилей. Освещены вопросы экологического права и ответственности за
экологические правонарушения.
УДК [656.13.502.3](075.8)
© Издательский центр ЮУрГУ, 2011
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДНИЕ…………………………………………………………………
1. ТРЕБОВАНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ НОРМ И ПРАВИЛ АВТОМОБИЛЬНЫХ ПЕРЕВОЗОК
1.1. Состояние автомобильного транспорта в России и его негативное воздействие на окружающую среду……………………................
1.2. Состав и воздействие отработавших газов автомобилей на
здоровье человека…………………………………………………………….
1.3. Причины образования токсичных компонентов отработавших газов………………………………………………………………………
2. НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ
СРЕДЫ И НОРМАТИВЫ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ
2.1. Нормирование качества окружающей среды……………………….
2.2. Разработка первых стандартов по токсичности…………………….
2.3. Испытания по нормированию токсичности отработавших
газов……………………………………………………………………………
2.4. Экологические требования Европейской Электрохимической Комиссии ООН………………………………………………….
3. СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ТОКСИЧНЫХ
КОМПОНЕНТОВ ОГ
3.1. Уменьшение токсичности ОГ путем изменения регулировок и конструкции ДВС……………………………………………………
3.2. Интенсификация рабочего процесса ДВС ………………………….
3.3. Перспективные ДВС………………………………………………….
3.4. Нейтрализаторы отработавших газов в выпускной системе………
3.5. Альтернативные виды топлива………………………………………
3.6. Организация рационального перевозочного процесса
и движения автомобиля………………………………………………………
3.7. Техническое состояние автомобиля и качество технического обслуживания …………………………………………………………...
4. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ПРАВО И ОТВЕТСТВЕННОСТЬ
ЗА ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРАВОНАРУШЕНИЯ……………………………
4.1. Две формы взаимодействия общества и природы………………….
4.2. Загрязнение окружающей среды…………………………………….
4.3. Разрушение природной среды и экологический кризис……………
4.4. Принципы и законы охраны окружающей среды…………………..
4.5. Объекты международной правовой охраны окружающей среды…
4.6. Экологический мониторинг………………………………………….
4.7. Виды загрязнителей воды, леса, почвы, атмосферного
воздуха…………………………………………………………………………
4.8. Ответственность за экологические
правонарушения……………………………………………………….............
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………………
4
5
6
6
1
10
12
15
1
15
1
18
1
2
22
24
26
30
32
4
37
5
39
4
40
40
41
41
43
44
45
4
46
48
51
53
ВВЕДЕНИЕ
Развитие транспорта, содействуя прогрессу цивилизации, одновременно
создает и усугубляет многие проблемы человечества, которые в настоящее
время способствуют движению мировой цивилизации к глобальной экологической катастрофе. Транспорт в целом порождает комплекс региональных
экологических проблем.
Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха происходит от энергетических установок, работающих на углеводородном топливе. Количество загрязнения определяется составом, объемом сжигаемого топлива и организацией процесса сгорания.
Основными источниками загрязнения атмосферы являются транспортные
средства с двигателями внутреннего сгорания.
Основные виды воздействия транспорта на окружающую среду и природные ресурсы – загрязнение токсичными веществами отработавших газов двигателей, выбросы вредных веществ в атмосферу от стационарных комплексов
транспортной инфраструктуры, загрязнение поверхностных водных объектов
сточными водами, засорение придорожной почвы оседающими токсичными
компонентами, воздействие транспортных шумов, образование отходов.
Автомобильный транспорт, являющийся одним из основных факторов
экономики России, сохраняет доминирующую роль в загрязнении окружающей среды.
Негативное влияние автотранспорта в первую очередь проявляется в
крупных городах и мегаполисах, на территориях, характеризующихся интенсивным движением транспорта.
Воздействие автотранспорта на окружающую среду во многом определяется техническим состоянием парка транспортных средств и качеством используемого топлива.
Производимые модели отечественных автомобилей на несколько лет отстают по всем основным показателям (экономичности, экологичности, надежности, безопасности) от автомобилей, выпускаемых в промышленно развитых странах, и прежде всего не удовлетворяют современным экологическим требованиям. В условиях быстрого роста автомобильного парка это
приводит к ещё большему возрастанию негативного воздействия на окружающую среду.
Анализ тенденций развития автомобильного парка России и его воздействия на окружающую природную среду показывает, что политика, ориентированная на экологическую безопасность транспортных средств, должна базироваться на жестких экологических нормативах, соответствующих действующим международным требованиям, и на эффективной системе контроля
над их соблюдением.
4
1. ТРЕБОВАНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ НОРМ И ПРАВИЛ АВТОМОБИЛЬНЫХ ПЕРЕВОЗОК
1.1. Состояние автомобильного транспорта в России и его негативное
воздействие на окружающую природную среду
В России автомобильный транспорт является основным перевозчиком
пассажиров и грузов.
В настоящее время численность автомобильного парка России составляет
более 35 млн. автотранспортных средств. Динамика роста российского автомобильного парка самая высокая в мире и составляет 8–9% в год.
Средний возраст автомобильного парка в целом по стране составляет 10,5
лет, а в отдельных регионах достигает 13,6 лет.
Сравнение автомобилизации стран производится по количеству автомобилей, приходящихся на 1000 человек: США–780; Европа–550; Япония–350;
Россия–180.
Доля автотранспорта в шумовом воздействии на население городов составляет 85–95%.
Величина ежегодного экологического ущерба от функционирования автотранспортного комплекса России достигает 2–3% валового национального
продукта России: 60% этого ущерба приходится на долю легкового пассажирского транспорта, 26,5% – на перевозки грузов и 13,5% – на автобусные
перевозки.
Сброс загрязненных сточных вод от автотранспортных предприятий в целом по стране составляет за год около 7,5 млн. кубических метров, при этом в
водные объекты поступает около 80 тыс. тонн взвешенных веществ и 3 тыс.
тонн нефтепродуктов.
Отходы автотранспортного комплекса представляют особую экологическую проблему, так как возникает серьезная проблема захламления городских и пригородных территорий, почв и водных объектов. Ежегодно масса
отработавших масел и специальных жидкостей составляет около 300 тыс.
тонн. Общая масса твердых отходов достигает 3 млн. т в год, в том числе
лом и отходы черных металлов – 1400 тыс. т, отходы резины – 1160 тыс. т, свинцовые аккумуляторы –
около 200 тыс. т, отходы пластмасс – 60тыс. т, а ежегодной утилизации подлежат 1,2 млн. единиц брошенных и разукомплектованных автотранспортных
средств.
Качество используемых традиционных нефтяных топлив оказывает существенное влияние на уровень негативного воздействия автомобильного
транспорта на окружающую среду и здоровье населения.
При достаточной в целом обеспеченности России необходимыми объемами бензинов и дизельных топлив их качество значительно отстает от современных европейских требований по содержанию в бензинах бензола (5%
против 1% в Европе), серы в бензинах (0,05–0,1% против 0,016% в Европе),
5
серы в дизельном топливе (0,2–0,5% против 0,035–0,05% в Европе), ароматических углеводородов в бензинах (до 55% против 42% в Европе).
Наиболее остро негативные последствия автотранспортной деятельности
проявляются в крупных городах, а также на территориях, характеризующихся
интенсивным движением транспорта, что приводит к повышенному риску
необратимой потере здоровья людей. В результате загрязнения атмосферного
воздуха автотранспортом вредному воздействию подвержено 10–15 млн. горожан.
На ликвидацию потерь от загрязнения окружающей среды ежегодно в
развитых странах тратится: в Великобритании – 100 млн. фунтов стерлингов;
во Франции – 240 млн. франков; в США – 1,5 млрд. долларов; в Японии – 700
млрд. йен.
В Российской Федерации в последнее время уделяется очень большое
внимание экологическим последствиям деятельности промышленных предприятий и предприятий автотранспорта.
1.2. Состав и воздействие отработавших газов автомобилей
на здоровье человека
Отработавшие газы (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) содержат сложную смесь, насчитывающую 300 соединений. В основном это газообразные вещества и немного твердых частиц, находящихся во взвешенном
состоянии.
Газовая смесь – это инертные газы, продукты сгорания и несгоревшего
окислителя.
Твердые вещества – продукты дегидрирования топлива, металлы и другие
вещества, которые не могут сгореть.
По химическим свойствам компоненты ОГ разделяются на две группы:
нетоксичные (N2, O2, CO2, H2O, H2) и токсичные (CO, CхHу, NOx, SO2, H2S,
альдегиды, соединения свинца и т.д.).
По характеру воздействия на организм человека ОГ подразделяются на
шесть групп:
первая группа – объединяет все нетоксичные вещества;
вторая группа – оксид углерода, которого в отработавших газах бензиновых двигателей содержится до 12% при работе на богатых топливовоздушных смесях;
третья группа – оксиды азота: окись NO и двуокись NO2. Содержание NO
в бензиновом ДВС 98–99%, в дизельном–90%. Содержание NO2 в бензиновом
ДВС 1–2%, в дизельном ДВС – 10%;
четвертая группа – включает углеводороды и является самой многочисленной: алканы, алкены, алкадиены, циклические, в том числе самые канцерогенные, ПАУ – полициклические ароматические углеводороды;
пятая группа – альдегиды, из которых формальдегидов – 60%, алифатичес6
ких – 32%, ароматических – 3%;
шестая группа – твердые частицы, основная часть которых – сажа, то есть
твердые углеродные частицы.
Отдельно рассматриваются органические компоненты, которых в ОГ находится около 1%.
В зависимости от качества топлива, например, вследствие неполной очистки от серы, в ОГ могут находиться такие токсичные компоненты, как двуокись серы SO2 и соединения свинца (при использовании в качестве антидетонатора тетраэтилсвинца).
В структуре ущерба окружающей среде и здоровью населения от выбросов автотранспорта в городах 9 веществ определяют 95% суммарного ущерба: оксиды азота (44,5%), акролеин (7,5%), сажа (7,4%), свинец (21%), оксид
углерода (6%), диоксид серы (3,4%), формальдегид (2,8%), бенз(а)пирен
(1,3%), ацетальдегид (1,1%).
Наряду с ОГ атмосферный воздух загрязняют картерные газы и испарения
топлива.
Картерные газы бензиновых двигателей содержат: СО – 2–8%; СхHу –150–
300%, NOx – не более 2-x % в процентном отношении к отработавшим газам.
Картерные газы дизелей в процентном отношении к ОГ содержат: СО –
0,3–0,5%; СхHу – 0,1–3%; NOx – 0,2%.
Содержание вредных веществ, выделяемых автотранспортом, увеличивается с возрастанием интенсивности движения, при трогании с места или остановке, при работе на холостом ходу, при плохо отрегулированных процессах сгорания.
Попадая в атмосферу, компоненты вредных веществ, с одной стороны,
смешиваются с имеющимися в воздухе загрязнителями, с другой, – претерпевают ряд сложных превращений, образуя новые соединения.
Одновременно происходит выделение загрязнителей из воздуха путём
мокрого или сухого высаживания на землю, включая попадание в организм
человека.
Действие токсичных компонентов на организм человека разнообразно: от
неприятных ощущений до раковых заболеваний. В промышленных районах
больших городов количество заболеваний резко увеличивается, особенно в
низких районах, где ухудшаются условия воздухообмена.
Окись углерода – СО (угарный газ). Прозрачный, не имеющий цвета и запаха газ – преобладающий компонент в отработавших газах автомобиля.
Атмосферный воздух в районах с большим движением автотранспорта
содержит до 10–15 частей СО на 1 млн. частей воздуха.
Токсическое воздействие на организм человека и теплокровных животных
заключается в том, что он взаимодействует с гемоглобином крови и лишает
его возможности выполнять основную функцию переноса кислорода
Нв+О2 = НвО2 (оксигемоглобин)
Нв+ СО = НвСО (карбоксигемоглобин)
7
Но соединение Нв с СО происходит в 300 раз быстрее, чем с О2, поэтому
происходит вытеснение кислорода из оксигемоглобина НвО2.
Обратный процесс диссоциации карбоксигемоглобина НвСО протекает в
3600 раз медленнее.
Эти процессы приводят к кислородному голоданию организма – отравлению угарным газом.
Первые признаки отравления (головная боль в области лба, усталость,
раздражительность, обморок) появляются при 20–30% превращений Нв в
НвСО. При 40–50% превращения Нв в НвСО наступает глубокий обморок.
При 80% – наступает смерть.
«Розовая смерть», так называют смерть при отравлении угарным газом,
стала настоящим бичом в российских гаражах, где ежегодно гибнет около
1000 человек. Как характеризуют судмедэксперты, опасность угарного газа в
том, что он не имеет ни цвета, ни запаха. Отравление происходит незаметно,
и, когда человек понимает, что отравился, у него уже нет сил встать и выйти
на свежий воздух. «Розовой смертью» это называют, потому что образующийся в крови карбоксигемоглобин имеет ярко красный цвет.
Погибнуть от угарного газа можно и в автомобиле, стоящем на обочине с
открытыми окнами и работающим двигателем, если ветер имеет при этом неблагоприятные завихрения.
Таким образом, длительное вдыхание СО в концентрации более 0,1% и
более опасно, а 1% – смертельно при воздействии в течение нескольких минут. Алкоголь усугубляет отравление угарным газом.
Окись углерода является также фактором риска в развитии атеросклероза
и болезней сердца.
Курение является аналогом длительного воздействия СО на людей. Сердечные заболевания при воздействии СО на курящих людей в 9 раз больше,
чем на некурящих. В РФ максимально допустимая предельная разовая доза
СО в атмосферном воздухе принята 3 мг/м3.
Окись азота – NOx. Из всех известных соединений азота определяется содержание окиси азота NO и двуокиси азота NO2. Взаимопревращение NO в
NO2 и наоборот в атмосферном воздухе происходит довольно легко, особенно
при солнечном свете.
Окись азота в повышенной концентрации оказывает влияние на центральную нервную систему. Двуокись азота раздражающе действует на лёгкие, вызывая эмфиземы лёгких.
Доза предельно допустимой концентрации (ПДК) NO – 10 мг/м3 воздуха.
Доза ПДК NO2 – 0,085 мг/м3 воздуха. Окислы азота являются исходными
продуктами образования грязных токсичных туманов – смогов.
Сернистый ангидрид – SO2 или двуокись серы – бесцветный с острым запахом газ. Раздражающе действует на верхние дыхательные пути, образуя
кислоты при взаимодействии с влагой. Он нарушает белковый обмен, при
концентрации 0,0017% раздражаются слизистые оболочки глаз, горла, носо-
8
глотки; при концентрации 0,04% через три минуты воздействия наступает
общее отравление.
Сернистые соединения с ОГ выделяют дизели и бензиновые ДВС, количество которых увеличивается.
Содержание SO2 в ОГ автомобилей превосходит допустимое и находится
в пределах 50–98 мг/м3.
Допустимая разовая ПДК SO2 – 0,5 мг/м3, среднесуточная – 0,05 мг/м3.
Свинец – Pb. С этиловой жидкостью добавляется к бензинам, как антидетонационная присадка. Попадает в организм в виде аэрозоли в соединениях с
другими элементами при дыхании, через кожу и с пищей. Соединения свинца
накапливаются в организме до опасных концентраций и вызывают нарушения в обмене веществ, пищеварении, нервно-мышечных систем, мозга, кроветворных органов. Порядка 30% поглощенного свинца всасывается пищеварительным трактом.
Симптомы свинцовой интоксикации: головная боль, головокружение, повышенная раздражительность, быстрая утомляемость, нарушение сна, снижение содержания в крови гемоглобина, увеличение числа зернистых эритроцитов. От 20 до 60% свинца может располагаться в дыхательном тракте,
откуда часть его выводится потоком жидкости, а часть попадает в кровь.
Биологический полураспад свинца в крови равен 25 дням. Наименьшая допустимая доза свинца в сутки составляет 0,00042 мг/м3.
Углеводороды, или органические соединения – СхHу поступают в окружающую среду в различном состоянии: от простейших молекул до сложных
многоядерных соединений полициклического строения. В настоящее время
различают более 200 индивидуальных соединений СН и СНО.
По характеру воздействия их на человека различают две группы: раздражающую и канцерогенную.
Соединения первой группы оказывают наркотическое воздействие на центральную нервную систему и раздражают слизистые оболочки.
Соединения второй группы – канцерогенные, представляют наибольшую
опасность для человека, бенз(а)пирен (БП) – наиболее канцерогенный представитель полициклических углеводородов (ПАУ).
Попадая в организм человека, они накапливаются до критических концентраций и стимулируют образования злокачественных опухолей. Всасываются
через дыхательные пути и желудочно-кишечный тракт. Пороговый уровень
0,2 мг/м3.
Сажа или углерод – С. Находится в воздухе во взвешенном состоянии в
виде твёрдых частиц. При вдыхании её частицы задерживаются в лёгких, дыхательных путях, вызывая аллергию. Самое главное – твёрдые частицы сажи
являются накопителем канцерогенных ПАУ.
Смог – при неблагоприятных погодных условиях образуется грязный туман или смог, имеющий в различных районах разный состав.
В Японии смог наблюдается в виде грязного тумана из частиц сажи и пыли. В Лондоне смог состоит из сажи, окислов серы, сероводорода, паров сер9
ной и сернистой кислот. В Калифорнии смог формируется из NOx и СН при
сравнительно невысокой их концентрации.
Такой смог наблюдается в некоторых районах нашей страны. Называется
он фотохимическим туманом, так как для его образования необходим солнечный свет, вызывающий сложные фотохимические превращения в смеси
углеводородов и окислов азота.
Сложные соединения, образующиеся в результате реакции по токсичности, могут превышать исходные. Смог представляет собой туман влажностью
около 70%. Основной причиной фотохимического тумана являются отработавшие газы автомобилей.
При смоге в воздухе появляется неприятный запах, резко ухудшается видимость, у людей воспаляются глаза, отмечаются симптомы удушья, обостряются лёгочные хронические заболевания, бронхиальная астма. Повреждает
он и растения, а также вызывает коррозийные разрушения красок, резиновых
и синтетических изделий.
К веществам, участвующим в фотохимических реакциях, относятся альдегиды, раздражающие глаза и вызывающие боль в горле уже при небольшой
концентрации 4 – 7 см3/м3. При большой концентрации около 14 см3/м3 – через 10 минут может наступить смерть.
1.3. Причины образования токсичных компонентов отработавших
газов
Окись углерода СО
СО – является промежуточным компонентом, а углекислый газ CO2 является конечным продуктом сгорания углеводородов в ДВС.
Конечной стадией сгорания углеводородов является реакция дожигания
СО, в действительности начинающаяся уже в начальной стадии горения топлива.
Окись углерода образуется даже при сгорании бедных смесей и избытке
кислорода (окислителя). Из-за его неравномерного распределения по камере
сгорания образуется различная по составу топливно-воздушная смесь, соответственно различная реакция и различные продукты окисления.
Процесс дожигания СО в углеводородном пламени определяет также время протекания реакции.
Присутствие воды и водяного пара ускоряет процессы окисления СО в
CO2.
Сажа
Первый путь образования сажи – при восстановительных процессах – реакциях распада окиси углерода при температурах 400–900 °С, при восстановлении железа из окислов даже при температурах ниже 400 °С происходит
распад окиси углерода. В этом случае частички железа выступают в роли катализаторов.
10
Второй путь образования сажи – при сгорании смеси с избытком топлива
происходят процессы полимеризации углеводородов, которые под действием
температуры разлагаются на углерод (в виде графита) и водород.
Третий путь образования сажи – неравномерное распределение топлива
по камере сгорания, когда образуется смесь с недостатком кислорода, что
приводит к крекингу топлива и появлению свободного углерода.
Особенно увеличивает образование и выброс сажи в бензиновых ДВС детонационное сгорание.
Углеводороды – СхHу
В бензиновых ДВС увеличение углеводородов в отработавших газах наблюдается на частичных режимах и ухудшении эффективности процесса сгорания.
Причиной этого является угасание пламени в пристеночной зоне при соприкосновении фронта пламени со стенками камеры сгорания, имеющими
меньшую температуру.
На количество углеводородов оказывают влияние следующие факторы:
отношение площади стенок камеры сгорания к её объёму, процентное содержание отработавших газов в рабочей смеси, параметры процесса сгорания,
турбулентность заряда смеси.
Окислы азота NOx
Окислы азота образуются в камере сгорания в зонах с высокой температурой, но при отсутствии в них реакций сгорания. При температурах в камере
сгорания карбюраторных ДВС и дизелей 1800–2500 К образуется окись азота
NO, которая двигаясь дальше по тракту выпуска двигателя окисляется до
NO2.
Образование NOx зависит только от максимальной температуры рабочего
цикла и не зависит от природы топлива.
Таким образом, если образование продуктов неполного сгорания топлива
СО, С, СхHу, определяется несовершенством процесса сгорания, то образование окислов азота NOx – его совершенством. Чем выше максимальная температура рабочего цикла, тем выше его КПД (к чему стремятся при производстве двигателей), тем больше образуется окислов азота.
В этом заключается сложность комплексного решения проблемы снижения токсичности отработавших газов ДВС.
Состав смеси
Состав смеси оказывает самое большое влияние на содержание токсичных
компонентов. В качестве оценочного показателя состава рабочей смеси используется коэффициент избытка воздуха α
α=Lф /Lо,
где Lф – фактическое количество воздуха, затраченное на сжигание 1 кг топлива; Lо – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг
топлива.
11
При α=1 смесь носит название стехиометрической (равновесной) и соответствует массовому количеству воздуха 14,9 кг.
При обогащении смеси (α<1) увеличивается выброс токсичных продуктов
неполного сгорания. При обеднении (α>1) смеси СО снижается, а количество
углеводородов увеличивается, что объясняется пропуском зажигания и неустойчивой работой двигателя.
В области наиболее эффективного сгорания α=1,0–1,1 с минимальной
концентрацией СО и СхHу образуется максимальное количество окислов азота.
В зоне мощностного обогащения α=0,9–0,95 концентрация NOх несколько
ниже, хотя температура сгорания максимальная, несколько увеличивается содержание СО и СхHу. Этот режим можно использовать при движении автомобиля.
На режимах холостого хода и принудительного холостого хода двигатель
работает на обедненной смеси α=1,3–1,4. При этом мало NOх и CO, но увеличивается количество СхHу.
Пуск холодного двигателя осуществляется при обогащённой смеси α=0,7–
0,8, увеличивается выброс CO и СхHу и снижается NOx.
В дизелях воспламенение топлива определяется температурой самовоспламенения и происходит при увеличенных α=1,2–1,4.
Температуры рабочего цикла в дизелях значительно выше, чем в бензиновых ДВС, поэтому выбросы NOx увеличиваются. Эта же высокая температура
способствует пиролизу углеводородов топлива, поэтому увеличивается выделение атомарного углерода в виде сажи.
Эффективность процесса сгорания у дизелей, в том числе экологическая,
определяется процессами подачи топлива, его распыливанием, организацией
движения воздуха в камере сгорания.
Так как в дизелях всегда процесс сгорания топлива осуществляется при
избытке воздуха, т.е. окислителя – кислорода, то в отработавших газах содержится значительно меньшее количество продуктов неполного сгорания –
СО, СхHу.
2. НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
И НОРМАТИВЫ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ
2.1. Нормирование качества окружающей среды
Качеством окружающей природной среды считается такое состояние ее
экологических систем, которое постоянно и неизменно обеспечивает процесс
обмена веществ и энергии в природе между природой и человеком и воспроизводит жизнь.
Существует три группы нормативов качества:
санитарно-гигиенические нормативы;
производственно-хозяйственные нормативы;
12
комплексные нормативы, сочетающие в себе признаки первой и второй
групп.
Санитарно-гигиенические нормативы качества
Определяют прежде всего предельно допустимые концентрации (ПДК)
вредных веществ, предельно допустимый уровень (ПДУ) радиационного воздействия, ПДУ воздействия шума, вибрации, магнитных полей и иных вредных физических воздействий.
Первые нормы ПДК вредных веществ, например, для питьевой воды появились в 1939 г. К 1991 г. число таких норм ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения достигло уже 1925
штук.
ПДК вредных веществ по атмосферному воздуху впервые появились в
1951 г. для 10 вредных веществ. К 1991 г. их было уже более 300.
ПДК вредных веществ в почве стали вводиться с 1980 г., в настоящее
время они установлены для 109 вредных веществ.
Предельно-допустимый уровень радиационного воздействия устанавливается в величинах, которые не представляют опасности для здоровья человека,
его генетического фонда.
Единицей измерения ПДУ служит бэр. Минздравом в России рекомендован предельный нормативный критерий для населения в год 0,5 бэр, а за
70 лет – 35 бэр.
Радиационный фон, например, от цветного телевизора 30–40 микрорентген в час, а в салоне самолета – 400 микрорентген в час.
Приборы для индивидуального дозиметрического самоконтроля «Белла»,
«Поиск», «Сосна», «Припять».
Санитарные Правила и Нормы (СанПиНы) определяют эпидемиологические требования к качеству окружающей среды, разрабатываются и утверждаются министерством здравоохранения.
Санитарные правила «Гигиенические требования по обеспечению качества атмосферного воздуха населенных мест. СанПиН 2.1.6.1032–01», утверждены 17 мая 2001 г.
«Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий
сооружений и иных объектов. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1031–01»,утверждены 17
мая 2001 г., (п.4.4. – сооружения транспортной инфраструктуры).
Установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ и ядов, ориентировочно безопасный уровень воздействия (ОБУВ) веществ, для которых не определены ПДК.
Под ПДК понимается максимальное количество вредного вещества в единице объема или массы, которое при ежедневном воздействии не вызывает в
организме каких-либо патологических, а также неблагоприятных наследственных изменений у потомства.
ПДК разрабатываются для защиты организма человека.
13
Для воздуха установлено ПДК 348 вредных веществ и ориентировочный
базовый уровень выбросов (ОБУВ) для 537 веществ, для воды – ПДК более
1000 химических веществ, для почвы приблизительно 100 веществ.
Нормативом качества воздуха является предельно допустимая концентрация индивидуальных веществ.
Для воздуха используется два показателя:
ПДКмр – предельно допустимая концентрация максимальная розовая.
ПДКсс – предельно допустимая концентрация среднесуточная.
ПДКмр – концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, не
вызывающая при вдыхании в течении 20 минут рефлекторных реакций в организме человека. В результате рассеяния примесей в воздухе при неблагоприятных метеорологических условиях на границе санитарно-защитной зоны
магистрали концентрация вредного вещества в любой момент времени не
должна превышать ПДКмр.
ПДКсс – это концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест,
которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия при неограниченно долгом (годы) вдыхании. ПДКсс является самым жестким санитарно-гигиеническим нормативом, устанавливающим концентрацию вредного вещества в воздушной среде.
При гигиеническом нормировании определяют такие показатели: токсикологический и общесанитарный.
Токсический показатель – максимально действующая доза суммарного
поступления токсиканта в организм человека, как при непосредственном
контакте, так и различными путями миграции.
Общесанитарный показатель – максимальное количество токсиканта в
почве, которое на 7-е сутки не вызывает отрицательных изменений численности микроорганизмов более, чем на 50% или отрицательного изменения одного биохимического показателя биологической активности почвы более, чем
на 25%.
Производственно-хозяйственные нормативы качества
Регулируют нормы предельно-допустимых выбросов (ПДВ) и сбросов
(ПДС) или, если невозможно предприятиями достигать этих норм, регулируют ВСВ
(Временно согласованные выбросы) вредных веществ.
В нормативы ПДВ сейчас укладывается только 15–20% загрязняющих
производств, 40–50% всех загрязняющих предприятий работает по нормам
ВСВ.
В большинстве городов около 50–70% загрязнения приходится на передвижные источники загрязнения – автомобильный транспорт.
Регулирование выбросов вредных веществ автотранспортом практически
началось с 1970 г., однако в настоящее время уровень мировых стандартов не
достигнут.
14
Комплексные нормативы качества
Из комплексных нормативов качества устанавливаются предельно допустимые нормы нагрузки (ПДН) на природную среду и нормативы санитарных
и защитных норм.
2.2. Разработка первых стандартов по токсичности
Первые в мире стандарты по предельным нормам СО и СН в ОГ были
приняты в 1959 г. в США в Калифорнии. В 1965 г. в США был принят уже
закон о контроле над загрязнением воздуха автотранспортом, а в 1966 г. утвержден государственный стандарт США.
Государственный стандарт был техническим заданием для автомобильной
промышленности, стимулируя разработку и внедрение многих мероприятий,
направленных на совершенствование автомобилестроения, что позволило
США регулярно ужесточать стандарты, снижающие количественное содержание токсических компонентов в ОГ.
Работа по ужесточению норм выбросов ВВ в США продолжается, а в Калифорнии действуют еще более жесткие нормы, чем в остальных штатах.
В Японии разработка первого стандарта на токсичность ОГ автомобилей
была в 1966 г. сначала на ограничении СО до 5%, затем в 1969 г. до 2,5%. В
1972 г. появились нормы на содержание окиси серы, углерода и взвешенных
частиц, а затем на свинец и окись азота.
В Европе нормирование ОГ автомобилей разрабатывалась под влиянием
автомобильных фирм Франции и ФРГ. В 1971 г. была создана Европейская
экономическая комиссия ООН (ЕЭК) и приняты правила регулирования выбросов ОГ с нормами на выброс ВВ и методами испытаний автомобилей при
определении токсичности. Эти нормы применялись в большинстве стран Европы. В последнее время в Англии, Норвегии, Финляндии, Швеции и Швейцарии приняты более жестокие американские нормативы.
В нашей стране первый государственный стандарт по ограничению ВВ в
ОГ бензиновых двигателей был принят в 1970 г. В последующие годы были
разработаны и действуют различные отраслевые и государственные стандарты, в которых предусматривается также поэтапное снижение токсических составляющих.
2.3. Испытания по нормированию токсичности отработавших газов
Подобные испытания проводятся с целью определения технического состояния автомобилей, находящихся в эксплуатации, и с целью сертификации
вновь выпускаемых двигателей автомобилей. Различают два вида испытаний:
эксплуатационные испытания экспресс-методами;
сертификационные испытания автомобилей или двигателей на стендах.
Эксплуатационные испытания осуществляются без снятия двигателя с автомобиля портативной аппаратурой и предназначены для оценки техническо15
го состояния АТС путем измерения концентрации в отработавших газах двигателей окиси углерода СО и углеводородов СхНу, а также дымности дизелей.
Сертификационные испытания автомобилей осуществляются с имитацией
ездового цикла на беговых барабанах и моторные с имитацией нагрузочных
режимов двигателей для грузовых автомобилей и автобусов. Кроме того,
применяются испытания на холостом ходу, как контрольные, позволяющие
определить процентное содержание вредного компонента в ОГ.
Существует три основных ездовых цикла: американский, японский и европейский. Различаются они продолжительностью отдельных режимов в общем балансе времени работы автомобиля на экспериментальном динамометрическом стенде и методикой проведения анализа.
По жесткости условий – нормы американских и японских методик примерно одинаковы.
Нормирование по предельно допустимым концентрациям определяет максимальную концентрацию единичного компонента в воздухе.
В нашей стране с 2004 года был введен ГОСТ Р 52033–2003 на нормы и
методы измерения предельно допустимого содержания окиси углерода (СО),
углеводородов (СхНу) в ОГ автомобилей с бензиновыми двигателями.
Содержание СО и СхНу в ОГ автомобилей определяется на холостом ходу
для двух частот вращения коленчатого вала, устанавливаемых предприятием
изготовителем: минимальной (nmin) и повышенной в диапазоне nпов=2000–
3000 мин–1 (для бензиновых двигателей).
Контроль осуществляется при серийном выпуске автомобилей, при капитальном ремонте, после заводской обкатки, при ТО – 2, после ремонта топливных агрегатов.
При контрольных проверках автомобиля в эксплуатации организациями,
аккредитованными в установленном законодательством порядке, допускается
содержание СО на частоте nmin до 3% (для автомобилей, не оборудованных
системами нейтрализации отработавших газов).
Для более полного учета выбросов вредных веществ, осуществляемого
при испытаниях автомобилей в заводских условиях по ездовому циклу или
моторным испытаниям на стендах существуют специальные ГОСТы и ОСТы.
Для автомобилей с массой, не превышающей 3500 кг, в том числе автобусов 12-местных с 4-х цилиндровыми бензиновыми ДВС – ОСТ 37.001.054–86
«Автомобили и двигатели. Выбросы вредных веществ. Нормы и методы определения».
Нормируемые параметры NOx, CO и CхHу, а величина выбросов измеряется в г/испытании.
Испытание производится по европейскому ездовому циклу: за одно испытание производится четыре ездовых цикла, общее время – 13 минут, за это
время автомобиль проходит условно 4,052 км.
ГОСТ 17.2.2.01–84 «Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные.
Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений (для стендовых
испытаний дизелей)».
16
ГОСТ 21393–75 «Автомобили с дизелями. Дымность отработавших газов.
Нормы и методы измерений. Требования безопасности (для грузовых автомобилей и автобусов в эксплуатации)».
ГОСТ 17.2.3.02–78 «Охрана природы. Атмосфера. Правила установления
допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями».
ГОСТ 17.4.1.02–83 «Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения».
ГОСТ 17.1.3.05–82 «Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к
охране поверхностных и подземных вод от загрязнения нефтью и нефтепродуктами».
ГОСТ 20444–85 «Шум. Транспортные потоки. Методы и измерения шумовой характеристики».
ГОСТ Р 51250–99 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Дымность отработавших газов. Нормы и методы определения».
ГОСТ 17.2.2.02–98 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы определения выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей, тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин».
ГОСТ Р 41.96–2005 «Единообразные предписания, касающиеся двигателей с воспламенением от сжатия, предназначенных для установки на сельскохозяйственных и лесных тракторах и внедорожной технике, в отношении
выброса вредных веществ этими двигателями».
ГОСТ Р 41.24–2003 «Единообразные предписания, касающиеся: I Сертификации двигателей с воспламенением от сжатия в отношении дымности; II
Сертификации автотранспортных средств в отношении установки на них
двигателей с воспламенением от сжатия, сертифицированных по типу конструкции; III Сертификации автотранспортных средств с двигателями с воспламенением от сжатия в отношении дымности; IV Измерения мощности
двигателей».
ОСТ 37.001.234–81 «Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы
измерений».
ГОСТ Р 41.49–2003 «Единообразные предписания, касающиеся двигателей с воспламенением от сжатия и двигателей, работающих на природном газе, а также двигателей с принудительным зажиганием, работающих на сжиженном нефтяном газе, и транспортных средств, оснащенных двигателями с
воспламенением от сжатия, двигателями, работающими на природном газе, и
двигателями с принудительным зажиганием, работающими на сжиженном
нефтяном газе, в отношении выброса вредных веществ».
17
2.4. Экологические требования Европейской Электрохимической
Комиссии ООН
С 1987 года Россия стала участником Европейской Электрохимической
Комиссии ООН (ЕЭК ООН), что потребовало соблюдения при международных транспортных перевозках правил ЕЭК ООН и Европейского Союза.
Требования по экологии легковых (категории М1) и грузовых (категории
N1) ТС регламентируются директивой № 98/69 ЕС, требования к экологическим показаниям большегрузных АТС – директивой № 88/77 ЕС, а к характеристикам моторных топлив – директивой № 98/70 ЕС.
Правила и предписания ЕЭК ООН № 15, для транспортных средств с двигателями с принудительными зажиганием и воспламенением от сжатия в отношении выделения двигателем загрязняющих газообразных веществ.
Правила и предписания ЕЭК ООН № 24, для двигателей с воспламенением от сжатия в отношении выброса видимых загрязняющих веществ.
Правила и предписания ЕЭК ООН № 49, касающиеся официального утверждения дизельных двигателей в отношении выделяемых или загрязняющих выхлопных газов.
Правила ЕЭК ООН № 51, касающихся официального утверждения механизмов транспортных средств, имеющих не более 4-х колес в отношении
производимого ими шума.
Правила ЕЭК ООН № 83, касающийся транспортных средств в отношении
выброса загрязняющих выхлопных газов в зависимости от топлива, необходимого для двигателей.
В табл. 1–6 представлены данные по нормам предельных выбросов и
дымности для автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями, и дизелей в Европе, на которые ориентируется и Россия.
Таблица 1
Легковые автомобили с бензиновыми двигателями (г/км)
Нормы
ЕВРО 0
ЕВРО I
ЕВРО II
(пересчет)
ЕВРО III
ЕВРО IV
Нормы
ЕВРО 0
ЕВРО I
ЕВРО II
ЕВРО III
ЕВРО IV
Введены в действие
1.10.86
1.10.90
1.01.97
1.01.01
1.01.06
Введены в действие
1.10.86
1.10.90
1.01.97
1.01.01
1.01.06
СО
СН
15 – 24
2,7
2,2
(2,7)
2,3
1
4,6 – 6,8
0,97
0,5
(0,34)
0,20
0,1
NOx
(0,25)
0,15
0,08
Таблица 2
Легковые автомобили с дизельными двигателями (г/км)
Твердые
СО
СН
NOx
частицы
15 – 27
2,7
1
0,64
0,5
4,6 – 6,8
0,97
0,7
0,56 (0,50)
0,3 (0,25)
18
0,15
0,08
–
0,14
0,08
0,05
0,025
Таблица 3
Автофургоны с бензиновыми двигателями (г/км)
Нормы и вес
автомобиля
1250 – 1700 кг
ЕВРО I
ЕВРО II
ЕВРО IV
Более 1700 кг
ЕВРО I
ЕВРО II
ЕВРО III
ЕВРО IV
Введены в действие
СО
СН
NOx
1.10.94
1.10.98
1.01.07
6,36
4,92
1,81
0,92
0,39
0,13
0,75
0,2
0,10
1.10.94
1.10.98
1.01.02
1.01.07
8,49
6,15
5,22
2,27
1,14
0,46
0,29
0,16
0,91
0,32
0,21
0,11
Таблица 4
Автофургоны с дизельными двигателями (г/км)
Нормы и
вес автомобиля
1250 – 1700
кг
ЕВРО I
ЕВРО II
ЕВРО III
ЕВРО IV
Более 1700
кг
ЕВРО I
ЕВРО II
ЕВРО III
ЕВРО IV
Условный расход отработавших газов,
дм3/с
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
Введены в
действие
СО
СН
1.10.94
1.10.98
1.01.02
1.01.07
5,48
1,5375
0,8
0,63
0,28
0,238
1.10.94
1.10.98
1.01.02
1.01.07
7,31
1,845
0,95
0,74
0,34
0,286
0,78
0,39
2,26
2,19
2,08
1,985
1,9
1,84
1,77
1,72
1,665
1,62
1,575
Твердые частицы
1,13
0,952
0,19
0,12
0,07
0,04
1,37
1,143
0,25
0,17
0,1
0,06
0,65
0,33
Таблица 5
Нормы дымности по правилам ЕЭК ООН № 24
Условный
Нормы дымности ОГ
расход отработавших газов,
К, м–1
N, %
3
дм /с
125
1,345
44
130
1,32
43,3
135
1,3
42,8
140
1,27
42
145
1,25
41,5
150
1,225
40,9
155
1,205
40,4
160
1,19
40
165
1,17
39,5
170
1,155
39
175
1,149
38,7
Нормы дымности ОГ
К, м–1
NOx
N, %
62
61
59
57
56
55
53
52
51
50
49
19
окончание табл. 5
Условный расход отработавших газов,
дм3/с
95
100
105
110
115
120
Нормируемый компонент
Оксид углерода
Нормы дымности ОГ
К, м–1
Условный
расход отработавших газов,
дм3/с
180
185
190
195
200
N, %
1,535
1,495
1,465
1,425
1,395
1,37
48
47
46,7
45,8
45,1
44,5
Нормы дымности ОГ
К, м–1
1,125
1,11
1,045
1,08
1,065
N, %
38,3
37,9
37,5
37,1
36,7
Таблица 6
Нормы выбросов автотранспортных дизелей по правилам ЕЭК ООН № 49
Оценочный показатель уровня выбросов, (г/кВт ч)
до 10.93
с 10.93
с 10.96
с 1998г.
12,3
4,5
4,0
2,0
Углеводороды
2,6
1,1
1,1
0,6
Оксиды азота
15,8
8,0
7,0
5,0
Твердые частицы
0,61
0,36
0,15
0,10
В целях кардинального решения проблемы загрязнения атмосферы постановлением Правительства РФ от 12.10.05 № 609 утвержден Специальный
технический регламент «О требованиях к выбросам автомобильной техникой,
выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных
(загрязняющих) веществ».
Регламент устанавливает требования к выбросам вредных (загрязняющих)
веществ автомобильной техникой, оборудованной двигателями внутреннего
сгорания. Объектами технического регулирования являются впервые изготовленная в России, а также ввозимая в РФ автомобильная техника и установленные на ней двигатели внутреннего сгорания в части выбросов, топливо
для таких двигателей.
Автомобильная техника подразделяется на экологические классы (табл.
7). Сведения об экологическом классе вносятся в документы, идентифицирующие автомобильную технику.
Определяются технические требования к автомобильной технике и установленным на ней двигателям внутреннего сгорания.
Соответствие автомобильной техники и установленных на ней двигателей
требованиям регламента удостоверяется, сообщением, предусмотренным
Правилами ЕЭК ООН, или сертификатом соответствия. Срок действия сертификатов соответствия ограничивается датой вступления в силу требований
к экологическому классу, но не превышает 4 лет. Ранее выданные сертификаты соответствия действительны до окончания срока их действия.
20
Экологический
класс
автомобильной
техники
0
1
2
Таблица 7
Экологическая классификация автомобильной техники
в зависимости от уровня выбросов вредных (загрязняющих) веществ
Нормативные документы, устанавливающие требования к
экологическим характеристиКатегории и подгруппы автомобильной техники
кам автомобильной техники
(технические нормативы выбросов)
М1, М2 максимальной массой не более 3,5 т, N1 с Правила ЕЭК ООН № 83 – 02,
бензиновыми двигателями
уровень выбросов А
М1 максимальной массой свыше 3,5 т, М2, М3,
Правила ЕЭК ООН №
N1, N2, N3 с дизелями
СО – 85 г/кВт ч, СхНу – 5 г/кВт
М1 максимальной массой свыше 3,5 т, М2, М3,
ч, NOx – 17 г/кВт ч (9 – режимN1, N2, N3 с бензиновыми двигателями
ный испытательный цикл)
Правила ЕЭК ООН № 83 – 02,
М1, М2 максимальной массой не более 3,5 т, N1 с
уровни выбросов В, С соответбензиновыми двигателями и дизелями
ственно
М1 максимальной массой свыше 3,5 т, М2, М3, Правила ЕЭК ООН № 49 – 02,
N1, N2, N3 с газовыми двигателями и дизелями
уровень выбросов А
СО – 72 г/кВт ч, СхНу – 4 г/кВт
М1 максимальной массой свыше 3,5 т, М2, М3,
ч, NOx – 14 г/кВт ч (9 – режимN1, N2, N3 с бензиновыми двигателями
ный испытательный цикл)
М1, М2 максимальной массой не более 3,5 т, N1 с Правила ЕЭК ООН № 83 – 04,
искровыми двигателями (бензиновыми, газовыми) уровни выбросов В, С, D сооти дизелями
ветственно
М1 максимальной массой свыше 3,5 т, М2, М3, Правила ЕЭК ООН № 49 – 02,
N1, N2, N3 с газовыми двигателями и дизелями
уровень выбросов В
СО – 55 г/кВт ч, СхНу – 2,4
г/кВт ч, NOx – 10 г/кВт ч (при
М1 максимальной массой свыше 3,5 т, М2, М3,
испытаниях по правилам ЕЭК
N2, N3 с бензиновыми двигателями
ООН № 49 – 03, испытательный цикл ESC)
3
М1, М2 максимальной массой не более 3,5 т, N1 с
искровыми двигателями (бензиновыми, газовыми)
и дизелями
М1 максимальной массой свыше 3,5 т, М2, М3,
N1, N2, N3 с газовыми двигателями и дизелями
М1 максимальной массой свыше 3,5 т, М2, М3,
N1, N2, N3 повышенной проходимости с дизелями
Правила ЕЭК ООН № 83 – 05,
уровень выбросов А
Правила ЕЭК ООН № 49 – 04,
уровень выбросов А
Правила ЕЭК ООН № 96 – 01
СО – 20 г/кВт ч, СхНу – 1,1
г/кВт ч, NOx – 7 г/кВт ч(при
М1 максимальной массой свыше 3,5 т, М2, М3,
испытаниях по правилам ЕЭК
N2, N3 с бензиновыми двигателями
ООН № 49 – 03, испытательный цикл ESC)
21
окончание табл. 7
Экологический
класс
автомобильной
техники
4
5
Категории и подгруппы автомобильной техники
М1, М2 максимальной массой не более 3,5 т, N1 с
искровыми двигателями (бензиновыми, газовыми)
и дизелями
М1 максимальной массой свыше 3,5 т, М2, М3,
N1, N2, N3 с газовыми двигателями и дизелями
Нормативные документы, устанавливающие требования к
экологическим характеристикам автомобильной техники
(технические нормативы выбросов)
Правила ЕЭК ООН № 83 – 05,
уровень выбросов В
Правила ЕЭК ООН № 49 – 04,
уровень выбросов В1
СО – 4 г/кВт ч, СхНу – 0,55
г/кВт ч, NOx – 2 г/кВт ч (при
М1 максимальной массой свыше 3,5 т, М2, М3,
испытаниях по правилам ЕЭК
N2, N3 с бензиновыми двигателями
ООН № 49 – 03, испытательный цикл ЕТС)
М1 максимальной массой свыше 3,5 т, М2, М3, Правила ЕЭК ООН № 49 – 04,
N1, N2, N3 с газовыми двигателями и дизелями
уровни выбросов В2, С
Специальный технический регламент вступает в силу по истечении 6 месяцев со дня официального опубликования постановления.
Новый технический регламент содержит в себе ряд важных новшеств.
Так, с момента его вступления в силу все автомобили, производство которых
было организовано до 2008 г., должны были соответствовать нормам Евро–3,
а с 2008 г. запрещено производство транспортных средств, не удовлетворяющих этим требованиям.
Аналогичная ситуация с нормами Евро–4: автомобили, производство которых было начато в России с 2008 по 2010 г., должны соответствовать этим
требованиям, а начиная с 2010 г. выпуск автомобилей, не удовлетворяющих
новым экологическим требованиям, запрещен. Стандарты Евро–5, предположительно на территории РФ будут введены с 2014 г.
3. СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ТОКСИЧНЫХ
КОМПОНЕНТОВ
3.1. Уменьшение токсичности ОГ путём изменения регулировок
и конструкции ДВС
Бензиновые двигатели
Снижение одновременное СО, СхНу и NOx требует от бензиновых ДВС
противоположных решений.
Эффективными средствами уменьшения NOx является уменьшение угла
зажигания, рециркуляция ОГ. Эти мероприятия могут снизить выброс NOx на
40–50%, но увеличивают расход топлива на 10–12%.
При снижении угла зажигания уменьшается не только мощность, но и
температура цикла, в результате чего снижается NOx, одновременно умень-
22
шается и количество СхHу, поэтому угол зажигания выбирают из условия оптимальных углов зажигания на частичных режимах и на холостом ходу.
Средний выброс токсичных веществ СО и СхHу у автомобилей с неисправным или неотрегулированным двигателем и его системами в 2–3 раза
больше, чем при технически исправном его состоянии. Поэтому одно из обязательных условий снижения токсичности ОГ связано с улучшением технического состояния систем питания и зажигания путем своевременной и правильной их регулировки.
Увеличение угла опережения (ранее зажигание) повышает в ОГ содержание СхHу и NOx на 12–16%. Величина СО и СО2 при этом не меняется.
Уменьшение угла зажигания (позднее зажигание) – снижает концентрацию NOx на 25–30%, а СхHу – на 20–30%.
Величина зазора между контактами прерывателя-распределителя влияет
на отклонение угла опережения зажигания от оптимального. Эксплуатационное нарушение зазоров вызывает увеличение выброса СхHу до 30%.
Негерметичность клапана экономайзера – один из самых распространенных дефектов, увеличивает выброс СО в 1,5–2 раза на режимах малых и
средних нагрузок.
Превышение подачи ускорительного насоса в 2–3 раза выше оптимальной
величины ведет к увеличению выбросов СО и СхHу в 1,5–2 раза.
Гидравлическое сопротивление воздухоочистителей – при увеличении его
в 2 раза, что соответствует примерно 100 тыс. км, повышается выброс СО
примерно на 30%, а также способствует уносу масла в двигатель и повышенному выбросу канцерогенных веществ.
Нарушение работы свечей зажигания – также наиболее встречающийся
дефект. Увеличение зазора между электродами свечей зажигания приводит к
увеличению выброса СхHу до 25%. Уменьшение зазора на 25% против нижнего предела оптимума повышает концентрацию СхHу до 40%.
Одна неработающая свеча двигателя или две свечи, работающие с перебоями, вызывают повышение СхHу в 2–2,5 раза.
Предельный износ цилиндропоршневой группы у 8-цилиндрового двигателя ухудшает мощностные качества на 8–10%, экономические – на 14–19%,
экологические – в 1,5–2 раза.
Негерметичность выпускных клапанов, неудовлетворительное состояние
седел и поверхностей приводит к увеличению СхHу. Увеличение зазора у впускных клапанов между штангой и коромыслом на 0,1 мм приводит к нарушению фаз газораспределения, что в свою очередь повышает концентрацию выбросов СхHу на 50–60%.
Рециркуляция отработавших газов заключается в перепуске части отработавших газов во впускную систему. Клапан рециркуляции связан с дроссельной заслонкой карбюратора, и с увеличением оборотов увеличивается поступление отработавших газов, снижая максимальную температуру. На режимах
холостого хода и принудительного холостого хода ОГ не поступают на вса-
23
сывание. Доля перепускаемых ОГ не превышает 10%. При этом увеличивается в отработавших газах на 5–10% содержание СхНу.
Расслоение топливной смеси. Снижение NO, CO и CхHу при работе на
бедных смесях α>1,1, когда вследствие пропусков зажигания должно увеличиваться CхHу, можно достигнуть расслоением топливной смеси. Тогда в область свечи через специальный клапан или специальный канал подаётся небольшое количество обогащённой смеси α=0,6–0,8, а в общий объём камеры
подаётся обеднённая смесь или воздух.
Все эти мероприятия возможно осуществить для любых камер сгорания
бензиновых ДВС.
Дизели
У дизелей различается три типа камер сгорания: предкамерные разделенного типа, неразделённого типа и полуразделённые.
Лучшими по токсичности являются предкамерные разделённого типа, когда в дополнительную камеру впрыскивается всё топливо и его сгорание
происходит при α<1, что ограничивает образование окислов азота при высокой температуре. В основной камере сгорание смеси происходит при избытке
кислорода, но при пониженных температурах. Интенсивное вихреобразование способствует догоранию несгоревших частиц топлива и сажи. Поэтому
выбросы токсичных веществ в 1,5–3 раза ниже, чем у дизелей с неразделенными камерами сгорания. Полуразделённые камеры обладают промежуточными свойствами.
Для уменьшения токсичности у дизелей уменьшается угол опережения
впрыскивания и увеличивается α (ограничивается цикловая подача Qц). Ограничение Qц на 30% от номинальной приводит к 70–80% снижению выбросов
СО, CхHу и сажи. Снизить токсичность дизелей можно совершенствованием
процессов топливоподачи.
При электронном регулировании непосредственного впрыскивания бензина в цилиндры двигателя содержание СО в ОГ снижается до 0,8–1,0%, а
CхHу до 280 млн–1, возрастает мощность и снижается удельный расход топлива.
Для улучшения системы зажигания обеднённых смесей ведутся разработки систем зажигания с увеличенным временем разряда, подачей серии искр с
транзисторным управлением, использование плазменных и лазерных способов воспламенения.
3.2. Интенсификация рабочего процесса ДВС
Начиная с 80-х годов прошлого столетия, ученые России, США, Франции,
Германии, Японии разрабатывают мероприятия по интенсификации рабочих
процессов энергетических установок и ДВС обработкой топлива или воздуха
электрическим, магнитным или электромагнитным полем.
В основе предлагаемых способов лежит такое явление физики, как внутреннее изменение поляризации электронных орбит вещества, помещенного
24
во внешнее магнитное или электрическое поле. То есть, при воздействии
внешнего магнитного поля на помещенное в него вещество происходит переориентация электронных орбит или векторов орбитальных магнитных моментов. Кроме того, такое явление может способствовать дроблению вещества на более мелкие частицы на молекулярном или атомарном уровне.
Так, в некоторых работах обработку топлива в ДВС предполагается производить воздействием электрического поля высокого напряжения, создаваемого положительным и отрицательным электродами, помещенного в топливном канале, в результате чего частицы топлива, деформируясь, превращаются
в диполи и приобретают свой значительный электрический момент. Этот момент должен способствовать интенсификации протекания рабочего процесса
двигателя, повышению его экономичности и снижению токсичности отработавших газов.
Ряд изобретений предлагают устройства для магнитной обработки жидкости (топлива для ДВС) путем протекания его через постоянные магниты различной формы, помещенные в различные корпуса и камеры.
Предложен также способ интенсификации работы двигателя внутреннего
сгорания, основанный на раздельной предварительной обработке окислителя
(воздуха) и топлива в сильном электрическом поле с последующей интенсивной подачей их в камеру сгорания, после чего при воспламенении топливовоздушной смеси, повторно воздействуя на неё также сильным электрическим полем, напряженность и частоту которого регулируют в зависимости от
высоты подъема поршня, температуры горения, степени токсичности выхлопных газов. Такая обработка двойным сильным электрическим полем позволяет образовывать и вводить в горящую топливовоздушную смесь «свежие» электроны и ионы, что способствует более полному сгоранию смеси за
рабочий ход и повышению эффективности процесса сгорания.
Больший интерес представляет способ магнитной обработки топлива или
топливной смеси любого химического состава, предложенный группой изобретателей из Москвы. Они предлагают обрабатывать топливо магнитным
полем, пропуская его через систему постоянных кольцевых магнитов, соосно
установленных друг за другом с зазором и обращенных друг к другу одноименными полюсами, как внутри магнитов, так и через периферийную камеру вдоль наружной цилиндрической поверхности постоянных магнитов, что
позволяет повысить полноту сгорания топлива, дополнительно улучшить топливную экономичность и снизить выбросы токсичных веществ с отработавшими газами двигателя. Это изобретение было положено в основу устройства, разработанного и изготовляемой фирмой «ЭКО – АТОМ» в виде устройства «Магнитотрон – С». Устройство состоит из 33 рабочих элементов,
где топливо, проходя через магнитную систему, приобретает турбулентное
течение с одновременной поляризацией ядер атомов, изменением физикохимических свойств в виде уменьшения вязкости и поверхностного натяжения, дроблением на мельчайшие частицы, что содействует более эффективному процессу сгорания, снижению образования нагара и препятствует вы25
бросу недоокислившихся токсичных газов. По данным исследователей, испытания магнитотрона в автомобиле «Волга» на специальном роликовом
стенде показали уменьшение содержания СО в отработавших газах в условиях режима «стояние у светофора» (частота вращения коленчатого вала 550
мин–1) с магнитотроном на 54%, в режиме движения со скоростью 15 км/ч
уменьшение составляет 34%, в режиме движения со скоростью 60 км/ч –
46%.
В настоящее время известно более 300 изобретений по повышению экономических и экологических показателей ДВС обработкой топлива и воздуха
магнитным и электрическим полем, что доказывает целесообразность работ
по данному направлению интенсификации рабочего процесса с разработкой
наиболее простых методов такой обработки и её конструктивного воплощения.
Разработанный на кафедре «ЭАТ» Южно-Уральского Государственного
Университета способ интенсификации работы ДВС воздействием магнитного
поля на топливо и окислитель отличается от других простотой своего исполнения. Проект защищен патентом РФ.
Использование этого способа на автомобиле «НИВА» при испытании на
режиме минимальной частоты вращения коленчатого вала 700 мин–1 показало снижение содержания в отработавших газах:
СО – на 60%;
СхНу – на 77,5%;
NОх – на 49%;
Эти данные получены в ходе многочисленных экспериментов на реальных
автомобилях и опытов на стендах кафедры «ДВС» ЮУрГУ.
3.3. Перспективные ДВС
Все возрастающая необходимость охраны окружающей среды от загрязнения отработавшими газами и связанные с нею требования топливной экономичности и экологической безопасности поставили перед конструкторами
транспортных средств вопросы: насколько бензиновые ДВС, самые распространенные до настоящего времени на автомобильном транспорте, перспективны для будущего автомобильного транспорта и какие двигатели могут
прийти им на смену?
В качестве альтернативных бензиновому стали рассматриваться следующие: роторные, газотурбинные, паровая поршневая машина, двигатель внешнего сгорания (Стирлинга), электродвигатель.
Роторный двигатель
Это бензиновый, отличающийся от обычного карбюраторного двигателя
конструкцией. У него нет цилиндров и шатунно-поршневой группы. Вместо
поршней он имеет вращающийся ротор, который передает крутящий момент
через зубчатую передачу. В роторном двигателе нет также клапанов, а только
впускное и выпускное отверстия.
26
Его преимущества: меньшая масса, компактность, высокооборотность,
большая удельная мощность, способность работать на топливе с низким октановым числом.
Недостатки: меньшая экономичность по сравнению с традиционным
поршневым, существенные конструктивные трудности с обеспечением необходимой плотности между корпусом двигателя и ротором по мере износа их в
процессе эксплуатации.
Газотурбинный двигатель
В последние 25–30 лет проводятся исследования и экспериментальное
конструирование газотурбинных двигателей. Газовые турбины широко применяются на воздушном транспорте.
Преимущества: малая масса, рекордная удельная мощность, компактность, малое число подвижных частей, плавность работы и т.д.
Недостатки: значительно меньшая экономичность по сравнению даже с
карбюраторными ДВС, особенно с дизелями.
Результаты исследований большинства газотурбинных двигателей показали их меньшую токсичность в части окиси углерода и углеводородов. По
окислам азота данные противоречивые.
Паровая поршневая машина
Конструкция включает водотрубный парогенератор, двигатель – паровую
машину высокого давления, вспомогательную машину низкого давления (для
приведения в действие водяного насоса и вентилятора радиатора) и вспомогательное оборудование.
По сведениям конструкторов, после включения автомобиль готов к движению через 30–45 секунд. Пар имеет при этом давление 5,5 МПа (примерно
56 атм) и температуру 370 оС. Четырехцилиндровый автомобиль может развивать при этом скорость до 160 км/ч.
Сам по себе паровой двигатель экологически абсолютно чистый, но при
этом атмосфера загрязняется отработавшими газами горелки (топки) котла,
хотя токсичность отработавших газов ниже, чем у дизелей.
Недостатки этих силовых установок: сложность и громоздкость конструкций (парогенератор – машина – теплообменник – конденсатор – емкость для
воды), малая экономичность, уязвимость при отрицательных температурах,
большее время для подготовки к движению.
Двигатели Стирлинга
Двигатель внешнего сгорания предложен Стирлингом еще в 1816 г., впервые осуществлен в Голландии после 20 лет работы.
Принцип действия такого двигателя: дно большого цилиндра с поршнем
нагревалось горелкой, нагретый воздух поднимал поршень, совершая полезную работу, после выпуска охлажденного воздуха поршень опускался в исходное положение, а очередная нагретая порция воздуха начинала новый рабочий цикл. Такой двигатель имел очень большой шум и плохую экономичность.
27
Современный двигатель внешнего сгорания представляет собой герметически закрытый цилиндр, заполненный над поршнем сжатым гелием или водородом. При сгорании топлива газ через стенку цилиндра нагревается, расширяется и опускает поршень. Отработавший газ направляется в камеру охлаждения, а поршень возвращается в исходное положение. После этого порция холодного сжатого газа поступает в камеру над поршнем, расширяется
при нагревании и осуществляет новый рабочий ход. Коэффициент такого
двигателя может быть высоким, до 40% и более. Двигатель внешнего сгорания может работать на любом топливе, дает минимальное загрязнение воздуха окисью углерода и углеводородами, поскольку горелка работает в стабильном режиме. Он практически бесшумен.
Предполагается, что при использовании тепла, например, расплавленного
лития, такой двигатель вообще может обойтись без топлива, что очень важно
при работе в городах.
Электродвигатели
Одним из перспективных направлений создания экологически чистых автомобилей является использование электродвигателя с автономным источником электрического тока.
Начиная с 80-х годов прошлого столетия в течение 20–25 лет в ряде стран
были построены автомобили с электрическими двигателями мощностью 0,3–
0,4 кВт, которые могли непрерывно работать до 6 часов.
Электромобиль – идеальный автомобиль для города, не токсичен, не огнеопасен, бесшумен. Электродвигатель способен к кратковременным перегрузкам и имеет хорошую тяговую характеристику, не нуждается в сложных
трансмиссиях и многих системах, характерных для современного автомобиля.
Главные недостатки электромобиля – ограниченный радиус пробега,
большая масса аккумуляторов, малый срок службы источников тока и высокая стоимость. Эти недостатки в большей степени присущи свинцовокислотным аккумулятором, являющимся до настоящего времени основными
независимыми источниками тока. Поэтому главные усилия ученых и конструкторов направлены на совершенствование имеющихся аккумуляторных батарей и разработку новых источников тока.
Совершенствование заключается в повышении энергоемкости батарей на
килограмм их массы, которая предопределяет запас хода, т.е. дальность пробега электромобиля между перезарядками батареи.
По сравнению с бензином, энергоемкость которого 11000 Вт ч/кг массы,
свинцово-кислотные батареи имеют 22–23 Вт ч/кг, но в перспективе ее можно увеличить примерно в 2 раза – до 50–55 Вт ч/кг.
Чтобы иметь запас хода электромобиля 400 км, на него нужно поставить
батарею массой минимум 1250–1500 кг, что очень неэффективно.
К настоящему времени создано и эксплуатируется не менее 25 типов аккумуляторов: никель-кадмиевые, никель-железные, никель-цинковые, цинк-
28
хлорные, цинк-воздушные, натрий-серные, литий-серные, серебряноцинковые и др.
Срок службы определяется числом циклов заряда при допустимой разрядке батареи 50% ее емкости.
Самый большой срок службы у никель-кадмиевых батарей, также их преимуществом является возможность их быстрой зарядки (в течение нескольких минут), тогда как свинцово-кислотные батареи для зарядки требуют 4–8
часов. Однако у них высокая стоимость, приблизительно в 3 раза больше, чем
у свинцово-кислотных.
Работы ведутся в основном в направлении создания аккумуляторных батарей нового типа. Наиболее перспективными признаны никель-кадмиевые,
никель-цинковые, никель-металлогидридные, цинк-хлорные и натрийсерные.
В настоящее время во всех странах создано около 130 различных типов
электромобилей.
Гибридное направление – сочетание двигателя, работающего на привычном топливе (чаще на дизельном топливе) и электромоторе. Типичный представитель Тойота-Приус.
Электромобили на топливных элементах. Используются новые электрохимические источники тока, называемые топливными элементами.
Такие электромобили обладают высоким КПД от 70 до 90%, большим
пробегом, высокой удельной мощностью источника тока.
Принцип действия топливного элемента: в элемент подается водород и
кислород, которые в процессе синтеза образуют воду, генерируя при этом
электрический ток. Такой элемент будет вырабатывать электрический ток,
пока в него будет поступать топливо – водород и окислитель – кислород. Водород в элементах может быть заменен на углеводород, а кислород – на воздух.
В настоящее время созданы различные модификации топливных элементов, работающих на бензине, метане, пропане, аммиаке, гексане и др. веществах.
Развитие электромобилей сдерживается низкими параметрами источников
тока. Традиционная свинцово-кислотная батарея ограничивает пробег машины до подзарядки около 150 км.
Батареям более нового поколения (никель-кадмиевым, никельводородным, никель-цинковым) удалось увеличить долговечность, нечувствительность к морозам, возможность быстрой подзарядки.
Наиболее перспективны никель-металлогидридные системы – у них максимальные удельные показатели (саморазряд за месяц около 50%). К «плюсам» этих батарей относятся: пригодность к эксплуатации при температурах
от –25 до +50 оС, пробег до подзарядки около 250 км, быстрота подзарядки –
за 10 минут батарея заправляется на 80% емкости; более 80 тысяч циклов зарядки – разрядки, обеспечивающие пробег до 160 тыс. км.
29
Автомобили марок: Тойота, Хонда-ЕV Плюс, Форд-Рейнджер EV, Ниссан
Алтима EV, Пежо-106 Электрик, Ситроен-АХ Электрик и т.д.
3.4. Нейтрализаторы отработавших газов в выпускной системе
Одним из эффективных способов снижения выбросов вредных веществ
является их нейтрализация в выпускной системе.
Наибольшее распространение получили четыре типа нейтрализаторов:
Термические, пламенные, каталитические, жидкостные.
Нейтрализатор – прибор для снижения токсичности отработавших газов
путем дожигания продуктов неполного сгорания (СО, СхНу, С) и восстановления азота из окислов.
Термический нейтрализатор – представляет собой теплоизолированный
объем со специальной организацией течения ОГ и воздуха, устанавливаемый
в выпускной системе двигателя, где осуществляется реакция доокисления
токсичных компонентов под действием высокой температуры ОГ. Такие устройства обычно размещают на выходе из выпускного тракта.
Объем реакционной камеры для обеспечения 60–80% очистки должен
быть в 2–3 раза больше суммарного рабочего объема цилиндров двигателя,
что требует значительного дополнительного пространства под капотом автомобиля.
Недостатками такого нейтрализатора являются некоторая потеря мощности и экономичности из-за повышенного сопротивления на выпуске.
Пламенные нейтрализаторы представляют собой устройства для подачи
воздуха непосредственно к каждому выпускному клапану двигателя под давлением 0,5–0,6 кг/см2.
Воздух подается ротационным эксцентрическим лопастным насосом. Подача дополнительного воздуха регулируется в зависимости от величины коэффициента избытка воздуха, с обеднением смеси подача уменьшается. Эффективный процесс дожигания углеводородов начинается при температуре
около 400 оС, а окиси углерода – не менее 500 оС.
Каталитические нейтрализаторы. Действие таких нейтрализаторов основано на беспламенном поверхностном окислении токсичных веществ в присутствии катализатора, ускоряющего химическую реакцию окисления СО,
СхНу, С до СО2 и восстановления NOх до N2 в присутствии кислорода.
Наиболее универсальным и эффективным катализатором является платина. В связи с высокой стоимостью этого металла в качестве катализаторов
используются другие металлы и соединения.
Трудности связанные с условиями эксплуатации: катализаторы должны
обеспечивать кроме большой эффективности, высокую механическую прочность и устойчивость к вибрации, стабильность в эксплуатации при изменении рабочих температур от 150 до 800 оС, а также в условиях различного состава ОГ.
30
На основании исследований было установлено, что таким требованиям
частично удовлетворяют такие металлы, как палладий, родий, рутений и некоторые окислы металлов: окись меди, хрома, никеля, кобальта и двуокись
марганца. Они несколько уступают по эффективности, но зато в несколько
раз дешевле платины.
Эффективность действия каталитического нейтрализатора зависит от температуры, продолжительности контакта токсичных компонентов с поверхностью катализатора, а также от концентрации токсичных компонентов в отработавших газах.
По температурному режиму катализаторы делятся на 2 группы:
низкотемпературные с большой эффективностью при температуре 150–
300 оС;
высокотемпературные активно действующие при температуре, выше 300
о
С.
К первой группе относятся катализаторы из оксидов в различном объемном соотношении.
Ко второй – платина и палладий и их соединения.
Каталитические нейтрализаторы представляют собой активный каталитический слой, нанесенный на инертное тело-носитель. Применяются гранулированные и блочные носители. Гранулированные представляют собой гранулы различной формы размером 2–5 мм, на поверхность которых нанесен катализатор.
Монолитные носители представляют собой спеченный блок из тугоплавких окислов, пронизанный большим количеством сквозных каналов с катализатором на поверхности. Для полной нейтрализации вредных веществ применяют нейтрализаторы различной конструкции. Это могут быть двухкамерные
нейтрализаторы, где в первой камере при подаче воздуха дополнительно
происходит восстановление NOx, а во второй – окисление СО, СхНу и С. Однокамерные, но трехкомпонентные, когда добавочный воздух не подается, а
специальный кислородный датчик следит за составом рабочей смеси, чтобы
она всегда соответствовала стехиометрическому или близкому к нему
0,95<α<0,98, когда эффективно протекают как восстановительные, так и
окислительные реакции и происходит нейтрализация сразу трех компонентов. Чаще всего такая система нейтрализации используется на двигателях с
впрыскиванием бензина и электронным управлением подачи. При этом из ОГ
удаляется до 96% СО, 97% CхHу, и до 90% NOx.
Жидкостной нейтрализатор. В наиболее простом виде заключается в пропускании ОГ через слой воды или химического раствора. При этом нейтрализуются водорастворимые компоненты – альдегиды, окислы серы и высшие
окислы азота, улавливаются также сажевые и другие дисперсные частицы, но
окись азота и окись углерода не обезвреживаются. Наиболее часто такие нейтрализаторы используются на автотранспортной технике для подземных работ.
31
Недостатком их является невозможность использования при отрицательных температурах, частая смена и утилизация отработавшей жидкости, повышенное газодинамическое сопротивление столба жидкости, способствующее потерям жидкости и экономичности.
3.5. Альтернативные виды топлива для автомобилей
Дефицит жидкого топлива нефтяного происхождения, а также большое
количество вредных веществ в ОГ при его использовании способствует поиску альтернативных видов топлива.
С учетом специфики автомобильного транспорта сформулированы пять
основных условий перспективности новых видов топлива:
наличие достаточных энергосырьевых ресурсов;
возможность массового производства;
технология и энергетическая совместимость с транспортными силовыми
установками;
приемлемые токсические и экологические показатели процесса энергоиспользования;
безопасность и безвредность эксплуатации.
По мнению специалистов, в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют углеводородные газы естественного происхождения, синтетические топлива – спирты, водород, биотоплива.
Углеводородные газы
Наиболее приемлемыми альтернативными для автотранспорта топливами
являются природный и нефтяной углеводородные газы.
Сжатый природный газ СПГ – это в основном метан (до 55% по объему) с
дополняющими его углеводородами метанового ряда (этан, пропан, изобутан,
пентан и т.д.) и инертными газами (азот, углекислый газ). Общее содержание
инертных газов не превышает 15%.
Стандартизованная топливная оценка природного газа показывает, что он
соответствует самому высококачественному бензину. Так, если октановые
числа (ОЧ) А–76 и А–93 соответственно – 76 и 86 единиц, то природный газ,
транспортируемый по магистральным трубопроводам, может иметь ОЧ – 104
– 107 ед, а КПД газовых двигателей в широком диапазоне режимов может
достигать 38–40% (30–35% у бензиновых на наиболее экономичных режимах), моторесурс двигателя при этом увеличивается в 1,5 раза, а срок смены
масла – в 2 раза.
Сжатый природный газ используется в сжатом, до давления 20 МПа состоянии, хранится в стальных баллонах, емкостью чаще всего 50 л.
На сжатый природный газ, используемый в качестве топлива, существует
ГОСТ 27577–87 «Газ природный топливный сжатый для газобалонных автомобилей».
32
Сжиженный нефтяной газ – это, в основном, пропанобутановая смесь (до
93%), добывается на нефтяных месторождениях, как попутный газ, или при
переработке нефти. Присутствие инертных компонентов незначительно.
На сжиженный газ также существует ГОСТ 27578–87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта». Две марки: пропан автомобильный (ПА) для зимних условий эксплуатации, и пропан-бутан автомобильный (ПБА) для летних условий эксплуатации.
Перевод автомобильного двигателя на сжиженный газ улучшает его характеристики, прежде всего, за счет повышения степени сжатия до 11 ед., что
увеличивает и КПД двигателя.
Испытания двигателей на сжиженном газе показали, что, по сравнению с
использованием бензина, в ОГ содержится в 2–4 раза меньше СО, в 1,5–2 раза
меньше NOx, но увеличиваются выбросы углеводородов в 1,2–1,5 раза, особенно на низких скоростных режимах и малых нагрузках.
Сжижение газа производится в обычных температурных условиях при относительно низком давлении (1,035 МПа), транспортируется и хранится в
баллонах с давлением около 1,7 МПа.
Одной из главных задач повышения перспективы использования газового
топлива является создание легких и прочных газовых баллонов из композитных материалов.
Целый ряд фирм работает над созданием новых конструкций баллонов: в
ФРГ разработан баллон из стали с добавкой хрома и молибдена, покрытый
снаружи высокопрочной пластмассой, в Великобритании разрабатывается
легкий газовый баллон из композитных материалов, в нашей стране успешно
проходят испытания металлопластиковые баллоны.
Основная концепция в создании газобаллонных автомобилей – двухкомпонентность топлива, использование базового жидкого и газового, хотя в качестве основного предпочтительно использование газового топлива, стоимость которого в 2–4 раза ниже бензина.
Спирты
Метанол, этанол – еще один вид альтернативных топлив. На протяжении
всего развития ДВС к использованию спиртов прибегали неоднократно.
В настоящее время целесообразность использования спиртового топлива
(в основном это метанол в чистом виде в многокомпонентных смесях с бензином и водой) подтверждается не только возможной сырьевой базой (каменный уголь, природный газ, отходы лесного хозяйства, бытовые отходы), но и
снижением токсичности ОГ.
Метанол, как моторное топливо, имеет следующие основные характеристики: плотность при 20 оС – 0,794 г/см3 (бензин – 0,750); теплотворность –
4800 ккал/кг (10500 – у бензина); октановое число – 109 (91–92 – у бензина).
Высокие октановые числа позволяют использовать метанол в ДВС с искровым зажиганием с высокой степенью сжатия (12–14).
Экологичность спиртового топлива заключается в более низких значениях
токсичных составляющих: NOx, СО, СхНу, но при этом увеличивается содер33
жание альдегидов. Уменьшить их количество можно добавкой 10% количества воды, причем альдегиды уменьшаются на 40%, NOx – на 50%.
Наряду с метанолом и воднометанольными смесями перспективным считается использование бензометанольных смесей. Оптимальной является 10–
15% добавка метанола к бензину, но при этом есть опасность расслоения, что
можно ликвидировать специальными присадками.
В США фирма «Arco» выпускает бензометанольное топливо марки SA
(85% метанола, 15% бензина, стабилизирующая присадка – метил-3бутиловый эфир). Такое топливо снижает процентное содержание несгораемых углеводородов на 28%, содержание NOx – на 26%, СО – на 25%, количество испаряющегося топлива на – 3 6%.
В России испытания бензометанольной смеси (79% бензина. 14% метанола и 7% изобутанола), проводившиеся в НАМИ, показали уменьшение выбросов NOx и CхHу при практически неизменных выбросах СО.
Но остаются пока нерешенными следующие технические проблемы:
система подачи метанола в камеры сгорания;
надежность и долговечность каталитических нейтрализаторов для метанола;
возможность применения метанола в дизелях.
Этанол – спирт растительного происхождения или винный спирт – имеет
аналогичные метанолу характеристики, также может быть использован для
питания двигателей с искровым зажиганием в чистом виде и в смеси с бензином. Использование смеси этанола с бензином (10–20% этанола) показало
уменьшение выбросов СО на 26,5%, СН – на 4,5%, NOx – на 5,7%.
Водород
Водород, как перспективное автомобильное топливо, давно привлекал
внимание ученых, что обусловлено его высокими энергетическими показателями, уникальными кинетическими характеристиками, отсутствием вредных
веществ в продуктах сгорания и практически неограниченной сырьевой базой.
Низшая теплота сгорания водорода составляет 120 МДж/кг (28640
ккал/кг), что превышает теплоту сгорания жидкого моторного топлива в 2,7–
2,9 раза. В тоже время объемно-энергетические характеристики невысоки изза низкой плотности водорода.
Энергия воспламенения водорода примерно в 10 раз ниже, чем для углеводородного топлива. Пределы воспламенения по коэффициенту избытка
воздуха очень широкие и составляют 0,15–10, что позволяет регулировать
мощность двигателя путем изменения только состава смеси. Скорость сгорания водородовоздушной смеси, особенно обогащенной водородом, очень высока. В добавок, водородный двигатель является экологически чистым.
Многочисленные схемы возможного применения водорода на автомобиле
делятся на две группы:
водород используется в качестве основного топлива;
34
водород используется в качестве добавки к современным моторным топливам.
Водород, как основное топливо, – далекая перспектива, связанная с переходом транспорта на принципиально новую энергетическую базу.
Более реально в настоящее время применение водородных добавок, позволяющих улучшить экономические и токсические показатели автомобильных двигателей.
Простота использования газообразного водорода сопряжена с необходимостью существенного увеличения объема и массы топливного бака. Проблемы объемно-массовых параметров топливной системы для подачи водорода могут быть улучшены использованием сжиженного водорода. Но при
этом возникает другая проблема – низкая температура сжиженного водорода,
в связи с чем первостепенное значение приобретает теплоизоляция бака, а
также безопасная эксплуатация водородного топлива.
Наибольший интерес представляет аккумулирование водорода в составе
металлогидридов. Для зарядки металлогидридного аккумулятора через гидрид некоторых металлов при низких температурах пропускают водород и отводят тепло. При работе двигателя гидрид нагревается горячей водой или ОГ
с выделением водорода.
Многочисленные исследования показали, что на транспортных установках
наиболее целесообразно использовать комбинированную систему хранения,
включающую гидриды железо-титан и магний-никель.
Объемная энергоемкость лучших гидридов приближается к уровню жидкого водорода, поэтому объем гидридного бака может быть меньше объема
криогенного бака для жидкого водорода. Однако масса самого гидридного
блока почти в 10 раз выше по отношению к жидкому водороду из-за значительной плотности металлического носителя. Суммарные массы гидридной и
жидководородной топливных систем соизмеримы.
Автомобиль с ДВС и гидридным аккумулятором водорода имеет большую
массу и меньший запас хода по сравнению с автомобилем, работающем на
бензине, но меньшую массу и больший запас хода, чем существующие и перспективные типы электромобилей.
Биотоплива
В настоящее время более 20 стран мира производят жидкое биотопливо из
различного растительного сырья. Среди этих биотоплив – растительные масла, продукты их переработки, биоэтанол, биометанол, биодиметиловый эфир,
биометил-трет-бутиловый эфир (биоМТБЭ), биоэтил-трет-бутиловый эфир
(биоЭТБЭ), синтетические биотоплива, биогаз, биоводород. При прочих равных условиях производство сырья для спиртовых топлив требует меньше пахотных земель, чем производство топлив на основе растительных масел. Но
при этом физико-химические свойства топлив, получаемых из растительных
масел, ближе к свойствам стандартного дизельного топлива. Поэтому дизельные двигатели в большей степени приспособлены к работе на растительных
маслах и продуктах их переработки.
35
Источником растительных масел являются масличные растения, содержащие в различных своих частях (главным образом в семенах или плодах)
растительные жиры. Различают собственно масличные растения (рапс, горчица, подсолнечник, клещевина, лен-кудряш, кунжут, масличный мак, сафлор, тунговое дерево, маслина и др.) и растения, масла которых являются побочным продуктом при их промышленном использовании (хлопчатник, лендолгунец, конопля).
Высокими темпами развивается переработка рапса. Главные регионы мира по производству семян рапса – Азия (46,8% мирового производства), Европа (30,3%), Северная Америка (19,2%). Мировое производство РМ в последние годы превысило 12 млн. тонн в год и составило более 12% от мирового объема производства растительных масел (3-е место после производства
соевого и пальмового масел).
Характерным представителем растительных масел является рапсовое масло (РМ), получаемое из семян рапса. Рапс – однолетнее растение семейства
крестоцветных.
Метиловый эфир рапсового масла получают в результате прямой этерификации жирных кислот рапсового масла с метиловым спиртом (метанолом)
при температуре 80–90 °С в присутствии катализатора – гидроксида калия
(едкого калия).
Получаемое при такой переработке рапсовое масло может быть использовано как самостоятельное топливо для дизелей, в смесях различного состава
со стандартным дизельным топливом или переработано в метиловый или
этиловый эфиры рапсового масла. Последние, в свою очередь, используются
или как самостоятельное биотопливо, или как смесевое (в смеси с дизельным
топливом).
Метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ) нашел широкое применение в
качества топлива для дизелей в различных странах Западной Европы. В Германии такое топливо выпускают 12 централизованных заводов и 80 нецентрализованных. Производством этого вида топлива занимается 8 немецких
фирм, оно отпускается более, чем на 800 заправочных станциях. Стоимость
производства одного литра биотоплива (без стоимости сырья) в 2000 г. была
приблизительно равна 0,15–0,20 ДМ, а стоимость 1л биотоплива в настоящее
время примерно равна 1,0 Еurо. Отпускаемое на АЭС в Германии биодизельное топливо, называемое «Вio-Diеsеl», представляет собой смесь 95% дизельного топлива и 5% метилового эфира рапсового масла. На состоявшейся
в ноябре 2005 г. в Магдебурге международной конференции представитель
концерна Dimlеr Сhryslеr сообщил, что все автомобили, выпускаемые концерном, подготовлены к работе на топливах, содержащих 10% биотоплива.
В Австрии биодизельное топливо уже сейчас составляет 3% общего рынка
дизельного топлива при наличии производственных мощностей его производства до 30 тыс. т в год. В Бельгии эти мощности составляют 400 тыс. т/г.,
в Германии – 203 тыс. т/г., в Италии – 441 тыс. т/г., во Франции – 370 тыс. т/г.
В целом, согласно предписанию ЕС – 25 потребление биодизельного топлива
36
в транспортном секторе Европы в 2005 г. составило 3,2 млн. т, а в 2010 г. –
должно достичь 10,2 млн. т в год.
США является ведущей страной, производящей соевое масло. В 1990-х
годах на рынок США стало поступать биодизельное топливо, производимое
из возобновляемых ресурсов. Три завода фирмы Рrосtor аnd Gаmbl производят биодизельное топливо из соевого масла после экстракции из него глицерина, идущего на производство мыла и растворителей. Университет штата
Миссури провел опрос 1500 водителей, которые не отметили ухудшения технических характеристик дизелей (повышения износов и увеличения расхода
топлива), работающих на этом виде топлива. В ближайшей перспективе в
США планируется на 20% заменить обычное дизельное топливо биодизельным топливом и использовать его на морских судах, городских автобусах и
грузовых автомобилях.
Другой страной, в которой в промышленных масштабах для производства
моторных топлив используются растительные масла, является Малайзия.
Причем, для получения метилового эфира используется пальмовое масло.
Этот эфир применяют в качестве топлива для городских автобусов МеrсеdesВеnz.
3.6. Организация рационального перевозочного процесса
и движения автомобиля
Работа в этом направлении должна обеспечивать снижение токсичных
веществ на единицу автотранспортной работы или перевозку одного пассажира.
Она включает:
режимы и организацию дорожного движения;
повышение профессионального мастерства водителей;
увеличение коэффициента использования грузоподъемности автотранспортных средств;
повышение уровня эффективности использования индивидуальных автомобилей.
Выброс токсичных веществ на единицу транспортной работы, грузовыми
автомобилями средней грузоподъемности с карбюраторными ДВС составляет:
СО
СхНу
NOx
10,1 г/(т км)
1,1 г/(т км)
1,6 г/(т км)
увелич. на 30–40%
на 20–30%
на 15–18%
Основными причинами повышенного содержания токсичных веществ в
ОГ эксплуатирующихся автомобилей являются нарушения состава горючей
смеси на основных эксплуатационных режимах.
Анализ транспортного процесса городов показывает, что при работе двигателя на холостом ходу степень концентрации СО превышает в 2 раза, а на
режимах принудительного холостого хода в 1,5–2 раза выбросов ВВ на уста37
новившихся режимах. Вследствие этого в центре города, где часты остановки
и меняется скорость движения автомобиля степень концентрации СО в 3–4
раза больше, чем на скоростных автомобильных магистралях. На магистралях
при движении автомобиля на повышенной скорости увеличивается в 1,5 раза
концентрация NOx, но при этом в 1,7–1,85 раз снижается выброс непредельных углеводородов.
Применение антитоксичных устройств и обедненной регулировки карбюратора позволяет уменьшить выброс токсичных веществ на единицу пути
(г/км) – СО в 2 раза, СхНу – в 1,5 раза, NOx – в 2,5 раза.
При прочих равных условиях увеличение числа магистралей скоростного
движения обеспечивает значительное снижение СО и СхНу, но увеличивает
содержание NOx в атмосфере на 20–30%.
Конструктивные особенности самих магистралей также оказывают влияние на выброс ТВ, так наличие участков с небольшим уклоном увеличивает
выброс СО на 15–25%, а СхНу на 10–20%.
Неоптимальная организация перевозок грузов и пассажиров увеличивает
удельный выброс вредных веществ на единицу транспортной работы или перевозку пассажира.
Для решения проблемы рациональной организации движения (безостановочного) предусматривают строительство подземных или надземных пешеходных переходов и тоннелей.
Выброс ВВ зависит от массы автомобиля, поэтому ведущие зарубежные
фирмы идут по пути совершенствования конструкции автомобиля и снижения массы до 20%.
Организация дорожного движения. Каждый автомобиль движется в
транспортном потоке, поэтому суммируются выбросы токсичных веществ от
движения каждого автомобиля со средней скоростью между двумя перекрестками. Повышение эффективности движения с 400 до 1200 авт/ч увеличивает практически в 3 раза содержание СО в атмосфере.
Установившиеся режимы – режимы, на которых двигатель в эксплуатации
работает до 80% времени. В условиях частичных нагрузок карбюратор регулируется на богатую горючую смесь с α=0,95–1,15.
Холостой ход – режим работы ДВС, который сопровождается максимальным выбросом СО. Наиболее эффективным средством на этом режиме является обеднение смеси (α=1,0 и более), но из-за пропусков воспламенения регулируется система холостого хода на более богатую смесь, которая необходима для трогания с места и прогрева двигателя.
Режим замедления двигателем. С точки зрения токсичности этот режим
является более предпочтительным, чем торможение автомобиля с помощью
рабочей тормозной системы, так как при торможении рабочими тормозными
механизмами водитель автомобиля, как правило, выжимает педаль сцепления
или выключает передачу. Это приводит к переходу двигателя автомобиля в
режим холостого хода, который является одним из самых неблагоприятных
режимов работы с точки зрения токсичности.
38
Режим разгона. Горючая смесь при этом обедняется. В этом случае токсичность ОГ зависит от характеристик ускорительного насоса.
Минимально возможный выброс ТВ на этих режимах определяется надежной и правильной работой системы экономайзера.
Оптимальное уменьшение подачи ускорительного насоса карбюратора,
допускается до 3–4 см3 за 10 полных ходов поршня в период разгона, при
этом содержание СО уменьшается в 2,5 раза, а СхНу – в 2,7 раза, топливная
экономичность при этом повышается до 1%.
3.7. Техническое состояние автомобиля и качество
технического обслуживания
При длительной эксплуатации автомобиля настройки двигателя и его систем нарушаются и проводят к повышенному содержанию токсичных продуктов СО и СхНу в ОГ.
Это вызывается следующими основными причинами:
изменением технического состояния и регулировочных параметров карбюратора;
нарушением регулировочных параметров системы зажигания;
износом цилиндропоршневой группы и газораспределительного механизма;
изменением технического состояния воздушного фильтра.
Система холостого хода уже при наработке 8 тыс. км значительно меняет
свои первоначальные регулировочные параметры. Наиболее распространенным дефектом холостого хода является переобогащение горючей смеси, что
увеличивает выбросы СО на 35–40%, СхНу – на 30–35% на единицу пути.
Согласно статистике, применение своевременных и качественных ТО и
ТР обеспечивает снижение СО и СхНу при работе двигателя на холостом ходу
приблизительно на 20%, а дополнительно на погрузочных режимах соответственно на 45–50%. Одновременно с этим снижается расход топлива на 5–
6%.
Основным способом правильной эксплуатации являются периодическая
проверка и регулировка карбюраторов на специальном динамометрическом
стенде или на вакуумной установке.
Правильная регулировка карбюратора обеспечивает работу двигателя без
провалов при резком открытии дроссельной заслонки, а при сбросе нагрузки
двигатель не должен глохнуть. Концентрация СО при этом находится в пределах норм, регламентируемых ГОСТом.
Оборудование карбюраторного участка включает посты: наружной мойки
агрегатов систем питания, текущего ремонта карбюратора и отдельно бензиновых насосов, воздухоочистителей и трубопроводов, а также приборы для
проверки бензиновых насосов непосредственно на автомобиле, газоанализатор для проверки токсических компонентов в ОГ.
39
Участок для обслуживания и ремонта топливной аппаратуры систем питания дизельных двигателей имеет посты текущего ремонта форсунок, топливных насосов низкого давления, насосов высокого давления, топливопроводов высокого давления.
Оценку соответствия регулировки системы питания и зажигания нормативным критериям осуществляют только с помощью инструментальных методов на специально оборудованных для этих целей постах.
Пост должен быть оборудован минимумом инструментов: газоанализатором, электронным тахометром, и мотор-тестером для проверки систем зажигания. На этом посту проводят контрольные и регулировочные работы по
системам питания и зажигания. Результаты проверок на СО заносятся в карточку учета автомобиля. Контроль личных автомобилей требуется проводить
не менее 2 раз в году.
Средний выброс токсичных веществ СО и СхНу у автомобилей с неисправным или неотрегулированным двигателем и его системами в 2–3 раза
больше, чем при технически исправном его состоянии.
4. Экологическое право и ответственность
за экологические правонарушения
Экологическое право регулирует экологические отношения в сфере взаимодействия общества и природы в интересах настоящего и будущего поколений людей.
Экологическое право – это совокупность норм, регулирующих общественные отношения в сфере взаимодействия общества и природы в интересах
сохранения и рационального использования окружающей природной среды
для настоящих и будущих поколений людей.
4.1. Две формы взаимодействия общества и природы
Человек и природа находятся постоянно во взаимосвязи друг с другом:
потребление природы человеком, использование природы для удовлетворения человеком своих материальных и духовных потребностей называется
экономической формой взаимодействия;
охрана окружающей природной среды с целью сохранения человека как
биологического и социального организма, и его естественной среды обитания
называется экологической формой.
Человеческая деятельность оказывает существенное влияние на окружающую среду, подвергая ее изменениям.
За всю историю цивилизации было вырублено 2/3 лесов, уничтожено более 1,4 млн. видов животных и растений, на 10 миллиардов тонн уменьшились запасы кислорода, деградировано около 200 млн. га земель в результате
нерационального ведения хозяйства.
40
Ежедневно в результате нерациональной деятельности человека 44 гектара земель обращается в пустыню, в минуту уничтожается свыше 20 га лесов,
в ближайшие 20–30 лет грозит исчезновение более 1/4 всех биологических
видов животных и растений.
Негативная деятельность человека по отношению к природной среде проявляется в 3-х формах: загрязнение окружающей среды, истощение природных ресурсов, разрушение природной среды.
4.2. Загрязнение окружающей среды
Загрязнением считается физико-химическое изменение состава природного вещества (воздуха, воды, почвы).
Источником загрязнения является хозяйственная деятельность человека
(промышленность, сельское хозяйство, транспорт). В городах наибольший
удельный вес загрязнения дает транспорт, доля которого в загрязнении составляет уже 60–70%. Ежегодно в атмосферу выбрасывается транспортными
средствами около 1,4 млн. т угарного газа, оксидов азота, серы и других
вредных веществ, и только 10% этих веществ поглощается растениями. Ежегодно на одного жителя земли приходится свыше 20 т отходов.
Изобилие загрязняющих веществ в атмосфере ведет к нарушению озонового слоя, над плотнонаселенными районами его толщина уменьшилась на
3%, а сокращение озонового слоя на 1% ведет к росту заболеваемости раком
кожи на 6%.
Между человеком и природой существует диалектическая взаимосвязь,
между мерами по охране природы и состоянием не только здоровья, но и
нравственности человека. Например, был проведен эксперимент с крысами,
которые в экологически чистой среде пили чистую воду, а в среде, загрязненной углекислым газом, пили раствор воды со спиртом, выбирая его вместо
воды. Это навело исследователей на мысль об увеличении тяги людей к алкоголизму, наркомании и другим социально вредным привычкам в крупных городах с большим загрязнением.
4.3. Разрушение природной среды и экологический кризис
Под экологическим кризисом понимается та стадия взаимодействия между обществом и природой, на которой до предела обостряются противоречия
между экономикой и экологией, экономическими интересами общества в потреблении и использовании природной среды и экологическими требованиями охраны окружающей среды.
Экологический кризис подразделяется на 2 части: естественную и социальную. Естественная часть свидетельствует о наступлении деградации, т.е.
разрушении окружающей среды. Социальная сторона экологического кризиса заключается в неспособности государственных и общественных структур
остановить деградацию окружающей среды и оздоровить ее.
41
Российская Федерация (РФ) занимает 17 млн. км2. На территории которой
проживает свыше 150 млн. человек.
На территории России располагается более 24 тысяч предприятий, загрязняющих и разрушающих окружающую природную среду, не укладывающихся в установленные или допустимые нормативы выбросов вредных веществ.
Ежедневно в России улавливается и обезвреживается только 70% от общего количества выбрасываемых веществ.
Приблизительно 82% сбрасываемых сточных вод не подвергается очистке. Такие реки, как Волга, Дон, Обь, Енисей, Лена, Амур, Кубань, Печора загрязнены органическими веществами, соединениями азота, тяжелыми металлами, фенолом, нефтепродуктами.
Продолжается уменьшение площадей сельскохозяйственных угодий: за 50
лет вышло из строя свыше 1 миллиона га пахотных земель, нуждаются в восстановлении 1,5 млн. га земель.
Большой урон территории России нанесли ядерные испытания, а также
аварии на Чернобыльской АЭС и на комбинате «Маяк» в Челябинской области.
Растет загрязнение земель пестицидами и нитратами: шестая часть всей
производимой продукции содержит их больше нормы.
Более 20% территории России находится в критическом экологическом
состоянии, более 70 млн. людей дышат воздухом, насыщенным опасными для
здоровья веществами, в 5 раз и более превышающими предельно допустимые
нормы.
Сокращается рождаемость и увеличивается смертность населения: средняя продолжительность жизни в нашей стране 69,5 лет что на 8–10 лет меньше, чем в 44 капиталистических странах. Каждый десятый ребенок рождается
генетически неполноценным, у 45% призывников выявлены нарушения психики, более 50% населения имеет ослабленное здоровье, 50 млн. человек относятся к числу хронически больных либо физически неполноценных.
Основной причиной возникновения экологического кризиса в России к
началу распада СССР стало то, что существовала монополия государственной собственности на природные ресурсы, средства производства, исключающие какие-либо экономические стимулы в охране окружающей среды. В
одном своем лице государство одновременно осуществляло эксплуатацию
природных ресурсов, государственный контроль над охраной природы, меры
уголовной, административной, гражданской ответственности за нарушение
экологических требований, что привело к преобладанию экономических потребностей над требованиями экологии, отсутствие выделения бюджетных
средств на природоохранные мероприятия.
Существует пять направлений, по которым Россия может выйти из экологического кризиса:
первое – технологическое направление, т.е. создание экологически чистых
технологий, внедрение безотходных и малоотходных производств;
42
второе – развитие и совершенствование экономического механизма охраны окружающей среды, путем внедрения платежей за выбросы вредных веществ, внедрения налоговых льгот, за выпуск экологически чистой продукции и др;
третье – применение мер административного пресечения и мер юридической ответственности за правонарушения, т.е. приостановление, прекращение
деятельности предприятий, нарушающих природоохранные законы, привлечение к административной, гражданской и уголовной ответственности за нарушение законов и причинения вреда природной среде;
четвертое – гармонизация экологической структуры или экологопросветительное направление, предусматривающее расширение и углубление
системы экологического образования, просвещения, воспитания, т.е. экологическую революцию мышления человека;
пятое – гармонизация экологических международных отношений (международно-правовое направление).
4.4. Принципы и законы охраны окружающей среды
Принципы сформулированы в Законе РФ об охране окружающей природной среды, действующем с 1 января 1992 г.
Основными принципами охраны являются:
приоритет охраны жизни и здоровья;
научно обоснованное сочетание экологических и экономических интересов;
рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов;
законность и неотвратимость наступления ответственности за экологические правонарушения;
гласность в работе экологических организаций и тесная связь их с общественными объединениями и населением в решении природоохранительных
задач;
международное сотрудничество в сфере охраны окружающей природной
среды.
Система экологического законодательства включает:
Конституцию (основной закон) РФ, принятую в результате всенародного
голосования 12 декабря 1993 г. (ст.9 ч.1; ст.42; ст.9 ч.2; ст.71; ст.72)
Закон «Об охране окружающей природной среды», принятый Верховным
Советом РСФСР 19 декабря 1991 г. Закон преследует следующие задачи: сохранение природной среды, предупреждение и устранение вредного влияния
хозяйственной деятельности на природу и здоровье человека, оздоровление и
улучшение качества природной среды.
Закон РСФСР «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения», принятый 30 марта 1999 г., регулирующий санитарные отношения, связанные с охраной здоровья от неблагоприятного воздействия внешней среды,
производственной, бытовой, природной.
43
Основы законодательства РФ об охране здоровья, принятые Верховным
Советом РФ в августе 1993 г., определяют право граждан требовать назначения медицинской экспертизы для определения степени вреда, причиненного
окружающей средой.
Основными объектами экологического права являются: вода, лес, животный мир, атмосферный воздух, почва.
Вода – определяется как ограниченный природный ресурс, сохраняющийся в подземных и поверхностных источниках и входящий в состав водного
фонда.
Лес – совокупность древесной, кустарниковой, травянистой растительности, произрастающей на землях лесного фонда.
Животный мир – единый объект, объединяющий все живые организмы от
низших форм до высших.
Атмосферный воздух – та окружающая нас естественная среда, которую
мы охраняем, и которая выступает посредником между природной средой и
человеком, включая озоновый слой.
Почва – твердая поверхностная часть земли, на которой человек осуществляет свою бытовую и хозяйственную деятельность и которая входит в земельный фонд РФ.
4.5. Объекты международно-правовой охраны окружающей среды
Под объектами международно-правовой охраны подразумеваются: космос, воздушный бассейн, мировой океан, Антарктида, мигрирующие виды
животных.
Воздушный бассейн – охватывает всю атмосферу земли, так как в силу
своей постоянной циркуляции атмосферный воздух не может быть чисто национальным достоянием. Международная охрана воздушного бассейна развивается по 4 направлениям:
первое – предотвращение вредного воздействия на природу и климат;
второе – предупреждение и устранение трансграничного переноса загрязнителей атмосферы;
третье – охрана озонового слоя от разрушения;
четвертое – развитие международного сотрудничества в области совершенствования средств очистки и контроля.
Исследования показали, что концентрация озонового слоя над северным
полушарием стала на 10–15% меньше нормальной и рассматривается как рекордно низкая величина за последние 15 лет.
Космос – достояние человечества. В международных документах по космосу отмечается: недопустимость национального присвоения частей космического пространства; использование космического пространства в исключительно мирных целях; недопустимость вредного воздействия на космос и загрязнения космического пространства.
44
В настоящее время в околоземном пространстве находится около 3,5 млн.
различного космического мусора, состоящего из прекративших свое существование космических установок. Если сейчас не принять меры по очистке
космоса от мусора, то через 20–30 лет, космические полеты будут невозможны.
Мировой океан – совокупность морей и океанов планеты. Мировой океан
занимает 71% территории земного шара, сосредотачивает в себе 96% по объему воды, оказывает решающее влияние на формирование климата и атмосферы земли. Мировой океан – источник биологических, минеральных, энергетических ресурсов.
Источниками загрязнения мирового океана служат: промышленные, сельскохозяйственные, бытовые и иные отходы, поступающие через стоки рек;
слив нефтяных и других отходов с судов; аварии нефтяных танкеров, отходы
испытаний ядерного оружия, захоронение радиоактивных, химических, биологических материалов.
Мигрирующие виды животных и птиц, живущие летом и зимой в разных
странах.
Красная книга – международная книга, куда заносятся редкие и исчезающие виды животных и растений.
Антарктида – принципы охраны и использования южного материка регулируются международным договором об Антарктиде. Его основные положения: свобода научных исследований, запрет мероприятий военного характера,
охрана живых ресурсов.
4.6. Экологический мониторинг
Длительное время человек в различных странах с различной степенью
точности изучает естественные изменения окружающей среды, характеризующие состояние биосферы, например, ее климатические характеристики в
любом районе земного шара, природный состав различных сред, круговорот
воды, углерода и др. веществ и.т.д. Существенные изменения происходят
лишь в течение очень длительного времени (тысяч, сотен тысяч, миллионов
лет).
В отличие от изменений биосферы, вызываемых естественными причинами, ее изменение под воздействием антропогенных факторов могут происходить весьма быстро.
Естественные изменения состояния окружающей природной среды, изучаются такими географическими службами, как гидрометеорологическая,
сейсмическая, ионосферная, гравиметрическая и т.д.
Специальная система наблюдения изменения состояния биосферы под
влиянием человеческой деятельности в реальном времени и пространстве называется экологическим мониторингом. Система мониторинга базируется на
разработанных заранее специальных программах, на создании и разработке
45
специальных современных систем наблюдения и контроля, на использовании
имеющегося опыта и систем наблюдательных станций.
Мониторинг включает следующие основные направления деятельности:
наблюдение за факторами, воздействующими на окружающую природную
среду и ее состояние;
оценка фактического состояния окружающей среды;
прогноз состояния окружающей природной среды;
оценка прогнозирующего состояния окружающей природной среды.
Мониторинг – это система наблюдений, оценки и прогноза. Мониторинг
не включает качественного управления состоянием природной среды. Мониторинг носит местный (локальный), национальный (в рамках государства) и
глобальный (в пределах земного шара) характер.
На территории всей планеты системы контроля над состоянием природной среды, развиваются чрезвычайно интенсивно. В США функционирует
5290 станций местного контроля и 490 общенациональных станций мониторинга; в Японии – 1532 наземные станции; во Франции – 120 станций и 2000
приборов.
В России созданы:
государственная служба наблюдений за состоянием окружающей природной среды (ГСН), функционирование которой обеспечивается органами гидрометеорологической, геологической и санитарно-эпидемиологической
служб, соответствующими организациями в области управления водным,
лесным и рыбным хозяйствами, недрами, а также службы наблюдений отраслевых министерств;
единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ),
которая обеспечивает наблюдение за биотической составляющей природной
среды (растительного и животного мира, состояний экосистем), а также источников антропогенных воздействий.
Россия входит в глобальную систему мониторинга окружающей среды
(ГСМОС), активно участвует в работе Международной организации стандартизации (ИСО) в области охраны природной среды.
4.7. Виды загрязнителей воды, леса, почвы, атмосферного воздуха
Отходы
Отходами являются непригодные для производства продукции или утратившие свои потребительские свойства виды сырья, его неупотребимые остатки, изделия, продукты, или возникающие в ходе технологических процессов, твердые, жидкие, пасто-, газо- и парообразные вещества и энергии, способные вызвать поражение (заболевания, гибель) лесов и растительности.
Они подразделяются на токсичные и нетоксичные. Класс токсичности отходов определяется в соответствии с Временным классификатором токсичных
промышленных отходов и методическими рекомендациями по определению
класса токсичности промышленных отходов. Порядок обращения с промыш46
ленными отходами регламентируется многочисленными нормативными правовыми актами.
Химические вещества
Химическими веществами являются все органические и неорганические
химические вещества, а также соединения или продукты, содержащие такие
вещества, которые при внесении их в окружающую среду могут посредством
химических или физико-химических процессов причинить вред состоянию и
воспроизводству растительного и животного мира.
По степени опасности химические вещества разделяются на 4 класса:
чрезвычайно опасные, высоко опасные, умеренно опасные, мало опасные
(ГОСТ 12.1.007–76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования
безопасности»).
Российское законодательство регламентирует показатели вредного воздействия химических веществ, устанавливает порядок обращения с ними
(Положения о государственной регистрации потенциально опасных химических и биологических веществ от 12 ноября 1992 г.).
Биологические вещества и отходы
Представляют собой микроорганизмы и сложные соединения белковой
природы бактериального растительного или животного происхождения, способные при попадании (контакте) с растениями и животными вызывать их
заболевания или гибель. Носят название патогенов.
Они могут содержаться, как в промышленных, сельскохозяйственных
(животноводческих ферм, птицефабрик и т.д.), так и в коммунально-бытовых
отходах. Обращение с патогенами, опасными для растений и животных (вирусами, бактериями, микроскопическими грибами и генетически измененными микроорганизмами), регулируется санитарными правилами, Указом президента РФ «О контроле за экспортом из России возбудителей заболеваний
(патогенов) человека, животных и растений, их генетически измененных
форм, фрагментов генетического материала и оборудования, которые могут
быть применены при создании бактериологического оборудования и токсичного оружия» от 14 июля 1999 г, соответствующим списком законов (СЗ РФ,
1994 г. №8 ст. 809), Федеральным законом «О государственном регулировании в области генно-инженерной деятельности» от 5 июля 1996 г. (СЗ РФ,
1996, №28 ст. 3348) и др.
Биологические и химические средства
К ним относятся средства защиты растений, регуляторы роста сельскохозяйственных растений и лесных насаждений (пестициды), фармацевтические
препараты, вещества, оказывающие разрушительное воздействие на озоновый слой, также регулируются специальными правилами, так как используются распыливанием в воздухе специальными летательными аппаратами.
Сточные воды
Это использованные в промышленном производстве (в том числе для разбавления отходов) или для нужд коммунально-бытового хозяйства воды и
получившие в результате такого использования дополнительные примеси,
47
изменившие их химический или биологический состав, температурный режим и иные свойства, сбрасываемые (сливаемые) в водные объекты, карьеры,
овраги, на почву земли лесного фонда. Источниками сточных вод являются
также стоки с территории населенных пунктов. Сточные воды подвергаются
различной степени очистки, либо сбрасываются неочищенными.
Отбросы
Это разновидность отходов, не подлежащих утилизации.
Выбросы
Это поступление средств из источника в атмосферу (ГОСТ 17.2.1. 04–77
«Охрана природы. Атмосфера. Метеорологические аспекты загрязнения и
промышленные выбросы. Основные термины и определения»).
Нормативы ПДВ устанавливаются с учетом производственных мощностей
объектов, данных о наличии мутагенного эффекта, и иных вредных последствий по каждому источнику загрязнения, согласно действующим нормативам
ПДК вредных веществ в окружающей среде. ПДК рассчитываются, исходя из
количества вредного вещества, которое при постоянном воздействии, за определенный промежуток времени практически не влияет на качество окружающей среды и здоровье человека.
Размещение отходов и отбросов представляет собой устроительство несанкционированных свалок, вывоз отходов и сброс их на территории лесного
фонда, т.е. размещение на поверхности земли, занятой лесом, или на непокрытых лесом площадях.
4.8. Ответственность за экологические правонарушения
За экологические правонарушения, т.е. противоправные деяния, причиняющие вред окружающей среде и здоровью человека, должностные лица и
граждане несут дисциплинарную, гражданскую, административную и уголовную ответственность.
Дисциплинарная ответственность
В экологической области используется дисциплинарная ответственность
2-х видов: превентивного характера и дисциплинарного вида. Превентивный
характер обладает свойствами быстроты и оперативности наложения взыскания, легко доходят до сознания и воздействуют на волю участников общественных отношений. Превентивный характер заключается в том, что человека
при совершении правонарушения должно останавливать сознание содеянного, т.е. объем определенных конкретных знаний.
Дисциплинарная ответственность определяется уставными документами и
целым рядом специальных правил и норм, указанных в действующем Трудовом кодексе.
Гражданско-правовая ответственность
Заключается в возложении на правонарушителя обязанность возместить
потерпевшей стороне имущественный вред в натуре (реальное возмещение)
или в денежной форме (убытки).
48
Для исчисления убытков используется таксовый метод. Главная функция
таксового метода – компенсация причиненного вреда.
Таксовая или имущественная ответственность возникает в случаях уничтожения или порчи объектов природы. Она может носить как договорной, так
и не договорной характер.
Договорный характер – это когда нарушаются принятые ранее какие-либо
обязательства, связанные с использованием природы и ее ресурсов.
Недоговорной – это случайное или умышленное нанесение вреда, но незапланированное заранее.
Суммы нанесения вреда должны взыскиваться за счет его причинителя,
т.е. виновного лица, и расходоваться на ликвидацию вредных последствий
экологических правонарушений. При этом должны удовлетворяться интересы не только потерпевшего природопользователя, но и собственника, в лице
государства, общества в целом, юридического или физического лица.
Споры, связанные с загрязнением окружающей среды рассматриваются
судами и арбитражными судами. В их компетенции разрешение исков о причинении организациями и предприятиями ущерба рыбному, земельному и
лесному хозяйствам, гибели наземных животных, загрязнении водоемов хозяйственно-бытовыми отходами и т.д.
Повышение роли гражданско–правовой ответственности и ее неотвратимости за причинение вреда окружающей среде растет с развитием хозрасчета,
самоокупаемости и самофинансирования предприятий и организаций.
Экологический ущерб от загрязнения природы по оценке институтов Академии наук превышает триллионы рублей в год, а фактическое возмещение
его физическими лицами осуществляется пока неудовлетворительно.
Возмещение вреда, причиненного экологическими правонарушениями.
Предприятия, организации, деятельность которых связана с повышенной
опасностью для окружающей природной среды, обязаны возместить причиненный ими вред природной среде и здоровью человека в соответствии со
статьей 454 Гражданского кодекса.
Возмещение вреда причиненного здоровью граждан в результате неблагоприятного воздействия окружающей среды, вызванного деятельностью предприятий, организаций и отдельных граждан подлежит возмещению в полном
объеме.
При определении величины вреда здоровью граждан учитываются: степень утраты трудоспособности, необходимые затраты на лечение и восстановление здоровья, затраты на уход за больным, а также упущенные профессиональные возможности, затраты, связанные с необходимостью изменения
места жительства и образа жизни, профессиональные потери, связанные с
моральными травмами, невозможностью иметь детей или риском рождения
детей с врожденной патологией.
Возмещение вреда здоровью граждан производится на основании решения
суда по иску потерпевшего, членов его семьи, прокурора или уполномочен-
49
ного государственного или общественного органа. Сумма денежных средств
за причиненный вред здоровью граждан взыскивается с причинителя вреда.
Административная ответственность
Административная ответственность предусмотрена законодательством за
административное правонарушение или проступок согласно Кодексу об административных правонарушениях, где в главе 8 определены административные правонарушения в области охраны окружающей природной среды и
природопользования.
Правонарушение (проступок) – это посягательства на государственный
или общественный порядок, установленные соответствующими законами.
Административное правонарушение может быть совершено умышленно
или по неосторожности.
Административной ответственности подлежат лица, достигшие 16летнего возраста.
Административная ответственность должностных лиц – должностные лица подлежат ответственности за административные правонарушения, связанные с несоблюдением правил, установленных в сфере государственного или
общественного порядка, природы, здоровья населения и др. правил.
До 90% всех выявленных нарушений природоохранного законодательства
наказывается в административном порядке в виде административного штрафа. Однако для обеспечения экологической безопасности административных
санкций недостаточно.
Уголовная ответственность
Установлена уголовным кодексом РФ вступившим в действие с 1 января
1997 г. Применяется только судом при совершении экологического преступления.
Экологические преступления – это совершение экологических общественно опасных деяний, совершенных умышленно или по небрежности, и повлекшие за собой крупный экологический ущерб окружающей природной
среде.
Признаются преступлениями: уничтожение лесных массивов; нарушение
ветеринарных правил, повлекшее за собой распространение болезней скота
(эпизоотий); нарушение правил установленных для борьбы с вредителями и
болезнями растений; незаконное занятие различного рода промыслами; загрязнение водоемов и воздуха в особо крупных размерах; загрязнение моря
вредными для здоровья людей и живых ресурсов отходами и материалами.
Уголовная ответственность за экологические преступления определяется
главой 26 УК РФ, от 1 января 1997 г., где виды уголовных наказаний назначаются судом.
Ответственность за экологические правонарушения в области транспорта
и транспортных услуг наступает при контроле экологического состояния
подвижного состава предприятий и организаций транспорта, контроле международных автомобильных перевозок в пунктах пропуска через государственную границу транспортных средств с целью соблюдения требований меж50
дународных договоров РФ, при лицензировании деятельности по пассажирским перевозкам, при техосмотре транспортных средств, при строительстве и
содержании автодорог, при реализации нефтепродуктов и оперативном контроле их качества.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Система транспортной безопасности должна предусматривать совокупность действий, минимизирующих угрозу существования живым организмам
и оберегать человечество от катастроф, обусловленных экологически «неразумной» эксплуатацией объектов транспортной инфраструктуры.
Значение транспортных коммуникаций с точки зрения экологических требований заключается в неразрывности глобальной системы транспортной
безопасности.
Динамичное ухудшение экологической обстановки во многих городах и
промышленных центрах России в условиях перехода к рыночным отношениям и сокращения общего промышленного производства связано именно с
эксплуатацией транспорта, имеющего на вооружении, в основном, устаревший и крайне изношенный подвижной состав отечественного или зарубежного происхождения.
В России не существует законодательства, специально регулирующего
воздействие транспортных коридоров, равно как и всех элементов их инфраструктуры, обеспечивающих перевозки и передислокации автомобильным и
другими видами транспорта.
Нормативы, устанавливаемые отечественными стандартами, заметно отстали от современных международных требований, что является основным
препятствием реализации современных интермодальных транспортных коридоров.
В федеральных законах «Об охране атмосферного воздуха» и «О безопасности» рассматриваются отдельные направления обеспечения экологической
безопасности автомобильного транспорта, но не определен ряд важнейших
положений, связанных с производством и эксплуатацией автотранспортных
средств, производством и реализацией моторных топлив, обеспечением экологической безопасности транспортных потоков, организацией экологического контроля на автомобильном транспорте.
Транспортный комплекс России по целому ряду важнейших экологических параметров не соответствует нормам международных перевозочных
процессов и требует безотлагательной модернизации.
Наиболее эффективное решение вопросов оценки и снижения негативной
нагрузки транспортных средств на окружающую природную среду возможно
только в рамках создания единых транспортных сетей, что позволит, исходя
из экологической транспортной безопасности, сформулировать экологические требования для транспортных средств разного типа и разработать комплексную нормативно-методическую базу по охране атмосферного воздуха,
51
почвы, лесных массивов, водоемов, находящихся в непосредственной близости с предприятиями транспорта, автомобильными дорогами и метами скопления автомобилей.
52
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Павлова, Е.И. Экология транспорта: учебник для вузов / Е.И. Павлова. –
М.: Высшая школа, 2006. – 344 с.
2. Луканин, В.Н. Промышленно-транспортная экология: учебник для вузов / В.Н. Луканин, Ю.В. Трофименко / под ред. В.Н. Луканина. – М.: Высшая школа, 2003. – 273 с.
3. Гусев, Р.К. Экологическое право: учебное пособие / Р.К. Гусев –
М.:ИНФРА – М, 2001. – 288 с.
4. Автотранспортные потоки и окружающая среда: учебное пособие для
вузов / В.Н. Луканин, А.П. Буслаев, Ю.В. Трофименко, М.В. Яшина; / под
ред. В.Н. Луканина. – М.: ИНФРА – М, 1998. – 408 с.
5. Экология и природоохранная деятельность на транспорте: темат. сб.
нормативно-справочных материалов. – М.: 1995. – 356 с.
6. Ложкин, В.Н. Загрязнение атмосферы автомобильным транспортом:
справ.-метод. пособие / В.Н. Ложкин. – СПб.: НПК «Атмосфера», 2001. – 297
с.
7. Веденин, Н.Н. Экологическое право. Московская государственная юридическая академия / Н.Н. Веденин. – М.: Проспект, 2008. – 336 с.
53