АВТОТРАНСПОРТ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
Проблема охраны окружающей среды является одной из наиболее актуальных, поскольку от ее решения зависят жизнь на Земле, здоровье и благосостояние человека. Эта проблема обострилась в XX в., когда интенсивное развитие промышленности и транспорта, а также несовершенство технологических процессов привели к загрязнению атмосферы, воды и почвы. Ежегодно мировое хозяйство выбрасывает в атмосферу 350 млн. т окиси углерода, более 50 млн. т различных углеводородов, 150 млн. т двуокиси серы. В атмосфере накапливается углекислый газ, уменьшается количество кислорода.
Первым виновником порчи атмосферного воздуха является детище научно-технического прогресса - автомобиль. Поглощая столь необходимый для жизни кислород, он интенсивно “обогащает” воздушную среду токсичными компонентами, наносящими вред всему живому и неживому/
Угарный газ и окислы азота, выделяемые из глушителя автомобиля, выступают причинами головных болей, усталости, немотивированного раздражения, низкой трудоспособности. Сернистый газ воздействует на святая святых — генетический аппарат, способствуя бесплодию и врожденным уродствам. Все эти факторы ведут к стрессам, нервным проявлениям, стремлению к уединению, безразличию к самым близким людям. В больших городах широко распространены заболевания органов кровообращения и дыхания, инфаркты, гипертония и новообразования. “Вклад” автомобильного транспорта в атмосферу составляет 90% по окиси углерода и 70% по окиси азота. Автомобиль добавляет в почву и воздух тяжелые металлы, другие вредные вещества,
В результате сжигания жидкого топлива в воздух ежегодно выбрасывается, по разным оценкам, от 180 тыс. до 260 тыс. т свинцовых частиц, что в 60—130 раз превосходит естественное поступление свинца в атмосферу при вулканических извержениях (2—3 тыс. т/год). /В некоторых крупных американских, европейских и японских городах, переполненных автомобилями, содержание свинца в атмосфере уже достигло опасной для здоровья человека концентрации или приближается к ней. При вдыхании городского воздуха крупные свинцовые аэрозоли задерживаются в бронхах и носоглотке, а те, что имеют диаметр менее 1 мк (их примерно 70— 80%), попадают в легкие, а затем проникают в капилляры и, соединяясь с эритроцитами, отравляют кровь. Причем известно, что “свинцовый воздух” вреднее “свинцовой воды”. Признаки свинцового отравления - анемия, постоянные головные боли, мышечная боль - проявляются при содержании в крови свинца 80 мкг/100 мл. Это опасный рубеж, начало болезни.
У Токсичные вещества нарушают и рост растений, способствуя снижению урожаев, потерям в животноводстве, постепенной гибели деревьев.' В растениях может аккумулироваться значительное количество свинца.
^ Необходимы широкомасштабные и комплексные меры по предотвращению, нейтрализации или хотя бы существенному сокращению тех негативных последствий, которые порождаются автомобилизацией общества.)/
На рисунке приведена схема экологической безопасности автомобиля в зависимости от его эксплуатационных параметров.
Как показали многочисленные эксперименты, концентрация токсичных газов, которые проникают в прилегающие к автодорогам здания, в 2—3 раза меньше в сравнении с их концентрацией снаружи. Токсичные вещества, содержащиеся в отработанных газах автомобильных двигателей, могут сохраняться в атмосфере в течение длительного времени и переноситься на значительные расстояния. Первичные загрязнители в атмосфере при соответствующих условиях могут взаимодействовать друг с другом, образуя новые токсичные вещества:
сульфаты, нитраты, кислоты, фотооксиданты и др. Атмосферный воздух следует рассматривать как вторичный реактор до образования вредных веществ, токсичность которых в некоторых случаях значительно превышает токсичность первичных компонентов.
^Ддя предупреждения загрязнения воздушного бассейна в нашей стране в законодательном порядке установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосфере)(Для каждого вещества, загрязняющего атмосферный воздух, установлены разовые и среднесуточные ПДК. Разовая ПДК устанавливается при кратковременном воздействии (до 20 мин) загрязнения, а среднесуточная — при постоянном, ПДК устанавливается на основе высокочувствительных методов анализа, позволяющих определить физиологические пределы приспособления организма; коэффициент запаса при этом изменяется от 2 до 100 в зависимости от токсичности конкретного элемента.
/^ Следует заметить, что ПДК разработаны только применительно к организму человека, хотя от загрязнения атмосферы страдает все живое. Предпринимаются попытки разработать новый показатель — предельно допустимую экологическую нагрузку (ЦДЭН) на окружающую среду, который позволит учитывать воздействия на любой живой организм.
У В настоящее время экологическая ситуация во многих регионах достигла крайней напряженности. Россия в этом плане не является исключением. Во многих крупных городах страны предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе превышены в 10 и более раз. Состояние большинства водных источников не отвечает установленным нормативам, идет опасное загрязнение подземных вод, растет объем токсичных промышленных отходов, основная часть которых вывозится на свалки бытовых отходов. Острой, особенно в городах, является проблема транспортного шума.
По экспертным оценкам, более чем в 150 городах России преобладающее влияние на загрязнение воздушного бассейна оказывает именно автотранспорт. В этот список попадают Сочи, Анапа, Ессентуки, Кисловодск, Нальчик, Пятигорск, Минеральные Воды и ряд крупнейших центров с населением
Пункт контроля выхлопов
более 500 тыс. человек: Москва, Санкт-Петербург, Ростов-на-Дону, Воронеж, Краснодар, Пенза, Тюмень и др.
Представляют интерес и объемные показатели выбросов автотранспортом вредных веществ. По различным субъектам Российской Федерации диапазон колебаний их величин достаточно широк: от 16 тыс. т/год до примерно 2 млн. т/год. Рекорд принадлежит Тюменской области, где выбросы составляют свыше 1 951,8 тыс. т.
Выбросы в объеме свыше полумиллиона тонн в год наблюдались в Краснодарском крае, Московской области, Башкортостане, Алтайском и Красноярском краях. Ростовской области и в самой Москве.
Результаты всероссийской операции “Чистый воздух”, ежегодно проводимой в крупных городах, показали, что из-за неисправностей или неправильных регулировок систем питания и зажигания ДВС экологическим нормам не соответствует 25—30% автомобилей, находящихся в эксплуатации, а показатель выбросов вредных веществ отечественных автомобилей в эксплуатации примерно в 2 раза выше аналогичного показателя в Германии. Неудовлетворительное техническое состояние подвижного состава и автодорог не способствует энергосбережению на автотранспорте и в конечном счете его экологической безопасности.
В России к 2000 г. ожидается увеличение выбросов вредных веществ автомобильным транспортом на 20%. Предполагается, что этот рост будет происходить за счет значительного увеличения парка легковых автомобилей и изменения структуры парка грузового транспорта.
Экологические стандарты являются важным элементом нормативной базы создаваемой в настоящее время системы сертификации автотранспорта. Действующие стандарты на токсичность и дымность отработанных газов предъявляют достаточно жесткие требования к экологическим параметрам автомобильной техники. К сожалению, из-за различия в методиках испытаний практически не представляется возможным сопоставить их со стандартами, действующими в других странах, в том числе с требованиями Правил № 15, 24, 49 ЕЭК ООН. В настоящее время практически решен вопрос о прямом применении в России международных экологических стандартов (соответствующих Правил ЕЭК ООН).
В системе эксплуатации автомобильного транспорта используются два стандарта. Первый устанавливает нормы предельно допустимого содержания окиси углерода (СО) и углеводородов (СН) в отработанных газах автомобилей с бензиновыми двигателями.
Второй стандарт регламентирует требования к автомобилям с дизельными двигателями. Он предусматривает проверку как новых, так и находящихся в эксплуатации автомобилей на дымность. Проверка осуществляется на стоящем автомобиле при работе двигателя на двух режимах: при ускорении и максимальной частоте вращения на холостом ходу.
Одним из наиболее опасных параметрических загрязнений окружающей среды является транспортный шум. Эта проблема находится в поле зрения специалистов автомобилестроения, эксплуатации автомобильного транспорта, организации дорожного движения, градопланировки и строительства:
60-80% шумов, настигающих человека в жилой застройке, создают транспортные потоки.
В таблице приводятся данные об источниках транспортного шума.
В общем случае ограничение загрязнения атмосферы автотранспортом сводится к:
1) совершенствованию двигателя автомобиля и его технического состояния;
2) рациональной организации перевозок и движения;
3) сокращению распространения загрязнения от источника к человеку.
Одно из основных мероприятий — совершенствование конструкции современного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием. Наибольшее влияние на токсичность отработанных газов оказывают изменения, вносимые в систему питания и зажигания ДВС, поскольку они определяют процесс воспламенения и сгорания рабочей смеси.
Работы ведутся в следующих направлениях:
- улучшение качества смесеобразования во впускной системе;
- улучшение распыления топлива в карбюраторе;
- применение регуляторов принудительного холостого хода;
- обеспечение равномерного распределения смеси по цилиндрам.
Применение нейтрализаторов позволяет снизить содержание вредных веществ в отработанных газах. В настоящее время наибольшее распространение получили каталитические нейтрализаторы, в которых используются платина, палладий, радий. Эти вещества позволяют существенно снизить порог энергии, при котором начинаются окислительно-восстановительные реакции.
Нейтрализаторы бывают восстановительные и окислительные. В дизелях применяются только окислительные нейтрализаторы, принцип работы которых заключается в том, что отработанные газы, проходя по нейтрализатору, вступают в реакцию с расположенными там гранулами дорогих металлов (платина, палладий) и превращаются в другие, не токсичные вещества.
Различные типы нейтрализаторов размещаются в выпускном тракте ДВС и там в зависимости от принципа работы (каталитический, термический, механический и водяной) выполняют свои функции.
Ведутся поисковые работы по созданию сажевых фильтров с системой регенерации, обеспечивающих снижение выбросов твердых частиц на 80—90%. За рубежом такие системы уже находятся в опытно-серийном производстве.
Отечественные конструкции трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов, без которых невозможно обеспечить выполнение перспективных норм выбросов, находятся в стадии лабораторных испытаний.
Другим методом обезвреживания отработанных газов является рециркуляция, т. е. повторное засасывание в цилиндры (вместе с порцией новой горючей смеси), с целью досжигания СО и СН и снижения количества окислов азота непосредственно в цилиндрах двигателя.
На ближайшую перспективу поршневые ДВС останутся основным типом автомобильных двигателей, причем большое развитие должны получить дизельные ДВС. Дизельные ДВС начали широко применяться после второй мировой войны на грузовых автомобилях большой грузоподъемности. Но в последние годы такие преимущества дизельного ДВС, как меньший удельный расход топлива (на 30— 35%) и более низкая токсичность отработанных газов, обусловили их широкое применение не только на грузовых автомобилях большой и средней грузоподъемности, автобусах, но и на легковых автомобилях.
Известен двигатель Стерлинга*, построенный фирмой “Филипс”.
* Интересная подробность: Роберт Стирлинг, живший в начале XIX века, был священником. В то время люди часто получали увечья и гибли из-за взрывов, вызванных резким повышением давления в паровых машинах. Запросы инженеров опережали возможности металлургов. Требовалась сталь, способная выдерживать высокое давление, а она тогда отсутствовала. Однако Роберт Стирлинг пошел по другому пути. Как приличествовало его сану, он скорбел по человеческим трагедиям, и это побудило его сконструировать двигатель, который должен был работать при более низких, а поэтому менее опасных давлениях.
Двигатель Стирлинга долгое время пребывал в забвении, но в последнее время он был вновь возвращен к жизни. Вспомнили о нем потому, что этот двигатель мало загрязняет окружающую среду, является автономным и малошумным. Кроме того, этот двигатель оказался очень удобным для использования в режиме холодильника, т.е. при обращении цикла. Он может работать на спирте, бензине, керосине, дизельном топливе, мазуте, сырой нефти, оливковом и подсолнечном маслах и на некоторых горючих газах. Работает двигатель очень плавно, без вибраций, а уровень его шума сравним с уровнем шума электродвигателя. Токсичность отработанных газов двигателя Стирлинга также значительно ниже токсичности отработанных газов ДВС. Отработанные газы этого двигателя практически не содержат продуктов неполного сгорания (СО, С^Н^, сажа и т. д.) и не имеют неприятного запаха. Это объясняется хорошим качеством смесеобразования, которое можно обеспечить при стационарном процессе сгорания.
Снижение вредных выбросов от автомобилей может быть достигнуто за счет улучшения качества традиционных видов моторного топлива и применения новых, экологически более “чистых” видов горючего. Основное мероприятие здесь - снижение содержания в автомобильных бензинах высокотоксичного антидетонатора тетраэтилсвинца (ТЭС). До настоящего времени около 75% выпускаемых бензинов являются этилированными и содержат от 0,17 до 0,37 г свинца на 1 л бензина. При сгорании этилированных бензинов около половины содержащегося свинца выбрасывается с выхлопными газами в атмосферу.
В СЩА, Германии, Швейцарии, Японии и других странах содержание свинца в автомобильных бензинах доведено до минимума (0,15 г/л и менее), в ближайшее время свинцовые антидетонаторы в этих странах вообще не будут использоваться. В России полный отказ от использования этилированного бензина планируется к 2000 г., что связано с трудностями модернизации технологических процессов нефтепереработки.
Существенное снижение загрязнения окружающей среды и экономия бензина достигаются при замене традиционных видов нефтяного топлива так называемыми альтернативными видами моторного топлива, в первую очередь, газом. В этом плане практическое применение нашли сжиженные пропанбутановые газы и сжатый природный газ. По экспериментальным оценкам, использование газового топлива снижает выбросы окиси углерода в 2—4 раза, окислов азота - в 1,1 — 1,5 и суммарных углеводородов - в 1,4—2 раза.
В последние годы широко проводятся исследования в области использования присадок к топливам в целях уменьшения токсичности и дымности выбросов. Применение присадок позволяет снизить дымность в 4—7 раз (в зависимости от процента содержания присадки в топливе и от режима работы двигателя).
Человечество, поставив себя на грань экологической катастрофы, всерьез задумывается о возможности передвижения без помощи двигателя внутреннего сгорания, безжалостно отравляющего воздух. Один из вариантов - использование солнечной энергии. Конечно, современные машины на солнечных батареях еще не могут соперничать с “Вольво” и “Тойотой”, но в США, Японии, Австралии подобные разработки ведутся при непосредственном участии известнейших промышленных фирм.
На территории выставки ЭКСПО-70 в Осаке курсировали электротакси. Весьма успешно работают английские конструкторы: еще в начале 1975 г. на улицах Манчестера появился электрический автобус, рассчитанный на 34 пассажира. В Зеленограде группа энтузиастов под руководством Алексея Кноха совместно с центром научно-технического творчества молодежи (“ДОКА”).создали гелиомобиль, вполне способный потягаться на равных с зарубежными моделями. Вес “солнечного первенца” - 1170 кг, габариты — 4500х1500х800 мм, площадь панелей солнечных батарей —6м2. Гелиомобиль имеет два двигателя. Один, мощностью 375 Вт, питается энергией солнечных батарей и в солнечный день обеспечивает движение со скоростью 15 км/час. Второй, мощностью 1100 Вт, работает от аккумулятора. Оба двигателя, работающие одновременно, позволяют развивать скорость до 53 км/час.
Параллельно с интенсивной автомобилизацией общества ведутся научные и технологические разработки в области обеспечения экологической безопасности автотранспортных средств к сожалению, рост объема и темпы процесса автомобилизации существенно опережают внедрение методов и средств экологической безопасности. то обусловлено превалированием экономических интересов производителей автомобилей над экологическими и социальными интересами общества, в том числе и самих производителей.
Наивно рассчитывать, что они могут быть уравновешены посредством агитационно-пояснительной работы ,/Нужны жесткие государственно-административные меры нормативного характера. Их разработка, применение и контроль за соблюдением должны быть непременной обязанностью всех ветвей власти.
