Сравнительный анализ токсичности выхлопных газов автомобилей и пути ее снижения

АННОТАЦИЯ

Произведен анализ загрязнения атмосферы выбросами выхлопных газов автомобилей, описаны их вредные воздействия на окружающую среду и человека, предложено использование природного газа как альтернативного вида топлива в решении экологических проблем.

ABSTRACT

The analysis of atmospheric pollution emissions of exhaust gases of automobiles, described their harmful effects on the environment and humans, there is provided the use of natural gas as the alternative fuel in solving environmental problems.

Ключевые слова: экологические проблемы; отработавшие газы; вредные компоненты; автомобильный транспорт; загрязнение; природный газ; пассажирские перевозки.

Keywords: ecological problems; exhaust gases; harmful components; automobile transport; pollution; natural gas; passenger transportation.

С ускорением развития производства автомобилей увеличивается количество машин, что является причиной образования пробок на улицах. Это, в свою очередь приводит к резкому росту массового количества токсичного дыма, выходящего из автомобилей, что оказывает вредное воздействие на здоровье человека и окружающую среду. В выхлопных газах содержится около 220 вредных веществ, в том числе окись углерода (CO), углеводород (CH), оксид азота (NOx) и другие газы. Наиболее опасны для здоровья человека: оксид углерода, диоксид азота, которые оказывают отрицательное влияние на сердечно сосудистую и дыхательную системы. В течение суток автомобиль выбрасывает до 1 кг выхлопных газов. Химический состав выхлопных газов опасен не только для здоровья человека, но и животных, растений, почвы, воды. Кроме того в республиках СНГ в связи с засушливостью погоды в атмосферном воздухе в течении 8-9 месяцев содержится пыль, частицы которой так же вредны для организма человека и являются причиной болезни дыхательных путей, дерматитов, конъюнктивитов и др. заболеваний.

В отработавших газах может содержаться свинец, который опасен для умственного развития людей и особенно губителен для детей, поскольку дети более чувствительны к воздействию токсичного металла. Он опасен еще тем, что накапливается в организме.

Содержащаяся в выбросах сера окисляется и образуются два соединения - диоксид серы (SO2) и триоксид (SO3) серы. При растворении в воде диоксид серы образует кислотные дожди, которые губят растения, увеличивают кислотность озер. Даже при среднем содержании оксидов серы в воздухе (100 мкг/м3), что нередко имеет место в больших городах, растения приобретают желтоватый оттенок. Повышение уровня оксидов серы в воздухе приводит к учащению заболевания дыхательных путей. При совместных концентрациях диоксида серы и взвешенных частиц (в виде сажи и пыли) в у взрослых и детей могут наблюдаться изменения в работе легких.

Химические элементы попадают в организм с выхлопными газами и с выбросами промышленных объектов. Доля загрязняющих веществ, попадающих в атмосферу от автомобилей составляют 75-90 %. Опасности от выхлопных газов превалируют в крупных городах. Выхлопные газы влияют на демографию, рост инвалидности, на здоровье населения. Стремительное развитие автомобильной промышленности, потоки машин в мегаполисах, многочасовые пробки, все это в конечном итоге наносит огромный вред здоровью населения. Загрязнение окружающей среды отрицательно влияет на организм, если физические и химические параметры превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) [1].

В настоящее время мировой автомобильный парк насчитывает более 750 млн единиц и продолжает расти. По статистике каждые две секунды с конвейеров автомобильных заводов сходит новый автомобиль, что приводит к резкому повышению автомобилизации населения мира. В 2005 г. на 1000 человек в мире приходилось около 120 автомобилей, а в 2025 г. эта цифра увеличится до 160 единиц [2].

По оценкам зарубежных специалистов, если сегодняшний темп прироста автомобилей сохранится в ближайшие 20 лет, то уже к 2025 г. в мире будет свыше 1,5 млрд автомобилей. Естественно, что столь интенсивное развитие автотранспорта стало оказывать серьёзное негативное воздействие на все компоненты биосферы, причем наибольшая доля загрязнения атмосферы выхлопными газами приходится легковому автомобилю (рис.1).

Рисунок 1. Структурные доли загрязнения окружающей среды различными видами автомобилей, %

Так, только один легковой автомобиль поглощает из атмосферы за год в среднем больше 4 т кислорода, выбрасывая с отработавшими газами примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводородов.

Только в России общее количество вредных веществ, ежегодно выбрасываемых автомобильным транспортом в атмосферу, превышает цифру в 30 млн т.[ 2 ].

Состав и объёмы выбросов во многом зависят от типа двигателя автотранспортного средства. В табл. 1 показан состав вредных веществ в отработавших газах карбюраторных и дизельных двигателей.

Таблица 1.

Состав вредных веществ в отработавших газах карбюраторных и дизельных двигателей. [ 2 ].

Поскольку, отработавшие газы автомобилей поступают в нижний слой атмосферы, то они находятся практически в зоне дыхания человека. Поэтому автомобильный транспорт следует отнести к категории наиболее опасных источников загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей, которые пролегают вдоль полей, засаженных кормовыми культурами, использующимися в питании домашних животных и людей.

Короткий перечень вышеуказанных источников показывает, что токсичность отработавших газов автомобилей и снижение его уровня до предельно допустимой концентрации является одной из глобальных проблем во всем мире. В настоящее время прогрессивным обществом человечества ведутся глобальные научно-исследовательские работы по резкому снижению количества вредных веществ в отработавших газах автомобилей. Результаты таких исследований показали, что есть несколько способов уменьшить количество вредных веществ в выхлопных газах. Один из самых эффективных методов решения этой проблемы является появление сильного, авторитетного и действенного документа Евростандарт, в котором устанавливаются жесткие требования к экологической чистоте топлива.

Стандартизация – важный аспект любого производства, и особенно выпуска топлива, так как несоблюдение установленных требований может иметь разрушительное воздействие не только в отношении автомобиля, где оно будет использоваться, но и всей окружающей среды, включая здоровье людей.

С развитием нефтепереработки требования к производимому бензину и дизельному топливу и соответствующие стандарты неизменно ужесточаются, при этом устанавливать и менять их могут сразу несколько сторон, в частности:

• Производители автомобилей с целью обеспечения стабильной работы двигателя и смежных систем в течение установленного срока эксплуатации. Производители топлива, опирающиеся на современные возможности нефтеперерабатывающей промышленности.
• Правительство, устанавливающее порядок транспортировки и хранения топлива, а также требования, относящиеся к его экологичности.
• Для улучшения экологии в странах Евросоюза с 2001 года принята процедура сертификации Евро. Она направлена на то, чтобы урегулировать уровень количества вредных веществ, которые содержаться в выхлопных газах автомобиля до максимально допустимых норм. Требования  Евростандарта к экологической чистоте автомобильных топлив из года в год ужесточаются (рис.2).

NO_X и PM нормы выбросов для дизельный автомобилей

Рисунок 2.Этапы ужесточения требований Евростандарта к качеству автомобильных топлив (на примере дизельного топлива).

Сертификат Евро является экологическим сертификатом, подтверждающим соответствие ввозимого в страны автомобиля требованиям Технического регламента. Таким образом, политика Евро направлена на уменьшение содержания в выхлопных газах нежелательных и вредных веществ.

Экологический стандарт под названием «Евро» был введён в 1992, он регулирует качество любого вида горючего для автомобилей (бензин, дизельное топливо ДТ). Разделение горючего на виды на основе европейского стандарта базируется на содержании в составе топлива определённых веществ, загрязняющих природу.

Выделяют стандарты Евро-1, Евро-2, Евро-3, Евро-4, Евро-5 и Евро-6. Во многих странах по закону можно продавать только такие новые автомобили, у которых класс потребляемого горючего составляет Евро-5 или Евро-6.

Однако требования стандарта Евро-6 выполняются только в странах Евросоюза. Например, в настоящее время в России действуют нормативы Евро-4 и Евро-5, а в странах СНГ до сих пор Евро-2, Евро-3 и Евро-4, а в некоторых местах не соблюдаются требованиям даже Евро-2.В Узбекистане, хотя с 2020 года введены в действие нормативы Евро-4 полное выполнение их пока ещё не осуществляется.

Рассмотрим отличие Евро-4 от Евро-5 которое состоит в разнице присутствия в составе топлива таких веществ, как сера, соли тяжёлых металлов, ведущих к повышению объёма угарного и углекислого газов, а также азотных оксидов в выхлопных газах автомобиля, что влияет на состояние природы и работу самой машины.

Действующие в России нормативные акты позволяют сейчас производить ДТ лишь трёх классов: Евро-3, 4 и 5, в которых соответственно содержится 300, 50 и 10 мг серы на кг. В России в 2010г. были введены нормы на выхлопные газы Евро-4. В 2015 в России запретили ДТ класса Евро-3, а в 2016 — и ДТ класса Евро-4.

В связи с тем, что в настоящее время во многих странах в основном придерживаются экологическим требованиям стандартов Евро-4 и Евро-5 рассмотрим различие составов дизельного топлива и бензина соответствующих требованиям этих стандартов.

ДТ Евро-4. В этом дизельном топливе допустимо наличие серы в количестве не более 50 мг на кг. От концентрации данного вещества в ДТ зависит концентрация двуокиси серы в выхлопном газе.

ДТ класса Евро-4 вспыхивает при +55, аналогично ДТ класса Евро-5. Однако концентрация угарного газа в первом равна 1,5 г на кВт*ч, а во втором она намного меньше. На ароматические полициклические углеводороды приходится до 2 процентов от общей массы.

Евро-4 совпадает с российским стандартом «вид II». На рис.3 показано отличие дизельного топлива, соответствущего Евро-4 от Евро-5, а на рис.4 тоже самое для бензина.

Рисунок 3. Отличие составов дизельного топлива Евро-4 и Евро-5

Учитывая отличия Евро-4 от Евро-5 для бензина, при наличии выбора предпочтительнее пользоваться топливом Евро-5, поскольку сера в нём содержится в меньшем объёме по сравнению с Евро-4. Применение горючего Евро-5 не ухудшает техническое состояние автомобиля.

Инструкции к современным автомобилям должны содержать указание на октановое число применяемого горючего, а также классификацию его на основе стандартов Евро. При указании бензина Евро-5 нежелательно использование горючего, относящегося к более низкому классу. Основа химического состава данных категорий топлива одна и та же. Такое горючее является углеводородным, сырьём для него является нефть.

Рисунок 4. Отличие составов бензинового топлива Евро-4 и Евро-5

С 2015 года в Европе действуют нормы Евро-6. Согласно этим требованиям, для бензиновых и дизельных двигателей устанавливаются следующие допустимые выбросы вредных веществ ( табл.2, г/км):

Таблица 2.

Допустимые нормы выбросов для бензиновых и дизельных двигателей по Евро-6, г/км

Разработка новых видов бензина и ДТ обусловлена, прежде всего, ужесточением требований к экологической безопасности используемых нефтепродуктов. Они напрямую влияют на состав топлива, а точнее, на количество вредных веществ, содержащихся в нем и образующихся в результате его переработки.

Среди потребителей бытует мнение, что октановое число бензина отражает его качество и чистоту, однако это в корне неверно. Октановое число показывает лишь устойчивость бензина к самовоспламенению при сжатии. В то же время именно наименование стандарта, которому соответствует топливо, говорит о его экологической безопасности и «чистоте». Так, в переходный период в продаже можно встретить как бензин АИ-92, соответствующий «Евро-5», так и АИ-95 прошлого стандарта «Евро-4».

Из выше сказанного следует, что на октановое число стандарт не влияет, а топливо отличается составом, а именно: содержанием монооксидов углерода (СО),оксида азота (NO),углеводорода и взвешенных частиц.

Наибольшие изменения в стандартах заметны по первым двум пунктам. Для примера, в выбросах переработанного дизельного топлива «Евро-3» должно было содержаться не более 0,64 г/км CO и 0,5 г/км NO. Для бензина того же стандарта показатели соответственно равны 2,3 г/км и 0,15 г/км.

Если взглянуть на требования в последнем (на сегодняшний день) «Евро-6», то соответствующие значения для ДТ уже существенно ниже и составляют 0,5 г/км и 0,08 г/км, а в случае с бензином – 1 г/км СО и 0,06 г/км NO. То есть, в обоих случаях с принятием новых стандартом количество вредных выбросов уменьшилось минимум вдвое.

В Узбекистане также как и в других развитых странах начинается поэтапный ввод требований стандарта «Евро- 4» [13].

С 1 января 2022 года запрещается импорт моторного топлива экологического класса ниже «Евро-3», а с 1 января 2023 года — моторного топлива экологического класса ниже «Евро-4».

Об этом говорится в указе президента «Об утверждении концепции охраны окружающей среды Республики Узбекистан до 2030 года».

Согласно документу запрещается:

• с 1 января 2020 года ввод новых мощностей по производству моторного топлива экологического класса ниже «Евро-4»;
• с 1 января 2022 года помещение под таможенный режим «временный ввоз» и «выпуск для свободного обращения (импорт)» моторного топлива экологического класса ниже «Евро-3», а с 1 января 2023 года – моторного топлива экологического класса ниже «Евро-4»;
• с 1 января 2022 года помещение под таможенный режим «временный ввоз» и «выпуск для свободного обращения (импорт)» в целях эксплуатации и реализации колесных транспортных средств категорий «М» и «N», оборудованных газовыми, бензиновыми и дизельными двигателями, уровень токсичности которых не соответствует требованиям экологического класса «Евро-4».

Кабинету Министров поручено в двухмесячный срок утвердить порядок экологической сертификации ввозимых в республику новых колесных транспортных средств категорий «М» и «N» на соответствие требованиям экологического класса [13].

На современном этапе развития двигателестроения проводятся комплексные исследования по улучшению качества топлива с целью совершенствования процесса сгорания, экономичности двигателя и, конечно снижения вредных выбросов двигателем [3].

Одним из путей улучшения качества бензина является уменьшение содержания этиловых соединений в топливе, поскольку свинцовые соединения не сгорают и выбрасываются с отработавшими газами в атмосферный воздух. В настоящее время во многих странах неэтилированные бензины уже находят широкое применение.

Результаты выше проведенных работ позволяют сделать следующие выводы:

1. Проблема экологической безопасности автомобильного транспорта и снижение количества вредных выбросов является важнейшей задачей современности, решение которых возможно как за счет совершенствования конструкции двигателя, так и улучшения качества топлива.
2. Качество применяемого топлива оказывает решающее влияние на экологические показатели автомобильного транспорта.
3. При применении топлива соответствующего требованиям Евро вместо стандартных топлив отечественного производства значительно снижается количество средневзвешенных вредных выбросов в атмосферу.
4. Разработка новых видов бензина и дизельного топлива обусловлена, прежде всего, ужесточением требований к экологической безопасности используемых нефтепродуктов. Они напрямую влияют на состав топлива, а точнее, на количество вредных веществ, содержащихся в нем и образующихся в результате его переработки.

Список литературы:

1. Абдурахманова Э.Г. Влияние выхлопных газов на организм человека / Дагестанский государственный университет, г. Махачкала / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-vyhlopnyh-gazov-na-organizm-cheloveka.
2. Использование природного газа – решение экологических проблем отечественного автотранспорта / В.Г. Тамадаев, Л.М. Негинский, Е.В. Харченко. – 2011 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-prirodnogo-gaza-kak-sposob-ekologizatsii-avtomobilnogo-transporta.
3. Каримходжаев Н., Алматаев Т.О., Одилов Х.А. Основные причины, вызывающие износ деталей автотранспортных средств, эксплуатирующихся в различных природно-климатических условиях // Universum: Технические науки. – 2020. – № 5 (74). – С. 68–73.
4. Кошкина А.О., Набиуллин Р.И., Моисеев Н.Е. Влияние качества моторных топлив на экологичность ДВС // Современная техника и технологии. – 2014. – № 12 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://technology.snauka.ru/2014/12/5325 (дата обращения: 08.02.2019).
5. Мирзоева Ф.М., Шекихачева З.З. Проблемы экологической обстановки на автомобильном транспорте в Российской Федерации / ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» // Фундаментальные исследования. – Нальчик, 2014. – № 11.
6. Сравнение топлива стандартов «ЕВРО» / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://gpn-trade.ru/about/articles/sravnenie-topliva-standartov-evro/.
7. Стандарты топлива Евро (сравнительная характеристика) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.toplivoprodazha.ru/diztoplivo/diztoplivo-euro/.
8. Фирма «Дженерал моторс» – о требованиях к октановому числу бензина и качеству дизельных топлив в ближайшем будущем / B.D. Рoyte [и др.], пер. с англ. – М., 1987 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://review.uz/ru/post/v-uzbekistane-nachinaetsya-poetapniyy-otkaz-ot-topliva-klassa-nije-evro-.
9. Чем отличается Евро-4 от Евро-5 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://autoshas.ru/chem-otlichaetsya-evro-4-ot-evro-5.html.
10. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://sevtest.su/cert-euro-4-eco/.
11. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://autoshas.ru/chem-otlichaetsya-evro-4-ot-evro-5.html.
12. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://eco.psu.kz/index.php?option=com_content&view=article&id.
13. Karimkhodjaev N. Dependence of Reliability of Operation and Environmental Safety of Automotive Engines on Fuel Quality // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. – 2020. – Vol. 7. – Issue 10. – P. 15201–15205.