CC BY
587
УДК 504.75
РОЗРАХУНОК ВИКИДІВ ТА КОНЦЕНТРАЦІЙ ЗАБРУДНЮЮЧИХ РЕЧОВИН ВІД АВТОМОБІЛЬНОГО ТРАНСПОРТУ В АТМОСФЕРНОМУ ПОВІТРІ Л.О. Коваленко, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Анотація. Розглянуто методику розрахунку викидів та концентрацій забруднюючих речовин в атмосферному повітрі придорожньої смуги від автомобільного транспорту.
Ключові слова: автомобільний транспорт, забруднюючі речовини, викиди, концентрації, швидкість руху, витрати палива.
РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ И КОНЦЕНТРАЦИЙ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ОТ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ Л.А. Коваленко, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрена методика расчета выбросов и концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе придорожной полосы от автомобильного транспорта.
Ключевые слова: автомобильный транспорт, загрязняющие вещества, выбросы, концентрации, скорость движения, расход топлива.
CALCULATION OF EMISSIONS AND CONCENTRATIONS OF CONTAMINANTS PRODUCED BY MOTOR TRANSPORT IN ATMOSPHERIC AIR L. Kovalenko, Associate Professor, Candidate of Technical Science, KhNAHU
Abstract. The method of calculation of emissions and concentrations of contaminents exhausted by motor transport into the atmosphere of the roadside area is considered.
Key words: motor transport, contaminating matters, emission, concentrations, speed of movement, expense of fuel.
Вступ
В останні десятиліття у зв’язку зі швидким розвитком автомобільного транспорту істотно загострилися проблеми його впливу на довкілля. Дорожньо-транспортний комплекс є потужним джерелом забруднення природного середовища. Істотною є роль транспорту в забрудненні атмосферного повітря. Крім того, транспорт є одним з основних джерел шуму в містах і робить значний внесок до теплового забруднення довкілля. Відповідно до діючих в Україні нормативних документів [1] до основних забруднюючих речовин у відпрацьованих газах автомобілів (ВГА) належать оксид вуглецю (за масою складають 70 %), вуглеводні канцерогенні та неканце-рогенні (близько 19 %), оксиди азоту (приб-
лизно 9 %). Крім того, у ВГА знаходяться нетоксичні речовини, так звані парникові гази: азот, вуглекислий газ, кисень і пари води, які призводять до потепління клімату. Автомобільний транспорт найбільш сильно забруднює атмосферне повітря під час руху з невеликою швидкістю та при частих зупинках. Слід зауважити, що дизельні двигуни автомобілів є більш економічними, вони менше викидають оксиду вуглецю, однак набагато більше - канцерогенної сажі та диму.
Аналіз публікацій
Двигун внутрішнього згоряння - це тепловий двигун, в якому хімічна енергія палива перетворюється в механічну роботу. За видом вживаного палива ДВЗ підрозділяють на
двигуни, що працюють на бензині, газі і дизельному паливі. За способом займання пальні суміші ДВЗ бувають із займанням від стискування (дизелі) і із займанням від іскрової свічки запалювання (карбюратори). Через вихлопні труби автомобілів в атмосферу викидається більше двохсот хімічних речовин. Найтоксичнішу дію на живі організми справляють сполуки важких металів, сажа, бензапірен, вуглеводні, що накопичуються в радіусі 100-200 м від дороги [2, 3].
Утворення токсичних речовин - продуктів неповного згорання і оксидів азоту в циліндрі двигуна у процесі згорання відбувається принципово різними шляхами. Перша група токсичних речовин пов’язана з хімічними реакціями окислення палива, що протікають як в передполум’ яний період, так і в процесі згорання - розширення. Друга група токсичних речовин утворюється при з’ єднанні азоту і надлишкового кисню в продуктах згорання. Реакція утворення оксидів азоту носить термічний характер і не пов’язана безпосередньо з реакціями окислення палива [2].
До основних токсичних викидів автомобіля відносяться: відпрацьовані гази, гази картерів і паливні випари. Відпрацьовані гази містять окисел вуглецю (СО), вуглеводні (СХИУ), оксиди азоту (КОх), бензапірен, альдегіди і сажу. Гази картерів - це суміш частини відпрацьованих газів, що проникла через нещільність поршневих кілець у картер двигуна з парами моторного мастила. Паливні випари поступають у довкілля із системи живлення двигуна. Розподіл основних компонентів викидів у карбюраторного двигуна наступний: відпрацьовані гази містять 95 % СО, 55 % СХНУ і 98 % КОх, гази картерів по - 5 % СХНУ, 2 % КОх, а паливні випари -до 40 % СхНу [3] .
Через неповне згоряння палива в дизельному двигуні частина вуглеводнів перетворюється на сажу, що містить смолисті речовини. Особливо багато сажі і смол утворюється при технічній несправності мотора і в моменти, коли водій, форсуючи роботу двигуна, зменшує співвідношення повітря і пального. У цих випадках за машиною тягнеться видимий хвіст диму, який містить поліциклічні вуглеводні і, зокрема, бензапірен.
Вуглеводні в атмосфері піддаються різним перетворенням (окисленню, полімеризації),
взаємодіючи з іншими атмосферними забрудненнями, перш за все під дією сонячної радіації. В результаті цих реакцій утворюються перекиси, вільні радикали, сполуки з оксидами азоту і сірки.
Кількість забруднюючих речовин, що викидаються в атмосферу, залежить від цілого ряду чинників. На викиди оксиду вуглецю значний вплив справляє рельєф дороги і режим руху автомашини. Так, наприклад, при прискоренні і гальмуванні у відпрацьованих газах збільшується вміст оксиду вуглецю майже в 8 разів. Мінімальна кількість оксиду вуглецю виділяється за рівномірної швидкості автомобіля 60 км/год. Викиди оксидів азоту є максимальними при відношенні повітря - паливо 16:1 [3, 4]. За розрахунками фахівців, «внесок» автомобільного транспорту в атмосферу складає до 90 % по окислу вуглецю і 70 % - по окислу азоту [1, 5].
Мета та постановка задачі
Оцінка забруднення атмосферного повітря шкідливими речовинами відпрацьованих газів автомобільних двигунів базується на порівнянні концентрації шкідливих речовин (міліграм в кубічному метрі повітря) із гранично допустимою концентрацією (ГДК). Фактична концентрація визначається двома основними процесами [6]:
- викидом (емісією) шкідливих речовин з відпрацьованими газами автомобільних двигунів;
- розподілом шкідливих речовин у придорожньому просторі.
Процеси емісії і розподілу описуються або спрощеними моделями, або детальнішими [3, 6]. У практичній діяльності при виборі моделей емісії і розподілу шкідливих речовин необхідно мати найзагальніші відомості про моделі та їх відмінності з метою:
- обґрунтованого призначення кліматичних і погодних параметрів, інтенсивності і складу прогнозованих транспортних потоків та інших даних, необхідних для аналізу;
- упевненої інтерпретації отримуваних результатів.
Викид шкідливих речовин (грами на пікет, на кілометр дорогі) залежить не тільки від інте-
нсивності і складу транспортного потоку, але
і від режиму руху. Той або інший режим роботи автомобіля і двигуна водій вибирає, аналізуючи технічний рівень і експлуатаційний стан дороги на даній ділянці, що визначає витрату палива, об’єм відпрацьованих газів, концентрацію шкідливих речовин в них тощо. Тому аналізу і оцінці екологічної якості дороги передує аналіз дорогі за показниками енергетичної якості, зокрема за витратою палива [4]. Витрата палива визначається навантаженням на двигун, яке залежить від режиму руху, встановленого водієм, а отже, від дорожніх умов (поздовжній і поперечний ухил, план, відстань видимості та ін., експлуатаційний стан дорожнього покриття, елементи дорожнього облаштування). Розрахунок витрати палива базується на закономірностях роботи автомобіля і двигуна. Тому у всіх методах розрахунку концентрації шкідливих речовин треба спочатку знайти і витрату палива, і швидкість руху транспортних засобів, що входять до транспортного потоку.
Розрахунок концентрацій забруднюючих речовин
Викид шкідливих речовин з відпрацьованими газами визначає потужність джерела забруднення (г/с) і разом з кліматичними, погодни-ми умовами і характеристиками рельєфу служить основою для розрахунку розподілу концентрації шкідливих речовин у придорожньому просторі.
У методиці ФДД РФ [6] концентрації шкідливих речовин розраховують за формулою
С =
2 • M
•у/2пС • V • 8Шф
(1)
де М - потужність джерела ^со QNO і так далі), мг/(м/с); V - швидкість вітру, м/с; ф - кут між напрямом вітру і дороги; F - фонова концентрація забруднення, мг/м3.
Для розрахунку концентрації шкідливої речовини в атмосферному повітрі запропоновано основну формулу
C =
A • M • F • m • п • k
де М - потужність джерела викиду, г/с; А -коефіцієнт, залежний від температурної стратифікації атмосфери; Н - висота джерела викидів над поверхнею землі; k - коефіцієнт, що враховує рельєф місцевості; dТ - різниця температур газоповітряної суміші, що викидається, і навколишнього повітря; F -коефіцієнт, що враховує швидкість осідання шкідливих речовин в атмосферному повітрі; m, п - коефіцієнти, що враховують умови виходу газів з джерела викиду; V - викид газу, м3/с.
У зв’язку з нерівномірністю викидів по довжині дороги у практичних розрахунках концентрації всю дорогу слід поділити на ряд суміжних площадкових джерел. Потужність кожного джерела формується всією сукупністю автомобілів, що входять до складу транспортного потоку, і визначається режимами їх руху на даній ділянці дороги.
При моделюванні системи «В-А-Д-С» кількість (емісія) шкідливих речовин, що викидаються у придорожній простір, з відпрацьованими газами автомобільних двигунів визначається значною мірою дорожніми умовами: поздовжній і поперечний ухил дорогі, план, відстань видимості, елементи облаштування дорогі, тип і стан покриття і тому подібне.
Кількість шкідливих речовин залежить від режиму роботи автомобіля, витрати палива, режиму роботи двигуна на даній ділянці дорогі, концентрації конкретної речовини у відпрацьованих газах.
Першочерговим завданням при цьому слід вважати визначення витрати палива. Витрата палива визначається навантаженням на двигун, яке залежить від режиму руху, встановленого водієм. Тому розрахунку витрати палива передує розрахунок швидкості руху, в процесі якого визначаються основні показники роботи автомобіля і двигуна.
Розрахунок витрати палива базується на закономірностях роботи автомобільних двигунів. Результати розрахунку концентрацій оксидів вуглецю на різних відстанях від кромки проїзної части наведено на рис. 1.
H2 • (V • dT)
(2)
Ось
Забруднення повітря оксидом вуглецю, мг/м ПК 181,0
з
Гранично допустима концентрація оксидів вуглецю у повітрі 3,0 мг/м Проектний захист Дворядова посадка з чагарником на газоні 10,12 м
Відстань від осі смуги руху до захисту 18 м
Рис. 1. Забруднення атмосферного повітря оксидом вуглецю
Висновки
Викид шкідливих речовин рекомендується знаходити за залежностями масового пробігу, отриманими моделюванням роботи двигуна в режимі їздових циклів. Типові для міських умов - з великою тривалістю холостого примусового холостого ходу, різких розгонів і гальмувань. Для типового їздового циклу викид оксидів вуглецю, наприклад, набагато більше в порівнянні з оксидами азоту.
На заміських дорогах загального користування режим руху автомобіля істотно відрізняється від типового міського їздового циклу, використовувана потужність двигуна є вищою. Тому на заміських дорогах викид оксидів азоту зіставимо з викидом оксидів вуглецю, і картина забруднення придорожнього простору істотно відрізняється від міських умов.
При такому підході основою до розробки практичних методик розрахунку викидів мають бути не статистичні масові показники, а результати моделювання режимів руху автомобілів з розрахунком параметрів паливопо-вітряної суміші і фактичного викиду шкідливих речовин з відпрацьованими газами автомобілів.
Література
1. ВБН В.2.3-218-042-2000. Охорона навколишнього середовища при будівництві, ремонтах та утриманні автомобільних доріг. - К.: Укравтодор, 2000. - 21 с.
2. Аксёнов Н.Я. Транспорт и охрана окружающей среды / Н.Я. Аксёнов. - М.: Транспорт, 1986. - 172 с.
3. Говорущенко Н.Я. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте / Н.Я. Говорущенко. -М.: Транспорт, 1990. - 135 с.
4. Говорушенко Н.Я. Проблемы и методы оценки экологического и энергетического качества автомобильных дорог / Н.Я. Говорущенко, В.В. Филиппов, Г.В. Величко. // Автоматизированные технологии CREDO. - 2000. - Вып. 2. - С. 45-51.
5. ВБН. В.2.3-218-007-98. Екологічні вимоги до автомобільних доріг. (Проектування). -К. : Укрбудінформ, 1998. - 34 с.
6. Рекомендации по учету требований по охране окружающей среды при проектировании автомобильных дорог и мостових переходов. - М. : Минтранс РФ., 1995. -130 с.
Рецензент: В. А. Золотарьов, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 25 жовтня 2010 р.
