методичка экология ПроЭкол Москва

Вещество	Фор-	Объёмная доля,			Токсичность,
	мула		%		вредность (т;
					н/т; вр; н/вр)
		бензиновый		дизельный
Кислород	O2	0,05–8,0		2,0–18,0	н/т; н/вр
Двуокись уг-	CO2	5–12,5		1–12	Н/т; вр
лерода
Пары воды	H2O	3-13		0,5–10	н/т; н/вр
Азот	N2	74-77		76–76	н/т; н/вр
Окислы азота	NOx	0,05–0,5		0,1–1	т; вр
Окись угле-	CO	0,1–10		0,01–0,5	т; вр
рода
Углеводороды	CxHy	0,2–2,0		0,01–0,5	т; вр
(без бензапи-
рена)
Сажа (мг/м3)	C	До 100		До 20000	т; вр
Бенз(а)пирен	C20H12	25		100	т; вр
(мкг/м3)
Окислы серы	SOx	0,003		0,015	т; вр

Диоксид углерода СО2 – не токсичное (н/т), но вредное (вр)

вещество в связи с фиксируемым повышением его концентрации в атмосфере и влиянием на так называемый «парниковый эф-

фект». Измеренная доля СО2 в выбросах автомобилей в 300–500

раз выше, чем в атмосферном воздухе. Образование СО2 проис-

ходит в камере сгорания, окисление СО до СО2 продолжается в выпускной трубе, а также нейтрализаторах (дожигателях), уста-

навливаемых на современных автомобилях.

Оксид углерода СО - токсичное вещество, образующееся при сгорании углеводородного топлива с некоторым недостатком воздуха и при диссоциации СО2 (при температурах, больших

2000 K). Воздействует на организм человека, угнетая психиче-

ские функции и вызывая удушье.

Оксиды азота NOx представляет набор шести соединений

(от закиси азота до пятиокиси). В двигателях из них преобладает

NO (до 99 % в ДВС и более 90 % – в дизельных). Значительное влияние на выход NO оказывает неравномерность температурно-

го поля в зоне горения и присутствие паров воды, которая в цеп-

ной реакции окисления N2 является ингибитором. Оксиды азота вызывают острые отравления, нарушения обмена веществ, а так-

же аллергию, нервные расстройства, злокачественные новообра-

зования.

Углеводороды СxHy образуются в двигателях в результате пиролиза и синтеза реакций цепочно–теплового взрыва. Их коли-

чество определяется качеством организации горения: чем выше неполнота сгорания, тем больше углеводородов, т. е. неоднород-

ность топливо-воздушной смеси по сечению цилиндра, пропуска зажигания в отдельных циклах или цилиндрах, прекращение го-

рения в отдельных зонах при низких температурах способствуют росту углеводородов. Среди CxHy наиболее токсичны полиарома-

тические углеводороды (ПАУ), а из них наибольшая токсичность

– у бенз(а)пирена С20Н12. Бенз(а)пирен образуется одновременно с сажей и практически всегда сопутствует ей. Он является силь-

нейшим канцерогеном и тератогеном.

Сажа является твёрдым углеродом и основной составляю-

щей твёрдых частиц в ОГ. Кроме сажи в них присутствуют окси-

ды металлов, диоксид кремния, сульфаты и др. Сажа образуется при термическом разложении углеводородов при недостатке ки-

слорода – при объёмном пиролизе. Этот процесс характерен для дизелей в переобогащённых топливом зонах. Кроме того, чем больше соотношение С/Н в топливе, тем выход сажи выше. На поверхности сажи всегда присутствуют твёрдые мельчайшие включения ПАУ, что заставляет относить сажу к опаснейшим за-

грязнителям.

Окислы серы SOx и прежде всего – диокисид серы SO2 –

образуются по механизму, близкому к образованию СО для серо-

содержащих горючих. Соединения серы вызывают раздражение слизистых оболочек, заболевания дыхательных путей, головную боль.

Свинец Pb в составе твёрдых частиц (из-за использования

этилированных бензинов) присутствует в виде галогенидов свин-

ца, механизм образования которых идентично механизму появле-

ния сажи. Свинец и его соединения вызывают нарушения про-

цессов кровеобразования, повреждения печени и почек, вызыва-

ют неврологические эффекты, угнетают процессы развития и роста организма, способствуют развитию слабоумия (см. также п. 5.5). с 2003 г. использование этилированного бензина в России запрещено законом.

5.11. Общие сведения об определении выбросов от автомоби-

лей

Выбросы от автомобилей определяются на расчётном участ-

ке или в расчётной точке в виде пробеговых (на километр пути)

или валовых (в секунду, в час, в год) масс вредных веществ. Рас-

чёты основываются на экспериментальных данных по выбросам конкретных автомобилей и измеренной (или заданной) интенсив-

ности транспортного потока N∑ – автомобилей в час. Наиболее распространены три разновидности таких оценок:

-расчёт часовых валовых выбросов в узлах и пробеговых на участке по аппроксимирующим зависимостям или графикам;

-расчёт по удельным расходам топлива;

-расчёт по удельным выбросам.

Впервых двух случаях рассчитываются лишь три основных группы вредных веществ: окислы азота, углерода и углеводы.

Остальные компоненты в случае необходимости могут быть пе-

ресчитаны по соотношениям между удельными выбросами, экс-

периментально определенными в третьей методике.

Результаты расчётов приводятся в величинах валовых мас-

совых пробеговых (на 1 км) Мпр или узловых Мiпр – выбросах в секунду или час. Для дальнейших оценок загрязнения необходи-

мо привести узловые выбросы к единице пути (одному километ-

ру) и только после этого суммировать их с пробеговыми. При-

ближённо можно принимать, что величина этих выбросов равно-

мерно распределена по всему расстоянию между соседними све-

тофорами Lсфп. Если на расчётном участке один светофор, то

выбросы распределяются по длине этого участка (величине пути) Lп = Lсфп :

	M	i	M	i		Miyп	, кг/ч-км	(9)
		n		прn		Lсфп

где n – участок; i – вредное вещество для потока автомобилей

N∑, 1/ч.

После такого приведения и суммирования можно оценить валовые выбросы на данном участке за сутки, квартал или год.

При оценке важно знать, какая интенсивность N∑ принята в рас-

чётах. Если это – среднесуточная и она определена по результа-

там многодневных наблюдений, то годовые валовые выбросы по-

лучаются умножением на число часов в году и переводом кило-

граммов в тонны (365 х 24 х 10-3 = 8,76):

M	i	8,76 M	i	, т/год-км	(10)
	n		n

где Mi n - валовые выбросы i-го вещества в час на п-том участке.

Если же в качестве расчётной интенсивности принимается

максимальная (пиковая) интенсивность транспортного потока

N∑max, то необходимо предварительно оценить связь между ею и среднесуточной N∑ на данном участке. В настоящее время едино-

го переводного коэффициента φсут п для этого случая нет: для раз-

ных участков в различных городах этот коэффициент отличается в несколько раз. Тем не менее при пересчёте валовых выбросов в годовые, если величина валовых часовых выбросов определена по максимальной часовой интенсивности N∑max, необходимо учи-

тывать поправку φсут п:
Мi∑п год = 8,76 · φсут п · МiΣп , т/год-км.	(11)
По нашим исследованиям для наиболее напряжённых транс-
портных магистралей крупных городов, которые	частично ис-

пользуются транзитным автотранспортом, можно принимать наибольшее значение коэффициента осреднения φсут п равным 0,5.

Для других улиц наиболее часто применяются значения φсут п от

0,2 до 0,3.

Годовые валовые выбросы выше получены умножением су-

точных на число дней в году. Для более точных оценок необхо-

димо ввести поправку на уменьшение транспортных потоков в определённые дни и периоды года (например, выходные и небла-

гоприятные для поездок дни, отпускной период и др.).

Покажем, как определяются величины валовых массовых се-

кундных и часовых выбросов Мi по различным методикам.

5.11.1. Оценка выбросов по аппроксимирующим графикам

Данная методика даёт возможность достаточно просто и бы-

стро приближённо оценить значение пробеговых и узловых вы-

бросов трёх вредных веществ: окислов азота NOx, углерода СО и углеводородов СxH y по интенсивности движения транспортного потока по одной полосе (в одном направлении) Na. Графики МАДИ (рис. 5.8) построены для конкретного состава транспорта в потоке: верхние кривые – для состава из 50 % легковых машин, 40 % - грузовых и 10 % - автобусов (50/40/10); средние – 75/20/15;

нижние – 95/0/15. для других соотношений необходима интерпо-

ляция (кроме того, при приближённых оценках допустимо авто-

бусы и грузовые машины суммировать).

Если две полосы движения по составу и интенсивности при-

мерно равноценны (NΣ = 2 Nа), то полученые по графикам зависи-

мости (9) значения выбросов MΣа следует просто удвоить для по-

лучения суммарных валовых выбросов MΣ. Целесообразно также

примерно оценить выбросы бенз(а)пирена С20H12. Это	можно
сделать, используя экспериментальные данные:
М С20H12 = (0,5…1) · 10-6 МСxHy.	(12)

В целом данная методика удобна для приближённых экс-

пресс-оценок при сравнительно небольших интенсивностях транспортных потоков. Но в ней в явном виде не учитываются марки машин, скорость движения, индивидуальный состав транспортного потока.

5.11.2. Расчёт выбросов по расходу топлива

Данная методика может давать более точные результаты для

расчётов влияния транспортных потоков, у которых известен со-

став проходящих на расчётном участке машин (в идеальном слу-

чае – по их маркам). Это позволяет использовать современные данные по расходу топлива Gj известной (или типовой для дан-

ной j-той группы) марки машины на один километр пути (г/км).

Базовая норма расхода топлива для данной машины Hsj в литрах на 100 км может быть взята по справочникам (порядок более точ-

ных оценок описан в п. 5.12):

Gj = 10 · Hsj · ρ, г/км,

(13)

где Hsj - л/100 км; ρ – плотность топлива, г/см3.

Чаще всего при обследовании транспортных потоков опре-

деляется типовая по расходу топлива модель машины данной группы ( легковые, грузовые, автобусы, другие транспортные средства) и для каждой j-той группы подсчитываются пробеговые выбросы i-того вредного вещества qij одной машины данной мо-

дели:

	i	i		G j
	qj	= Aj	·		·mv, г/км,	(14)
				Tj

где Aji – эмпирический коэффициент, определяющий величину выброса i-го вещества (типовой для j-той группы машин) в соста-

ве ОГ на один грамм сгоревшего топлива; Tj – коэффициент, учи-

тывающий возраст и техническое состояние двигателя; mv – ко-

эффициент, учитывающий зависимость полноты сгорания топли-

ва от средней скорости движения. (Для данных расчётов средняя скорость движения vi на участке должна быть известна).

Эта методика удобна тем, что позволяет корректировать рас-

чёты по мере совершенствования транспортных моделей путём изменения коэффициентов Ai и учитывать их срок службы вели-

чиной Tj. Недостаток её (как и методики с использованием гра-

фиков МАДИ) – небольшая выборка вредных веществ в ОГ. Дос-

тоинство – наглядность. По нашим оценкам для современных машин можно принимать величины коэффициентов такими:

Aco = 0,75; ACxHy = 0,16; ANox = 0,14; T = 1…2. Если в потоке дан-

ной группы превалируют отечественные машины 3-5-летней дав-

ности, то T = 1,5, если более старые машины – T = 2. Для сравни-

тельно новых машин (отечественных – до 3-х лет, зарубежных – до 6 лет) T = 1. Скоростной коэффициент mv наименьший – при расчётной скорости v = 60 км/ч (см. таблицу 5.6).

Таблица 5.6

Величины коэффициента mv

v,	до 20	30	40	50	60	70	80	100
км/ч
mv	0,72	0,6	0,45	0,22	0,1	0,12	0,16	0,2

По величине пробеговых выбросов qi подсчитываются мас-

совые валовые выбросы за час для j-тых машин с интенсивно-

стью Nj, 1/час:

Mji = Σ qji ·Nj, г/км·ч	(15)
Для всего потока из j групп:
MiΣ = Σ Mji = Σ Σ·qji Nj.	(16)

Годовые валовые выбросы на данном участке определяются по зависимости (10),если интенсивность NΣ – средняя за сутки,

или по зависимости (11), если NΣ – максимальная. И здесь остает-

ся в силе замечание об учёте возможных изменений интенсивно-

сти потока в различные дни.

Для оценок выбросов бенз(а)пирена и в этом случае можно использовать зависимость (12).

5.11.3. Расчёт по удельным выбросам

Данная методика рекомендована надзорными органами для оценки загрязнения атмосферы городов выбросами автотранс-

порта. В качестве исходных данных при расчётах разработчики методики из НИИ «Атмосфера» предлагают использовать пробе-

говые выбросы i-го вредного вещества для одной машины j-той группы qji, г/км (как и в методике расчётов по расходу топлива – зависимость (14), и, кроме того – узловые выбросы (в зоне перекрёстка) qyji, кг/ч.

Методика основана на экспериментальных оценках величи-

свфi

ны qi в С.-Петербурге, Воро6неже и областях – Пермской,

Псковской, Ленинградской. Эти данные обобщены в трёх табли-

цах. В таблице 5.7 даны величины пробеговых выбросов qi, г/км,

для семи основных вредных выбросов (восьмой – соединение свинца – в таблице опущен ввиду запрета на использование эти-

лированного бензина) для семи групп машин – от легковых кар-

бюраторных и дизельных до грузовых газовых. Легко убедиться в том, что расчёты qi по зависимости (14) – по расходу топлива для типовых машин – дают результаты, аналогичные величинам таблицы 5.7.

Поскольку в таблице 5.6 пробеговые выбросы приведены к скорости v = 30 км/ч, то для учёта влияния скорости движения на величину выбросов вводится коэффициент nv – таблица 5.8 (при этом для NOx коэффициент nvNOx = 1).

Кроме того, в методике приводятся узловые выбросы (в зоне перекрёстка) qyji за минуту. В таблице 5.9 эти данные (без выбро-

сов соединений свинца, величины которых в связи с законода-

тельным запретом истользования этилированного бензина поте-

ряли смысл) пересчитаны на час. Это облегчает их суммирование с пробеговыми выбросами qi (таблица 5.6) по принципу, описан-

ному выше – с учётом расстояния между светофорами L .

Оценки показывают, что в этом случае необходимо учитывать относительное время закрытия светофора за час ψj.

Таблица 5.7

Пробеговые выбросы одиночной типовой машины, г/кг

				Выбросы qi, г/км
Наименование	Но-
		СО	NOx (в	CxHy	са	SO2	фор-	бен-
группы автомо-	мер		пере-		жа		маль-	з(а)-
билей	груп		счёте				дегид	пи-
	-пы		на					рен
			NO2)
Легковые карбю-	I	19,0	1,8	2,1	-	0,065	0,006	1,7·10-6
раторные
Легковые дизель-	Iд	2,0	1,3	0,25	0,	0,21	0,003	-

ные					1
Грузовые карбю-	II	69,4	2,9	11,5	-	0,2	0,02	4,5·10-6
раторные грузо-
подъёмн. до 3 т (в
т.ч. работающие
на сжиженном
нефтяном газе) и
микроавтобусы
Грузовые карбю-	III	75,0	5,2	13,4	-	0,22	0,022	6,3·10-6
раторные грузо-
подъёмн. более 3 т
(в т.ч. работаю-
щие на сжижен-
ном нефт. газе)
Автобусы карбю-	IV	97,6	5,3	13,4	-	0,32	0,03	6,4·10-6
раторные
Грузовые дизель-	V	8,5	7,7	6,0	0,	1,25	0,21	6,5·10-6
ные					3
Автобусы дизель-	VI	8,8	8,0	6,5	0,	1,45	0,31	6,7·10-6
ные					3
Грузовые газо-	VII	39,0	2,6	1,3	-	0,18	0,002	2,0·10-6
баллонные, рабо-				без
тающие на сжатом				CH4
природном газе

Таблица 5.8

Коэффициент nvi

Средняя скорость движения, км/ч

V	10		15		20	25			30		35	40		45		50			60			75		80	100
nv	1,35		1,28		1,2	1,1			1		0,88	0,75		0,63		0,5			0,3			0,45		0,5	0,65
																						Таблица 5.9
					Удельные узловые выбросы, г/ч
Наименование				Номер									Выбросы qyji
группы				группы
							CO				NOx	CH			са-		SO2			фор-			бенз(а)-
															жа					маль-				пирен
																					де-
																					гид
Легковые кар-					I		210				3	15			-		0,6			0,048				156·10-6
бюраторные

Легковые ди-	Iд	7,8	4,8	3,6	2,1	2,4	0,048	-
зельные
Грузовые кар-	II	378	4,5	60	-	1,2	0,09	240·10-6
бюраторные
грузоподъёмн.
до 3 т (в т.ч.
работающие на
сжиженном
нефтяном газе)
и микроавтобу-
сы
Грузовые кар-	III	1104	12	177,	-	1,68	0,36	264·10-6
бюраторные				6
грузоподъёмн.
более 3 т (в т.ч.
работающие на
сжиженном
нефт. газе)
Автобусы кар-	IV	966	9,6	158,	-	1,8	0,72	270·10-6
бюраторные				4
Грузовые ди-	V	171	48,6	18	4,2	4,5	0,9	378·10-6
зельные
Автобусы ди-	VI	184,8	42	246	5,4	5,4	12	384·10-6
зельные
Грузовые газо-	VII	386,4	5,4	15,6	-	0,6	0,024	216·10-6
баллонные, ра-				без
ботающие на				CH4
сжатом при-
родном газе

Общий удельный выброс типовой машины в этом случае оп-

ределяется так:

qiΣj = qji ·nv	+			· qiyji, г/км;		(17)
		Lсфn
Ψ = 1 –			tоткр		,	(18)
			час

где qji – табл. 5.6; nv – табл. 5.7; qyj – табл. 5.8; Lcфn – в км (обычно

берётся Ln = 1 км); tоткр – относительное время открытия светофо-

час

ра за час (изменяется от 0 до 1).

В дальнейшем расчёт ведется по обычной схеме: массовые