12.2. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТОКСИЧНОСТИВЫБРОСОВ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Для оценки токсичности выбросов двигателей внутреннего сгорания разработаны две концепции: 1) американская и близкая к ней японская; 2)европейская.

Первая требует единых, жестких нормативов выбросов вредных веществ с ОГ легковых и грузовых малой грузоподъемностью автомобилей и ориентирована на оборудование автомобилей дорогостоящими системами нейтрализации, в которых применяются катализаторы на основе драгоценных материалов и электронные системы управления, т.

Оценка выбросов вредных веществ ОГ, принятая в России, в основном идентична методам США и Японии, отличие существует лишь в ездовых циклах. Определяется удельный выброс веществ или выброс на 1 км пробега, на 1 кг расхода топлива, на единицу выполненной двигателем работы — кБт-ч. Для сравнения результатов, полученных по разным циклам в зависимости от типа двигателя, необходимо получить оценку экологической чистоты конкретного двигателя. Для этого используют переводной коэффициент, равный произведению отношения масс выбросов вредного вещества при испытании по методикам ГОСТ и стандарта США на отношение ПДВ этого вещества по стандартам США и РФ.

Для комплексной оценки особенностей действия вредных веществ ОГ предлагается количественную оценку токсичности ОГ дополнять показателем, учитывающим степень воздействия каждого компонента на окружающую среду или коэффициентом приспособленности двигателя к окружающей среде [53]. Такой подход использует значения максимальных разовых ПДК для воздуха населенных мест и позволяет получить единую шкалу для измерения токсичности двигателей и автомобилей. Состояние двигателя оценивается отношением фактической суммарной токсичности к ее нормативному значению, чем выше значение коэффициента приспосабливаемое^, тем лучше двигатель приспособлен по токсичности к окружающей среде.

Для каждого вещества определяется безразмерная концентрация по формуле:

ПДК* ’              (12,1)

где С; — концентрация вредного вещества [мг/м3]; ПДК; — предельно допустимая концентрация вещества [мг/м3].

Анализ состава вредных веществ ОГ современных автомобилей в городских условиях езды, выполненный с учетом экологической значимости компонентов ОГ по среднесуточным ПДК (рис. 58), показывает, что на долю оксидов азота в выбросах автомобиля приходится 29...38% , оксидов углерода — 3...14%, углеводородов — бенз(а)пирена (БП) — З...6%.

Таким образом, количественная оценка токсичности состава ОГ дополняется интегральной, исходя из уровня токсичности компонентов, определяемого по ПДК веществ. Так, для монооксида

Рис. 58

Состав отработавших газов автомобилей

углерода (СО), углеводородов и оксидов азота ПДК равны — 5, и 0,085 мг/м3, т. е. углеводороды — в три, оксиды азота — в 59 раз токсичнее монооксида (табл. 49).

Принято токсичность оксида углерода СО считать за единицу, тогда определяется относительная токсичность а,- всех присутствующих компонентов в ОГ. Относительная токсичность углеводородов и оксидов азота равна: а* = 3 и 59, соответственно (оксидов серы SOx = 22, тетраэтилсвинца — 22 400 при его содержании в бензине 0,5 г/кг). Суммарная токсичность ОГ — А относительно нормируемых выбросов будет равна сумме произведений каждого из их компонентов на относительную его токсичность. Например, если автомобиль дает выбросы, равные нормируемым значениям, т. е. а% = 1, тогда Анор = 63.

Для того, чтобы оценить фактическое состояние испытываемого автомобиля, нужно взять отношение фактической суммарной токсичности Аф к ее нормативному значению и определить коэффициент k приспосабливаемое^ автомобиля к окружающей среде:

_ 1 • аСо + 59 • gNO + 3 • асн

Таблица 49

Интегральная оценка токсичности выбросов двигателей

Таким образом, если выбросы равны нормируемым, то k = 1; если меньше нормируемых, то k gt; 1; если больше нормируемых, то k lt; 1; чем больше А, тем лучшее автомобиль по токсичности ОГ приспособлен к окружающей среде, безопаснее с точки зрения экологии.

На основании представленной оценки токсичности состава ОГ дизелей и бензиновых двигателей легко убедиться в том, что улучшить экологические показатели двигателей можно исключив эксплуатацию бензиновых двигателей на этилированном бензине; уменьшив выбросы оксидов азота и твердых частиц в ОГ двигателей.

При определении k не учитываются сажа (так как токсична не сама сажа, а адсорбированные на ней вещества и соединения свинца) так как они не зависят от технического состояния автомобиля.

Коэффициент приспосабливаемости позволяет также сравнивать автомобили различных марок и моделей с точки зрения загрязнения выбросами ОГ окружающей среды. Одиако коэффициент приспосабливаемости связан с режимами работы двигателя (см. табл. 50, 51). Для сравнения результатов, полученных для разных циклов в зависимости от типа двигателя, используют переводной коэффициент.

Таблица 50

Значения коэффициента приспосабливаемое^ для различных режимов работы двигателя

Таблица 51

Режимы двигателя в разных условиях эксплуатации автомобиля

А, В, С — условия испытаний в городах с различной интенсивностью движения автотранспорта, Д — испытания по европейскому циклу.

Возможные режимы работы карбюраторного двигателя в общем случае графически представляют собой поле диаграммы в координатах Мкр-л (или Ne~n), по вертикали ограниченное минимально устойчивой и максимальной частотой вращения коленчатого вала, сверху — кривой максимального крутящего момента и снизу — отрицательного тормозного момента.

Исходя из полной токсической характеристики двигателя и данных о преимущественных режимах его работы (табл. 51) [28] в различных условиях эксплуатации автомобиля, рассчитываются выбросы нормируемых компонентов ОГ для трех случаев; на каждом из режимов, отдельно по видам режимов; в целом за период испытания. Так как длительность цикла испытания автомобиля в каждом из рассматриваемых случаев различна (от 0,65 до 2 ч), то токсичность автомобиля оценивается по выбросу, отнесенному к единице времени [г/час]. Умножив долю времени работы двигателя на каждом из режимов при движении в этих условиях на

соответствующую ординату полной токсической характеристики двигателя (рис, 59), получаем пространственные характеристики выбросов оксидов азота и углерода, которые наглядно выявляют наиболее токсичные режимы (рис. 60). С помощью этого метода, определены выбросы СО и N0 по видам режимов работы автомобиля в различных условиях движения (см. табл. 52).

Так, на нагрузочных режимах выбрасывается 54-75% оксида углерода и почти 100% оксидов азота, оксида углерода на холостом ходу — 15-38% и на принудительном холостом ходу — 4-10%. Значимость же режимов по комплексному показателю с учетом индекса токсичности компонентов ОГ следующая: нагрузочные режимы — 81-88%, холостой ход — 7-16%, принудительный холостой ход — 2-5%.

Данный метод позволяет с достаточной степенью точности определить выбросы вредных веществ в конкретных условиях эксплуатации автомобиля или задать параметры движения, которые обеспечивают наименьший выброс этих веществ, т. е. регламентировать малотоксичные режимы его работы.

Из приведенных данных (табл. 51) видно, что возможно такое пространственно-временное сочетание мощности и скорости, при

Изменение состава OF для различных режимов работы двигателя

Таблица 52

*G — выбросы вредных веществ, г/ч; L — приведенные выбросы веществ, iVkm; L3 и L7 — соответственно эксплуатационный и технический пробеговыи выброс.

которых численные значения показателя [г/км] для различных условий будут приблизительно одинаковы, а абсолютные выбросы [г/час], определяющие уровень загрязнения атмосферы, — различные. Таким образом, для оценки токсичности автомобиля необходимо использовать показатель выбросов G [г/час]. Он устраняет неопределенность в сопоставлении токсичности на режимах движения и холостого хода, вклад которого в общую токсичность автомобиля значителен, и главное — унифицирован с оценочным показателем стационарных источников загрязнения, что необходимо для комплексной оценки качества воздушного бассейна.