Пути снижения выбросов в атмосферу от автотранспорта

Основная задача – снизить выбросы CО, NO_x, а также углеводородов, в первую очередь полициклических ароматических углеводородов, которые канцерогенны наряду с выбросами сажи от дизельных двигателей.

Какие для этого существуют пути?

1. Экономия топлива.

Чем меньше сжигаем топлива, тем меньше и выбросы в атмосферу. Абсолютные лидеры здесь – японцы. Их лучшие автомобили потребляют 5л бензина на 100 км пробега и даже меньше. С этим тесно связан и второй путь.

2. Совершенствование двигателей.

В последние годы все крупные автомобильные компании мира заняты разработкой экономически безопасных двигателей. Совершенствуются моторы с целью обеспечения наиболее полного сгорания топлива. Появились двигатели, работающие на переобедненных смесях, многоклапанные системы перераспределения, впрыск топлива вместо карбюраторного смесеобразования, электронное зажигание. При запуске холодного двигателя в современных карбюраторах используются автоматы пуска и прогрева. На режимах торможения двигателя применяют экономайзер принудительного холостого хода – клапан, отключающий подачу топлива.

Для уменьшения выбросов окислов азота используется рециркуляция – перепуск части отработанных газов из выпускного трубопровода во впускной. При этом понижается температура сгорания и окислов азота образуется меньше. Перспективны в этом плане системы электронного зажигания, оптимизирующие работу двигателя на всех режимах. Ужесточаются технологические допуски, повышается точность изготовления всех механизмов. Поэтому автомобили ведущих фирм Европы и США выбрасывают в атмосферу в 10-16 раз меньше вредных веществ, чем автомобили 80-х гг. (которые в России активно используются). Новые моторы европейских и японских фирм, которые начинают внедряться в автостроение, работают уже на очень обедненных смесях от 1:20 до 1:40. В России в этом плане делается мало. Но ученые России создали принципиально новую технологию работы автомобильного двигателя, не имеющую аналогов в мире. В основу положено открытое группой ученых во главе с чл. корр. РАН Ю.Васильевым явление С-процесса – молекулярного смесеобразования со 100% испарением бензина. В двигатель поступает сухая безвоздушная газовая смесь (бензогаз), которая сгорает быстро и полностью. Выхлоп такого двигателя практически чист. Но, скорее всего, внедрение этой идеи будет реализовано не у нас.

Ужесточаются требования к топливу в соответствии с международными стандартами, запрет на ввоз автотранспорта несоответствующего класса.

3. Повышение качества топлива.

Здесь много путей.

3.а. Улучшение качества традиционно используемого топлива:

– использование для производства бензина низкосернистых сортов нефти, чтобы полностью исключить выбросы SO₂. Самая хорошая нефть в этом смысле – нефть Грозного (от 0,07-0,40%);

– исключение в присадках использования свинца в моторном топливе;

– добавки в топливо веществ, помогающих дожигать вредные выбросы или растворить органические фракции, что снижает выбросы ароматических углеводородов.

В Европе давно уже используют такие виды топлива (ЕВРО-3). Россия отстает от Европы в производстве новых видов топлива на поколение. Надо модернизировать все нефтеперерабатывающие заводы (затраты – сотни млн. долларов). Нужна государственная программа, инвестиции. Нужно решать и проблему раздельного хранения, транспортировки и продажи топлива обычного и улучшенного качества. В 2004 г. Минтрансом России запущен проект, который позволит обеспечить автоперевозчиков чистым горючим на международных трассах. С 1 января 2003 г. введен запрет на использование этиолированного бензина (с присадками тетраэтилсвинца). США и европейские страны в 1998 г. приняли декларацию о прекращении использования свинца в бензине.

4. Нейтрализаторы выхлопных газов.

Впервые они появились в начале 1970-х гг. Окись углерода и несгоревшие частицы дожигались в выхлопной системе машины. Вначале это были двухкомпонентные устройства окислительного типа, которые боролись только с СО. Затем появились трехкомпонентные катализаторы, которые извлекали и окислы азота. Эта система подключается к выхлопной системе автомобиля. При температурах 600-800°С (раскаляют токами высокой частоты) идет дожигание газов. Блок изготовляют из керамики или металлических лент с внутренним покрытием из пластины с добавлением палладия или родия. Стоит этот блок 700-1000 долларов США. В США им оборудовано 85% автомобилей.

В общем виде механизм катализа описывается следующим химическим уравнением:

СО + C_nH_m + NO_x → CO₂ + N₂ + H₂O

Расход платины на один катализатор составляет 1,0-1,5 г. Непременным условием эксплуатации катализатора является применение бензина, не содержащего тетраэтилсвинца, т.к. свинец дезактивирует катализатор. Для использования катализатора необходим только высококачественный бензин (которого у нас нет).

В России сейчас создан свой нейтрализатор учеными Института нефтехимического синтеза. Он очищает выброс на 90%, а цена его вдвое ниже, поскольку в нем обошлись без дорогостоящих металлов (медь, никель, хром, железо). Уже проведены испытания на серийной “Волге”. Результаты вроде бы оптимистические.

Для очистки выхлопных газов на дизелях устанавливают не только окислительные нейтрализаторы, но и сажевые фильтры. Сажевый фильтр представляет собой монолитный блок с большим числом заглушенных с одного конца параллельных каналов с пористыми стенками. Отработанные газы очищаются от сажи, проходя через пористые стенки из одного канала в другой. Фильтры делают из пенокерамики и пенометалла. Процесс улавливания затрудняется тем, что размеры почти половины частиц менее 0,5 мкм.

Дизельное топливо.

Немецкий инженер Рудольф Дизель (1858-1913) сконструировал двигатель, отличный от карбюраторного, и увековечил свое имя. 15% иномарок оборудованы этим двигателем. Конструктивно он схож с бензиновым мотором. Работает по четырехтактному циклу, но в нем нет системы искрового зажигания. В бензиновом двигателе смесь горючего и воздуха образуется во впускной системе и попадает в двигатель в готовом виде, воспламеняется от свечи зажигания. В дизеле на такте всасывания в цилиндр поступает чистый воздух. Там он сжимается (такт сжатия) и разогревается до температуры воспламенения (700-800°С). И только в этот момент в камеру сгорания под большим давлением (10-30 МПа) через форсунку впрыскивается топливо. Впрыск осуществляется топливным насосом высокого давления – один из самых сложных и ответственных агрегатов двигателя. Это позволяет использовать более тяжелые фракции нефти (солярку) и работать на обедненных смесях, у которых выбросы СО меньше в 20-30 раз, углеводородов – в 2-10 раз меньше (в зависимости от скорости и торможения).

У дизеля есть и ряд чисто технических преимуществ (более высокий крутящий момент), в том числе – экономичность. Недостатки – больший (на ⅓) вес при одинаковой мощности, более сильная вибрация и шум (более высокая степень сжатия). В выхлопах много сажи, а также ПАУ, в том числе бенз(а)пирена и альдегидов.

5. Применение альтернативных видов топлива.

Газ. Перевод автомобилей на газовое топливо позволил бы в 100 раз снизить выбросы канцерогенных веществ в атмосферу. Запасы газа велики. Конструктивные изменения в двигателе внутреннего сгорания не нужны. Концентрация окислов углерода и азота в выхлопе мотора, работающего на газе, значительно ниже, чем от бензинового мотора, даже снабженного современным трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором с замкнутым контуром. Наконец, газовое топливо не содержит соединений свинца и даже серы.

Газ великолепно смешивается с воздухом, равномерно распределяется по цилиндрам двигателя, что гарантирует его полное сгорание и высокую топливную экономность. Кроме того, газовое топливо продлевает жизнь автомобильного двигателя в 1,5 раза. Бензин смывает со стенок цилиндра смазку, разжижает и портит ее. Газ не нарушает масляную пленку между трущимися деталями, и они меньше изнашиваются.

Сейчас из 500 млн. автомашин, эксплуатируемых в мире, 1,2 млн. работают на природном газе. Очень мало. Почему? Не вполне ясно. Но некоторые основания есть. По-видимому, одна из главных – конкуренция. Во-вторых, бензиновые заправки не переделаешь на газовые, а газовых заправок очень мало. В России – газовой державе – всего 100 заправок пропан-бутановой смеси.

Если пользоваться метаном (он дешевле, а главное безопаснее), то 90-литрового баллона едва хватит на 150 км. Если использовать пропан-бутановую смесь, то она заметно дороже и опаснее, хотя позволяет при одной заправке проехать до 500 км. Есть минус и в том, что при использовании метана мощность двигателя падает на 20%. Логичнее, несмотря на бóльшую опасность, пользоваться пропан-бутановой смесью, но при 100 заправках в стране далеко не уедешь, ну а на метане тем более. Чтобы перевести транспорт на газ – нужна государственная программа, годы. А у нас нефтяные монополисты ох как сильны, Газпрому легче качать газ заграницу, чем вкладывать прибыль не в свой карман, а на развитие сети газовых заправок (а их, если брать метан, нужно больше, чем бензиновых).

В будущем планируется освободить автовладельцев от экологических сборов, если их транспорт работает на газе, не будет необходимости получать разрешение на выброс в атмосферу вредных веществ, не будет необходимости проходить проверку на выброс СО. Планируют и снижение стоимости заправки газом (во что плохо верится).

Метанол и этанол.

Это спирты, полученные из древесных и травянистых растений, а также из угля. Многие рассматривают растительный спирт как перспективное автомобильное топливо.

В выхлопных газах, работающих на метаноле или этаноле, содержится в 5 раз меньше двуокиси углерода, в 10 раз меньше различных углеводородов, отсутствуют выбросы СО и в 3 раза ниже выбросы NO_x, практически нет сажи и токсичных веществ, за исключением формальдегида. Главный недостаток метанола – более низкое энергосодержание: в единице его объема заключено примерно в 2 раза меньше энергии, чем в единице объема бензина или дизельного топлива. Это значит, что топливный бак для метанола больше и тяжелее. Для повышения КПД двигателя надо увеличить степень сжатия горючей смеси в цилиндре (т.е. нужны другие двигатели).

Самым перспективным сырьем для метанола является уголь, а для этанола – любая биомасса. Этанол дороже, чем метанол. Сейчас наиболее активно спирты используют на южно-американском континенте.

Водород.

Использование водорода в качестве основного вида топлива может коренным образом изменить будущую техническую цивилизацию. Охрана атмосферного воздуха от загрязнения автотранспортом и энергетикой будет решена. А это два основных загрязнителя.

Характеристики водорода как моторного топлива уникальны (высокая теплота и скорость сгорания, хорошая воспламеняемость, безвредность отработанных газов). Методы получения водорода разработаны: основной – конверсия жидкого и газообразного топлива и гидролиз воды. Сейчас активно разрабатываются методы хранения водорода в жидкой или твердой фазе. Разработаны уже и схемы водородного автомобиля: хранилище водорода или вещества, из которого он конвертируется, топливный элемент (устройство преобразования энергии окисления водорода в электричество) и электродвигатель. Трансформация энергии при этом происходит на полимерных мембранах при температуре кипения воды. Окислы азота при этом не образуются. В итоге на выходе – чистая вода.

Сейчас в этом направлении сосредоточили усилия (и миллиардные инвестиции) ведущие автопроизводители. Ведутся в этом плане работы и в России – в Российском научном центре “Курчатовский институт” вместе с тольяттинским заводом “Красная Звезда”. Готовится опытный образец автомобиля. Уже существуют (даже показываются на выставках) опытные образцы таких автомобилей. Пока они очень дороги и недостаточно совершенны. Опять же проблема заправки.

6. Создание электромобилей.

Интерес к электромобилю возник в 1960-х гг. и особенно усилился после энергетического кризиса 1973 г. Позднее этот интерес стал подстегиваться проблемами охраны окружающей среды. Электромобиль не загрязняет атмосферу, он не такой шумный как иные автомобили. В 1993 г. в Калифорнии был принят закон, предусматривающий обязательный выпуск национальными производителями не менее 2% автомобилей с нулевым выхлопом.

В 1988 г. в США компания “Дженерал Моторс” выпустила электромобиль, мощностью 137 л.с., весом 1300 кг со скоростью 150 км/ч и пробегом от одной зарядки 500 км. Но автомобиль этот оказался не по карману среднему американцу. Очень активно работает в этом направлении Япония.

Главная проблема – аккумуляторные батареи, ведь свинцовые использовать нельзя. Большинство других имеет короткий срок службы и незначительную энергоемкость (необходима подзарядка каждые 100 км), а также высокую стоимость, сопоставимую со стоимостью всего автомобиля. На подзарядку требуется много времени. В самом лучшем случае у японцев она занимает 30 минут. Электромобиль “Муравей”, созданный в России и предназначенный для уборки тротуаров и пешеходных зон, проработав 4-5 часов, требует 8 часов на зарядку батарей.

Страна, которая выйдет на мировой рынок с электромобилем, не уступающим автомобилю с бензиновым двигателем, окажется лидером в гонке за транспорт XXI века. Пока, при наличии большого количества образцов, решения проблемы нет. В США сейчас активно работают над созданием натрий-литийионных (Na-Li) батарей. Может быть, в скором времени будет сдвиг.

Сейчас также активно идет работа (особенно в Японии) над созданием гибридных систем, в которых дизельный двигатель сочетается с электрическим.

7. Организационные и экономические меры.

Начнем с экономических мер. Задача экономических ограничений – сделать загрязнение невыгодным, повлиять на потребительский спрос на двигатели с более низким уровнем загрязнения, стимулировать покупку экологически чистых автомобилей.

С помощью более низких налогов на экологически приемлемые виды топлива или более чистые автомобили потребители, таким образом, стимулируются на покупку последних.

Дифференциация налогообложения распространяется и на производителей. Кто выпускает более чистые автомобили и топливо, платят меньше налог. Как действуют такие налоги? В Германии, Нидерландах, скандинавских и некоторых других странах автомобили делятся на 3 класса: чистые – отвечающие новым стандартам ЕЭС, частично чистые и другие. Первые оборудованы катализаторами. Разница в налогах очень существенная (у первых налог меньше на 800 долларов США¸ у вторых – на 400 долларов). Уменьшение налога компенсируется повышением налога на “другие” автомобили.

Новые системы налогов вводятся обычно постепенно до экологически приемлемого уровня, а не шоковым путем, как обычно делается у нас.

Организационные меры – это нормы, запреты и штрафы.

В 1990-е гг. практически во всех развитых странах введены нормы на выбросы СО и NO_x. Надо сказать, что это привело к снижению выбросов. Сейчас многие из этих норм пересматриваются в сторону снижения. Для примера нормы Японии по NO_x:

Таблица 6

Нормы на выбросы NO_x (г/км), установленные в Японии

В ЕС введены оценки экологического состояния автотранспорта и принята система экобаллов, число которых отражает уровень выбросов NO_x. Самый низкий показатель на одну поездку через страны ЕС имеет Люксембург, для которого он равен 11,0 (при среднем значении = 13,07). Самый высокий – Греция, Ирландия и Великобритания.

А далее последействия.

Австрия ограничила прохождение автотранспорта через свою территорию квотами экобаллов. Особенно сильно это ударило по Италии. Это заставило ряд стран ставить вопрос о замене своего автотранспорта на более чистый, тем более, что по заявлению правительств ряда стран квоты на проезд будут снижаться.

Англия, как отстающая в вопросе охраны атмосферы, ввела в 1995 г. большие штрафы (2500 фунтов стерлингов), если у владельца автомобиля будут превышены нормы по выбросам загрязняющих веществ. При этом нормы были снижены на 25% для бензиновых двигателей и на 20% - для дизельных.

В последние годы в Японии были проведены исследования по влиянию насаждений деревьев и кустарников вдоль дорог на концентрацию NO₂ вблизи дороги. Как оказалось, насаждения заметно снижают концентрацию NO₂ с удалением от обочины дороги.

Во Франции прекращено строительство подземных парковочных площадок. Идет перепланировка улиц для создания более благоприятных условий для пешеходов и велосипедистов. По средам и субботам в некоторых районах Парижа запрещается движение автомобилей.

Многие специалисты сходятся во мнении, что единственным осуществимым в обозримом будущем решением большинства городских транспортных проблем является общественный транспорт, который должен стать привлекательным для пассажиров и конкурентноспособным по сравнению с индивидуальным автомобилем.

Преимущества с точки зрения охраны ОС очевидны: относительное количество выбросов для легковых автомобилей (хороших) составляет 1,0, для автобусов – 0,29, трамваев – 0,02, троллейбусов и метрополитена – 0,01. В развитых странах планируется центральные части городов отдать пешеходам. В ряде европейских городов планируется сделать в городах платные дороги, ввести систему регулирования дорожного движения, ориентированную на обеспечение приоритета общественного транспорта, запрет на въезд в центр города. Сейчас серьезно занялись этой проблемой в Москве (разработан план развития до 2020 г.):

– МКАД станет столичной магистралью, все транзитные машины должны будут объезжать ее;

– платный въезд в центр Москвы, город делится на зоны, чем ближе к центру, тем дороже;

– парковка в пределах Садового К ольца ограничена даже за деньги. Максимальное время стоянки – 3 часа. Штрафы очень большие, вплоть до конфискации автомобиля;

– грузовому транспорту въезд в город днем запретить, въезд только ночью;

– начать строительство сети улиц в отдельных микрорайонах;

– при строительстве новых домов и реконструкции старых закладывать новые дороги;

– построить скоростные внеуличные дороги;

– строить подземные переходы;

– водителям автомашин, оборудованных нейтрализаторами, выдавать при техосмотре экологические паспорта, которые наклеиваются на лобовое стекло, и только им будет разрешено проезжать в некоторые районы города в центре столицы.

Это первая ласточка в России. В Санкт-Петербурге подобные разработки пока отсутствуют. Видимо, мы еще не дошли до той степени коллапса движения, как это происходит в настоящее время в Москве.

Много планируется построить парковок, в том числе и дешевых. Разрабатываются оптимальные системы регулирования транспортного движения. В пределах Садового К ольца уже действует такая система – система “Старт”. В Санкт-Петербурге в пределах Невского проспекта также установили подобную систему, но эффект ее пока мал.

За рубежом подход иной. Специалисты BMW считают, что совокупного интеллекта бортовых компьютеров множества машин, находящихся неподалеку друг от друга, вполне достаточно, чтобы проанализировать дорожную ситуацию и известить о ней всех участников движения. Сигнал тревоги подает бортовой компьютер автомобиля, первый заметивший замедление, “рваный” режим и прочие приметы затора. Получив предупреждение, транспортные средства проанализируют ситуацию и, сверившись с электронной картой местности, подскажут водителям возможные пути объезда. Поскольку импульс передается от одного участника движения к другому по цепочке, дальность действия системы безгранична.

Сейчас около половины населения Земли живет в городах с числом жителей 2 млн. и более. На эти города приходится около 80% глобальных загрязнений атмосферы (не только от автотранспорта). По мнению немецких градостроителей для оздоровления воздушного пространства необходимо следующее:

– ограничение территориального роста городов с созданием зеленого пояса вокруг городов;

– использование для жилой застройки территорий промышленных зон;

– озеленение дворов, восстановление парков и скверов. На каждые 250 м² городской территории должно быть 1 дерево;

– сокращение интенсивности движения автотранспорта и числа автостоянок за счет развития системы общественного транспорта, создания пешеходных зон и сети велодорожек;

– снижение энергопотребления в жилом секторе за счет снижения непроизводственных потерь и использования нетрадиционных видов энергии.

Дата добавления: 2015-08-13