Анализ климатических условий и их влияние на эколого — экономический ущерб при эксплуатации автотранспорта

В статье представлена картина загрязнения Санкт-Петербурга токсичными выбросами автотранспорта зимой. Предложены пути повышения безопасности двигателей автомобилей.

The article presents a picture of pollution in St. Petersburg with toxic emissions of motor transport in the winter. The ways of improving the safety of car engines are suggested.

Ключевые слова: автомобильный транспорт, вредные вещества, окру — жающая среда, токсичность, загрязнение, двигатель, автомобиль, техническое состояние, экологическая опасность.

Key words: automobile transport, harmful substances, environment, toxicity, pollution, engine, vehicle, technical condition of the environmental danger.

Для обоснования задач исследований и соответствующих им практических рекомендаций по оздоровлению воздушной среды Санкт-Петербурга необходимо прежде всего проанализировать об — щие природные особенности региона в целом, а затем рассмотреть особенности влияния отдельных климатических факторов на вели — чину эколого-экономического ущерба.

Климатические условия существенно влияют на организацию эксплуатации, хранения автомобилей и на их технико — экономические и экологические показатели. Поэтому, рассматривая вопросы величины эколого-экономического ущерба от автомобилей,

следует учитывать климатические условия конкретного района с це — лью увеличения надежности автомобилей при их эксплуатации и уменьшения вредного воздействия на окружающую среду.

Как показал анализ литературных источников, на состояние и состав городской воздушной среды влияют климатические и метео — рологические особенности региона, которые определяются совокуп — ностью природных факторов. Основными природными факторами, влияющими на климатические и метеорологические особенности региона и отдельных его районов, являются:

— атмосферная крупномасштабная циркуляция, деятельность циклонов, антициклонов и воздушных масс различного происхож — дения;

— ветровой режим по скорости и направлению;

— приток солнечного тепла;

— физико-географические особенности региона и его районов

(рельеф местности, растительность, длительность снежного покро — ва и т. п.).

На формирование климата большое влияние оказывает атмо- сферная циркуляция. Наиболее существенные изменения погоды происходят в связи с перемещением и эволюцией воздушных масс, атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов.

Климату Санкт-Петербурга свойствен умеренный и влажный характер. Он относится к переходному типу от морского к континен-

тальному с умеренно холодной зимой и нежарким летом. Это связа — но с географическим приморским положением города на северо — западе и циркуляцией воздушных масс.

Другим фактором климатообразования в Петербурге является сухой и холодный арктический воздух, проникающий с севера и се — веро-востока из полярной области высокого давления. Воздействует также континентальный воздух, приходящий с востока и юго-востока из Центральной Азии. Однако наибольшее климатообразующее

значение имеют массы воздуха, поступающие из Атлантики.

Частые циклоны обусловливают многолетнюю изменчивость по- годы и ее неустойчивость в течение года.

Техногенные факторы (пыль, дым и пр.) создают особый микро- климат в городе. Поэтому летом в центре города днем температура бывает на 2–3 градуса выше, чем в районах, прилегающих к центру, и даже в призаливной части. Зимой же эта разница может достигать

10–12 градусов по сравнению с пригородами.

Средняя годовая температура воздуха – плюс 4,3 градуса. Са- мый холодный месяц – февраль: средняя суточная температура в этом месяце -7,9 градуса, а в январе -7,7 градуса. Самый жаркий месяц–июль (+17,8 градуса). Средняя продолжительность всего пе — риода с положительной средней суточной температурой – 222 дня, с температурой выше 5 градусов – 165 дней, с отрицательной тем — пературой – 143 дня.

Осадков в среднем в год выпадает около 673 мм, но испарение

влаги примерно на одну треть меньше этого количества, что и обу — словливает повышенное увлажнение.

Влажность воздуха в Петербурге в среднем в год – около 75 %, летом – 60–70 %, а зимой — 83–88 %. Бывают дни, когда этот пока — затель достигает 95 % и даже больше.

Для города характерна сезонная и помесячная неравно мер- ность выпадения осадков. Их максимум приходится на август, а ми — нимум – на март. В течение года среднее количество дней с осадками – около 200 мм, причем большая часть атмосферных

осадков выпадает с апреля по октябрь. В холодный период количе — ство дней с осадками (снег, град, иней) – 61 мм.

В среднем в год в Петербурге бывает лишь 30 безоблачных,

солнечных дней. Наибольшая облачность – зимой (свыше 80 % дней), а наименьшая – летом (около 50 % дней). Количество дней с туманами в среднем в год – около 32.

Сформировавшаяся в Петербурге многолетняя роза ветров ха- рактеризуется преобладанием ветров западного направления. Вет — ры, наиболее сильные осенью и зимой, достигают в это время года скорости более 10 м\с. Средняя же годовая скорость ветра около

3 м\с.

Зима в Петербурге обычно наступает в самом начале декабря, хотя бывает, что снег выпадает в первых числах ноября или января. Для городской зимы характерны оттепели, особенно в первую поло — вину этого времени года. Второй же половине присуща более хо — лодная погода. Весна наступает в конце марта, когда начинает таять снег. Средняя суточная температура выше нуля наступает, как правило, в начале апреля. Однако еще в мае бывают заморозки, чаще всего в ночное время. С прекращением заморозков связыва — ется наступление лета, хотя даже в начале июня отмечалось выпа — дение снега. С возобновлением заморозков (со второй половины сентября) наступает осень. В конце ноября средняя суточная тем — пература падает ниже нуля, осень заканчивается.

Как показывает анализ литературных данных, степень атмо- сферных загрязнений зависит от следующих природных факторов: направления и скорости ветра, температуры и влажности воздуха, рельефа местности и характера растительности. Такие природные

факторы, как отрицательная температура, ветер, давление, влаж — ность, снег и т. д., существенно влияют на организацию эксплуата — ции, хранение автомобилей, их технико-экономические и экологические показатели и, соответственно, на величину эколого — экономического ущерба.

В связи с этим в рамках данной работы представилось целесо- образным рассчитать эколого-экономический ущерб от автотранс — портных средств с целью получить оценку в денежной форме

возможных отрицательных последствий воздействия автотранс- портного комплекса при эксплуатации в различные периоды време — ни года.

Эколого-экономический ущерб был рассчитан с помощью мето- дики экономической оценки предотвращенного экологического ущерба. Методика предназначена для получения укрупненной эко — лого-экономической оценки ущерба, предотвращенного в результа — те осуществления экологического контроля, реализации экологических программ и природоохранных мероприятий и т. д.

Предотвращенный экологический ущерб от выбросов в атмо- сферный воздух загрязняющих веществ передвижным транспортом рассчитывается по формуле:

N

Miктр × Кэi Упрr = Кэ ×УУДr ×

i=1

где Упрr – предотвращенный экологический ущерб от загрязнения атмос ферного воздуха выбросами от передвижных источников в r-м регионе в течение отчётного периода времени в результате осуще — ствления n-го направления природоохранной деятельности, тыс. руб.;

УУДr – показатель удельного ущерба атмосферному воздуху, на- носимого выбросом единицы приведенной массы загрязняющих веществ на конец отчётного периода времени для r-го экономиче — ского района РФ, руб./усл. т;

Кэ – коэффициент экологической ситуации и экологической зна- чимости состояния атмосферного воздуха территорий в составе экономических районов России;

Кэi – коэффициент относительной эколого-экономической опас — ности i-го загрязняющего вещества или группы веществ;

i – индекс загрязняющего вещества или группы загрязняющих веществ;

N – количество учитываемых групп загрязняющих веществ;

Miктр – фактическое снижение выброса i-го загрязняющего ве — щества от к-й единицы передвижного транспорта в течение отчётно — го периода времени, т.

Из приведенных рисунков видно, что максимальный ущерб при- ходится на холодный период времени года. С понижением темпера — туры воздуха величина ущерба увеличивается. Как видно из рисунков, снизить величину ущерба можно за счет применения теп — лоэлектронагревателей для облегчения пуска двигателя автомоби — ля. Особенно эффективен разогрев двигателя в период межсменной стоянки автомобиля. Другим способом снижения ущер — ба является поддержание автомобиля в технически исправном со — стоянии.

Техническое состояние транспортных средств оказывает замет- ное влияние на выброс вредных веществ. Отказы по основным агре-

гатам, влияющие на выбросы автомобиля, распределены следующим образом: система питания – 38 %, двигатель – 26 %, система зажигания – 21 % и трансмиссии – 15 %. Только из-за от — сутствия необходимой регулировки карбюратора бензинового дви — гателя внутреннего сгорания выброс оксида углерода может возрасти в 4–5 раз. В зимний период времени эти показатели уве- личиваются. Из этого следует, что для снижения эколого — экономического ущерба автотранспорт должен находиться в техни — чески исправном состоянии вне зависимости от климатических ус — ловий региона, а для этого проанализируем, как воздействуют факторы среды на системы и агрегаты автомобиля.

Как показал проведенный анализ, основным показателем, ха-

рактеризующим климатические условия, является температура на — ружного воздуха, оказывающая непосредственное влияние на физико-химические свойства эксплуатационных материалов, а сле — довательно, на пусковые качества и работу двигателей и других аг — регатов автомобилей, и их воздействие на экологию окружающей среды.

Наименьшее количество оксида углерода, углеводородов и оки- слов азота выбрасывается автомобилями при температуре окру — жающей среды С.20 С увеличением температуры усиливаются процессы испарения топлива, что приводит к увеличению концен — трации вредных веществ в ОГ автомобиля (рис. 6). Действие вред — ных веществ усиливается летом в условиях высоких температур повышенной солнечной радиации. Низкие температуры отрица — тельно влияют на состояние агрегатов и эксплуатационных мате — риалов, усложняют обслуживание автомобиля, уменьшают его надежность, увеличивают интенсивность изнашивания автомоби — лей, их агрегатов и механизмов, затрудняют пуск двигателей, уве — личивают время прогрева двигателя, ухудшают экономичность (увеличивают расход топлива), что приводит к увеличению концен — траций вредных веществ в ОГ автомобиля. На основании обобще — ния данных, полученных при испытаниях в различных лабораториях Западной Европы на двигателях, было установлено, во сколько раз в среднем эмиссия вредных веществ при холодном пуске двигателя при различных температурах воздуха превышает эмиссию этих же веществ при работе прогретого двигателя. Cводные результаты в виде отношения ехол \егор – эмиссия при работе холодного и прогре — того двигателя показаны на рис. 7.

Рис. 6. Зависимость пробеговых выбросов углерода, углеводородов и диоксида азота от температуры окружающей среды.

Скорость движения автомобиля 32 км/ч

Как видно из рис. 7, при температуре окружающей среды минус

10о эмиссия СО при пуске холодного двигателя в пять раз больше, чем при пуске прогретого, СН – в три раза больше, NОx – 1,4 раза

больше.

Рис. 7. Эмиссия токсичных веществ при холодном

и горячем пуске двигателя: 1 – СО; 2 – СН; 3 – NOx

Фракционный состав и упругость паров выпускаемых автомо — бильных бензинов может обеспечить достаточную испаряемость их только при положительных температурах. Начиная с 0 оС и ниже ис — парение происходит настолько неполно и медленно, что большая часть засасываемого топлива скапливается во впускном трубопро — воде в виде жидкой пленки. При отрицательных температурах в со- четании с сильными ветрами вследствие охлаждения двигателя процесс распыливания и испарения топлива ухудшается еще боль — ше, что способствует увеличению выброса продуктов неполного сгорания топлива.

Скорость ветра и влажность наружного воздуха оказывают влияние на интенсивность отвода тепла от агрегатов автомобиля, приводя к снижению их температурного режима во время движения и межсменной стоянки.

Ветер в значительной степени ускоряет остывание нагретых деталей и механизмов автомобиля, усложняет его техническое об — служивание, так как увеличение скорости ветра на 1 м/с равнознач — но по интенсивности охлаждения снижению температуры воздуха на

10 %. Необходимо учитывать также, что снег, измельченный под воздействием низкой температуры и сильного ветра, легко проника — ет через щели и отверстия в кабину, кузов, недостаточно защищен — ные механизмы, подкапотное пространство и т. д. Попадая, например, в подкапотное пространство, снег проникает в приборы электрооборудования, прерыватель-распределитель, нарушая их работу, замыкает контакты, затрудняет пуск двигателя и т. д. За — труднения при пуске двигателя, повышенный износ деталей, агрега — тов и механизмов, перерасход топлива увеличивают вредное воздействие автомобиля на окружающую среду.

Влажность воздуха влияет на обледенение таких деталей кар- бюратора, как дроссельная заслонка, диффузор, жиклеры. При вы-

сокой влажности воздуха (95…100 %) и температуре, близкой к ну — лю, возможно отложение льда на заслонке и других деталях карбю — ратора, которое будет препятствовать нормальному движению заслонки, и состав горючей смеси будет заметно отличаться от оп — тимального, в результате чего перерасход бензина может достигать

10 %, а содержание СО в отработавших газах повысится на

30…40 %. Образование льда в диффузоре вызывает значительное обогащение рабочей смеси и снижение экономичности двигателя. Обледенение жиклеров приводит к ухудшению поступления топлива в камеры сгорания двигателя. Все это приводит к повышению ток — сичности выхлопных газов. С понижением температуры наружного воздуха снижается и влажность, особенно при температуре минус

20 оС и ниже.

Особенно труден при зимней эксплуата ции машин пуск холод- ного двигателя. Каждый пуск и прогрев двигателя при температуре

+5 оС дает такой же износ, как и при пробеге автомобиля с прогре-

тым двигателем, равном 30–40 км. При пуске же холодного двигате — ля с вязким маслом на морозе износ может быть равноценным износу за пробег автомобиля 200–250 км. Многочисленными иссле — дованиями и практикой установлено, что износы при пуске и прогре — ве плохо разогретого двигателя составляют большую часть (свыше

60 %) общих износов за все время эксплуатации автомобиля. Каж-

дый пуск двигателя зимой без предварительного разогрева приво — дит к весьма интенсивному образованию износов основных деталей: цилиндров, поршневых колец, шеек коленчатого вала и др., что в свою очередь способствует увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу.

В процессе эксплуатации текущие неисправности, износ дета- лей и нарушения регулировки приводят к ухудшению показателей токсичности и топливной экономичности, особенно при эксплуата — ции автомобиля в зимних условиях. Изменение интенсивности из — нашивания, естественно, влияет на показатели надежности, экономичности и экологичности. Общая схема воздействия низких температур на показатели надежности машин показана на рис. 8. Снижение надежности машин при отрицательных температурах вы — зывается рядом причин. В первую очередь, эти причины приводят к увеличению частоты пусковых отказов, снижению долговечности элементов машин, ухудшению ремонтопригодности, что в свою оче — редь приводит к ухудшению показателей токсичности и топливной экономичности.

Увеличение вредного воздействия на окружающую среду

Рис. 8. Общая схема воздействия отрицательных температур на показатели надежности автомобилей

В условиях отрицательных температур снижается мощность двигателя и увеличивается расход топлива, что объясняется пере — охлаждением и неприспособленностью некоторых двигателей для эксплуатации в условиях отрицательных температур (рис. 9).

Таким образом, преждевременный износ и недостаточный тех- нический уровень автомобильной техники приводит к перерасходу до 12–15 % топлива, а следовательно, и увеличивает на 15–20 % объем вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, преждевремен — ный износ деталей и агрегатов из-за негерметичности приводит к непосредственному загрязнению окружающей среды канцероген — ными продуктами сгорания.

Как показал анализ литературных данных, при эксплуатации ав- томобиля с отклонениями параметров технического состояния от нормативных расход топлива может возрасти на 40 %, а токсич-

ность отработавших газов – в несколько раз.

В карбюраторных двигателях автомобилей эти показатели сни- жаются: из-за отклонений в системе питания – на 30…40 %, в сис — теме зажигания – на 25…30 %, в механической части двигателя – на

20…25 %, в трансмиссии и ходовой части – на 15 %. Наибольшее

влияние на превышение выбросов СО оказывает нарушение регу- лировок в системе питания: нормы стандарта могут быть превыше — ны на 70 % и более.

В дизельных двигателях практически любая неисправность топ-

ливоподающей системы влияет на дымность отработавших газов:

это закоксовывание сопловых отверстий и деформация струй топ — лива, неравномерность цикловой подачи по цилиндрам, уменьше-

ние давления впрыска. Увеличение цикловой подачи сверх номинальной на 25 % увеличивает дымность отработавших газов на

40 %. В результате естественного износа деталей топливной аппа — ратуры расход топлива к моменту исчерпания ресурса возрастает

на 8…10 %, дымность – на 20…30 %. С понижением температуры окружающего воздуха показатели токсичности увеличиваются.

Ухудшение пусковых свойств топлива, вызванных отрицатель- ными температурами, может является причиной отложений на впу-

скных клапанах. Между отложениями на деталях и топливной аппаратуре и токсичностью отработавших газов наблюдается непо-

средственная связь. Например, выявлена прямая зависимость меж-

ду отложениями на впускных клапанах двигателей с непосредственным впуском бензина и содержанием СО, NОx и уг — леводородов в отработавших газах. При эксплуатации двигателя с

непосредственным впрыском бензина эти отложения достигают

2 мм толщины и, имея пористую структуру, адсорбируют легкие фракции топлива, не пропуская их в цилиндры. После очистки по-

верхностей клапанов токсичность отработавших газов снова снижа-

ется. Это наблюдается только при пуске холодного двигателя.

При разности температур наружного воздуха и топлива, нахо- дящегося в баке автомобиля, содержащаяся в воздухе влага осе

дает в виде инея на свободных от топлива стенках бака, который,

попадая в топливо, вызывает резкое увеличение содержания в нем воды. Капли воды, попадающие вместе с топливом в топливопрово-

ды, могут замерзнуть и закупорить каналы и приборы питания ледя — ными пробками.

В условиях зимней эксплуатации автомобилей ухудшаются ус- ловия работы механизмов и деталей трансмиссии и подвески. Тех-

ническое состояние трансмиссии оказывает значительное влияние на количество вредных выбросов и расход топлива автомобилями.

Разогрев масла в механизмах трансмиссии при эксплуатации автомобилей зимой зачастую производится за счет тепла, выде-

ляющегося от трения при работе под нагрузкой. При этом масло ра — зогревается очень медленно, и до нагрева до температуры 10…15 °

С шестерня и подшипники работают без достаточной смазки, что

повышает интенсивность их износа. Установлено, что износ зубьев шестерен и подшипников главной передачи автомобилей, рабо — тающих продолжительное время на масле, имеющем температуру

минус 5 °С и ниже, в 10…12 раз выше, чем износ этих деталей при

работе их в масле, имеющем температуру +35 °С и выше.

Несвоевременная подача масла к местам трения ведет не только к увеличенным износам, но может привести к аварии двига-

теля (выплавление подшипников и задиры шеек коленчатого вала,

поршней цилиндров и других деталей.

Автомобили, находясь на безгаражной стоянке, подвергаются воз — действию отрицательных температур, ветра и атмосферных осадков,

что вызывает разрушение окраски, коррозию деталей автомобилей.

Все вышесказанное показывает сложность и многообразие влияния факторов среды на эксплуатацию и экологичность автомо-

бильного транспорта и, следовательно, на величину эколого-

экономического ущерба. Поэтому к решению проблемы повышения эффективности работы автомобильного транспорта в зимний пери — од года и снижения его вредного воздействия на окружающую среду

следует подходить, учитывая влияние факторов всего комплекса.

В этих условиях необходим тщательный приборный контроль за техническим и экологическим состоянием автотранспорта, а также

экологический контроль территорий, используемых для безгаражно-

го хранения автотранспорта, особенно на импровизированных дво — ровых стоянках.

Поддержание двигателей и автомобилей в технически исправ- ном состоянии – одно из основных, но далеко не единственное ус-

ловие снижения эколого-экономического ущерба от автотранспорта, особенно при зимней эксплуатации. Выбросы вредных веществ и

расход топлива в значительной степени зависят от соблюдения

правил использования автомобилей, включающих в себя качество применяемых топлива и смазки, норм их расхода, рациональных методов и приемов вождения автомобиля, методы хранения под-

вижного состава и ряда других факторов, зависящих от водителей и

обслуживающего персонала.

Материал взят из: Вестник Ленинградского государственного университета имени А. С. Пушкина № 4 Том 6. Экономика