Нормы выбросов вредных веществ автомобилями в мире. Справка
Руководство Европейского союза рассчитывает сократить автомобильные выбросы СО2 на треть в течение следующих двенадцати лет, от показателей пока ещё не наступившего 2021 года, к которому производителям автомобилей необходимо прийти со средними показателями, равными 95 грамм на километр. Другими словами, к 2030 году средние показатели выбросов СО2 автомобилями должны составлять 66 граммов на один километр, при этом промежуточным маркером назван 2025 год.
Тестирование на новые нормы выбросов СО2 в ЕС
Сокращение средних показателей выбросов углекислого газа автомобилями позволит снизить парниковый эффект, по крайней мере, на это рассчитывает руководство Европейского союза, которое в этой связи призывает всех автопроизводителей сместить акцент на выпуск электрических, или по меньшей мере, гибридных автомобильных транспортных средств. Свой призыв еврокомиссия решила подкрепить существенными финансовыми инвестициями, размер которых составит не менее 800 миллионов евро, которые будут потрачены на создание придорожной инфраструктуры, а именно, станций быстрой зарядки для электрокаров. Кроме того, дополнительные 200 миллионов евро руководство Европейского союза намеревается инвестировать в проведение дальнейших разработок энергоёмких аккумуляторных батарей.
Штрафы для автопроизводителей
Дабы подстегнуть интерес к своему призыву, еврокомиссия вводит штрафные санкции, которыми будут облагаться автопроизводители, которым не удалось снизить средние показатели выбросов углекислого газа. Штраф, в принципе, для автопроизводителей не большой, его размер уже известен и составляет он всего 95 евро, правда, за каждый лишний грамм СО2. Показатели превышения средних нормативов будет измеряется в зависимости от года выпуска автомобиля и нормативов, действующих в это время.
Новые нормы выбросов СО2 в ЕС
Следует признать, что практически все без исключения ведущие европейские автопроизводители в настоящее время изыскивают всевозможные способы для достижения намеченных норм сокращения выбросов СО2, среди них можно назвать использование в производства автомобилей более легких строительных материалов, сокращение объема двигателя, использования системы турбонаддува и так далее. Примечательно, что все они говорят о своих стараниях, а также о том, что результаты им даются непросто, из чего можно сделать вывод, что подобные мероприятия, являются ещё и финансово затратными. Для нас, для потенциальных покупателей экологически чистых автомобилей, это означает, что можно ожидать повышение стоимости машин буквально к 2021 году.
Планы, касательно резкого сокращения количества выбросов СО2 не раз комментировали официальные лица крупнейших автопроизводственных компаний. В частности, генеральный директор Mercedes-Benz откровенно критиковал подобные решение еврокомиссии, на что ему отвечали, что сделать это при желании можно, причём с весьма приемлемыми финансовыми затратами.
Реальные тесты вместо лабораторных
Кстати, европейские автопроизводители сегодня активно обсуждают и ещё одну проблему, а именно, прохождение испытаний по системе WLTP, то есть сдачу тестов на выброс СО2 в реальных условиях вождения автомобилей. Данная система тестирования должна заменить прежнюю, когда тестирование проводилось в условиях лабораторий, и заработать нововведение на территории Европейского союза в первый осенний день текущего 2018 года. Многие аналитики отмечают, что подобная жёсткая система тестирования поставит европейских автопроизводителей в невыгодные условия на мировом рынке. Более того, некоторые эксперты уверены, что автомобили в рамках нового тестирования не покажут даже 130 г/км, не то чтобы 95 км, как того требуют нормативы 2018 года, а это говорит о том, что кое-кому из них нужно приготовиться к выплатам миллиардных штрафов.
Экологические нормы, зелёные технологии
Что случится в сентябре, а тем более в 2021 или 2030 году, предугадать трудно, но, похоже, электрические автомобили завоюют рынок, по меньшей мере европейский, гораздо раньше.
Контроль токсичности ОГ дизеля на тормозном стенде
Предельно допустимые показатели дымности при испытаниях автомобилей с дизелями
*Нормы даны для эффективной базы дымомера L = 0,43 м.
Контроль на стенде с беговыми барабанами . Контроль токсичности ОГ дизелей, установленных на автомобилях с полной массой от 400 до 3500 кг, осуществляется на режимах ездового цикла на стенде с беговыми барабанами по ОСТ 37.001.054-86, который распространяется на автомобили с бензиновыми двигателями и с дизелями. В Европе эти испытания проводятся по Правилам № 83.03 (тип 1). Нормы на выброс СО, СН + NОх и частиц приведены в табл. 10.
Таблица 10
| Номер режима | Частота вращения коленчатого вала дизеля, мин -1 | Процент нагрузки от максимальной на данном режиме |
| n x min | ||
| n x max | ||
| n x max | ||
| n x max | ||
| n x max | ||
| n x max | ||
| n x min | ||
| n x ном | ||
| n x ном | ||
| n x ном | ||
| n x ном | ||
| n x ном | ||
| n x min |
Примечания:
1 - n x min – минимальная частота вращения вала двигателя при работе на холостом ходу;
2 - n x max – частота вращения, соответствующая максимальному значению крутящего момента;
3 - n x ном – частота вращения, соответствующая номинальной мощности.
Испытания проводятся на стенде, оборудованном приборами по ГОСТ 14846-81 и аппаратурой для измерения выбросов СО, СН и NОх.
При испытании должны регистрироваться:
Концентрации в отработавших газах оксида углерода (% объема), углеводородов и оксидов азота (млн -1);
Частота вращения коленчатого вала, мин -1 ;
Крутящий момент дизеля, Нм;
Часовой расход топлива, кг/ч;
Часовой расход воздуха, кг/ч;
Температура отработавших газов, охлаждающей жидкости, масла, воздуха и топлива, 0 С;
Разрежение во впускном трубопроводе, мм вод. ст; противодавление в выпускном трубопроводе, мм вод. ст.; барометрическое давление, мм рт. ст.
Газовый анализ ОГ должен выполняться с помощью быстродействующих газоанализаторов непрерывного действия с регистрацией результатов анализа на ленте самописца со скоростью протяжки не менее 10 мм/мин.
Для определения концентрации СО должен применяться недисперсный инфракрасный газоанализатор, для СН – пламенно-ионизационный, а для NОх – хемилюминесцентный. Относительная погрешность газоанализаторов не должна быть более ±3% от предельного значения шкалы для любого компонента.
При испытаниях дизелей с целью снижения потери углеводородов в трубках подвода СН к газоанализатору делается подогрев пробоотборной системы, обеспечивающий температуру пробы ОГ в диапазоне 150-200 0 С.
Расчет удельного выброса вредных веществ в г/(кВтч) производится по формулам, приведенным в стандарте.
Дизель считается соответствующим требованиям стандарта, если величины удельных выбросов СО, СН и NОх за испытательный цикл не превышают норм, указанных в табл. 11.
Первые нормы токсичности выхлопа появились в середине 80-х годов в Калифорнии, когда выяснилось, что Лос-Анджелес и Сан-Франциско задыхаются от смога. И сегодня законодательство этих штатов - самое суровое в мире в этом вопросе. Остальные подтягиваются. Во всей Европе, в Америке и Японии законодатели жмут на производителей автомобилей, заставляя их снижать вредные выбросы двигателей. Исполнение их требований становится все дороже и дороже. При этом среди автовладельцев упертых «зеленых» не так уж и много. Последние вообще считают машины злом и ездят на велосипедах и электричках. Остальные же считают удорожание техники неизбежным налогом, который надо заплатить, чтобы спать спокойно.
За что же платим? Основными вредными веществами, которые выбрасывает автомобильный двигатель, являются угарный газ, оксиды азота и не сгоревшие углеводороды. Их выбросы на сегодня ограничены практически до нуля. Есть еще углекислый газ, но пока его принимают неизбежным злом, и избавиться от него, не перейдя на питание водородом, не удается. Поэтому пытаются сократить нормы выделения, но они жестко завязаны на расход топлива, а тот – на размеры и вес автомобиля.
Про углекислый газ мы поговорим позже, а пока – про все остальное. Первым под борьбу попал угарный газ. Автомобилисты со стажем помнят, как вдоль дорог стояли инспектора с газоанализаторами и проверяли старые советские машины на концентрацию СО в выхлопе. У нас это началось на десятка полтора лет позже, чем в Америке. А там первой реакцией на введение норм концентрации вредных веществ в выхлопе стала установка систем, подающих дополнительный воздух в выхлопную трубу. Подавалось это под соусом дожигания топлива на выпуске, но, по сути, было просто разведением для снижения концентрации СО.
Законодатели это «просекли» и запретили. Пришлось заняться разработкой систем впрыска топлива, которые могли точнее регулировать процессы смесеобразования и исключать неполное сгорание. Потом появились катализаторы, которые довольно эффективно очищали выхлопные газы, оставляя только воду и углекислый газ. Для дизельных двигателей тогда все еще было относительно спокойно, ведь в их выхлопе нет угарного газа.
Борьба пошла по нарастающей. С 2000 года в Европе появились нормы на оксиды азота и несгоревшие частицы. И здесь бензиновым моторам особых проблем не прибавилось, а вот у дизелистов они начались.
Когда форсунка впрыскивает топливо, на краях факела воздуха много, и топливо хорошо горит - синий цвет на фото А, а в середине кислорода не хватает - там пламя оранжевое. За счет завихрений в камере сгорания можно организовать подачу воздуха к зоне горения, но для этого его должно быть в избытке. Темные зоны на фото В – место где находится избыточный воздух и происходит окисление азота.
Ведь для того, чтобы дизель работал, воздух в нем сжимается в 20-40 раз, нагреваясь до очень высоких температур. Сжать так смесь невозможно, она просто сдетонирует гораздо раньше. Топливо впрыскивается в цилиндр почти в самом конце такта сжатия и факел начинает гореть по краям, а потом догорает то, что в середине. И все равно в камере сгорания остается много воздуха, которому не хватило топлива.
В итоге кислород вступает в реакцию с азотом, и остается много топлива, которому не хватило воздуха. При этом образуются оксиды азота и частицы несгоревших углеводородов. Проблема заключается в том, что одновременно избавиться от обоих вредных веществ не получается. Тщательно регулируя момент и давление впрыска и закручивая вихри в камере сгорания, производители смогли довести двигатели до норм Евро-3.
Дальше можно было только уменьшить что-то одно за счет другого. А с оставшимся бороться уже на выходе. А законодатели жмут. Начиная с Евро-4, токсичность контролируется специальными органами и все сбои фиксируются в памяти блока управления на 400 дней. В Европе транспортная инспекция может в любой момент проверить эти коды и вкатить такой штраф, что мало не покажется. А чтобы даже в отсутствие догляда неповадно было загрязнять окружающую среду, в систему управления двигателем встроена функция NOx-контроль, которая отрубает 2/3 крутящего момента, если засекает превышение норм.
Производители пошли разными путями. Одни решили повысить температуру в цилиндрах и тщательнее сжигать топливо, а с возросшим количеством оксидов азота бороться с помощью системы последующей обработки выхлопа SCR. В глушитель таких машин встроен ванадиевый катализатор, а в выпускной коллектор - форсунка, которая впрыскивает специальный реагент - мочевину, которую из скромности называют AdBlue или DEF. Испарившийся раствор разлагается на аммиак и воду, а на поверхности катализатора происходит реакция между ним и оксидом азота. В результате получается еще вода и чистый азот.
Насос подает реагент (раствор мочевины NH2+H2O) к дозирующему устройству, которым управляет электронный блок на основании показаний двух датчиков концентрации NOx (на схеме не показаны). Первый стоит до катализатора, второй – контрольный – после. Определенное количество раствора впрыскивается в выхлопной коллектор, где испаряется и вместе с отработавшими газами попадает в катализатор. На активной поверхности катализатора оксиды азота реагируют с выделившимся из раствора аммиаком и превращаются в азот и воду. Для европейских машин эти системы производят Bosch и Highlite.
Все было бы просто замечательно, но есть несколько проблем, решить которые до сих пор полностью не удается. И связаны они в большей степени не с техникой, а с человеческим фактором.
Аммиак возить в машине нельзя – это сильный яд, поэтому применяют раствор карбамида (мочевины), который состоит в основном из воды, но стоит около 1 евро за литр. Грузовые машины Евро-4 потребляют около 2-4 литров реагента, как аккуратно называют этот состав, на 100 км, а Евро-5 – до 8 литров.
Как обманывают?
Жаба наносит первый удар в мозг владельца и он начинает искать обходные пути. Самый безобидный для природы – это попытка заменить фирменный реагент чем-нибудь подешевле. В странах бывшего соцлагеря очень любят покупать удобрения, которые разводят в грязных ведрах. Но система очень чувствительна к загрязнениям и качеству мочевины. Результат – забитые фильтры, закристаллизованные распылители, сгоревшие катализаторы. К таким же результатам приводит и просто отказ от заливки мочевины вообще. Если некоторое время поездить без нее, скорее всего, катализатор выгорит, и для возврата системы к работе его придется поменять.
Вторая проблема – это головотяпство. Хотя бачок для реагента имеет синюю крышку, в него регулярно пытаются налить солярки. А для резинок в насосе и клапанах системы - это смерть. В последнее время появились ремкомплекты, а раньше весь блок SCR отправлялся на помойку.
Зная все это, Scania, MAN и многие производители легковых дизелей избрали другое направление. Они используют рециркуляцию отработавших газов, или EGR. В этой системе часть отработавших газов охлаждается и направляется обратно на впуск. Там, смешиваясь с воздухом, они создают смесь, которая хуже пропускает фронт пламени при взрыве. Горение происходит медленнее, температура понижается, и окисление азота уменьшается.
А кроме того, в смеси меньше концентрация кислорода и, следовательно, меньше вероятность встречи неиспользованного кислорода с азотом, что также уменьшает образование вредных веществ. Для двигателей Евро-4 возврат составляет около 10%, а для Евро-5 – до 30%.
Преимущество EGR - в отсутствии дополнительных жидкостей и катализаторов. Следовательно, и цена всей системы, как при покупке, так и в процессе эксплуатации гораздо ниже. Но все не так просто… Снижение температуры снижает КПД, а значит, растет расход топлива.
Еще одним препятствием стало качество топлива. Сера, которая содержится в солярке, тоже охотно вступает в реакцию с кислородом и образует оксид, который, растворяясь в воде, превращается в серную кислоту. Если эта кислота сразу вылетает на улицу, она портит окружающую среду, но не вредит двигателю. Но в случае возврата в цилиндры начинает разъедать все на своем пути. Особенно пока мотор не работает.
Для дизельных двигателей с EGR требуется топливо, в котором серы - меньше пяти частей на миллион. До недавнего времени российский норматив по содержанию серы был почти в 40 раз больше, и хотя сейчас он полностью соответствует европейскому (не более 10 мг на килограмм), в стране процветает нелегальная торговля соляркой, которая не соответствует техрегламенту. И если в крупных городах «паленого» топлива не так много, то в провинции и на трассах – полно. В наихудшем случае регулярная заправка плохой соляркой обернется полной заменой поршневой группы и топливной системы через пару лет. А это легко потянет на десяток-другой тысяч в европейской валюте. Поэтому Scania запретила продажу таких машин во всех странах бывшего соцлагеря. Для них предлагают машины с мочевиной.
Что нас ждет впереди
А с Евро-6 все еще сложнее, потому что там обе системы работают вместе, катализаторов в глушителе - 3 штуки, да еще и сажевый фильтр впридачу. И частицы теперь меряются не концентрацией, а поштучно, за 1 час. Если посмотреть на все это глазами автомобильного инженера ХХ века, то это просто кошмар.
Химики, которые создавали блок катализаторов, называют его химической фабрикой, а двигатель пренебрежительно именуют источником сырья и тепла. Цена такой фабрики в Европе – около 13 тысяч евро, а сколько он будет стоить у нас - даже думать страшно.
Чтобы неповадно было все это отключать, в систему встроен контроль, который уже не мощность «рубит», а скорость. Например, кончилась мочевина в бачке - и скорость падает до 25 км/ч. Ползи себе потихоньку до ближайшей колонки, где сможешь ее купить. Еще одна фишка законодателей – если до сих пор машина считалась удовлетворяющей нормам по факту своего рождения, то для Евро-6 предусмотрен выборочный контроль машин с пробегом.
В двигателях Евро-6 использованы обе системы, и SCR, и EGR. До 30% отработанных газов, пройдя через охладитель, возвращаются в цилиндры, чтобы снизить температуру и уменьшить образование окислов азота. А то, с чем они не смогли справиться (1), обрабатывается в глушителе, где сперва стоит окислительный катализатор (2), дожигающий все то, что не сгорело, потом фильтр твердых частиц (3). После этого газы выходят в смесительную камеру (6), куда через сопло (4) подается реагент(5), который испаряется, и все это вместе попадает, собственно, в SCR – катализатор, в котором происходит реакция между мочевиной и остатками NOx (7). А на выходе – катализатор, расщепляющий оставшийся от реакции аммиак (8). Весь этот блок весит 130 кг.
Цена «химических фабрик» столь сладка, что их приладились делать не только производители автомобилей, но и такие, казалось бы далекие от глушителей фирмы, как Эбершпехер. На снимке полный ряд для всех основных европейских брендов.
А стоит ли овчинка выделки?
Нашему человеку, в массе своей, все эти затраты кажутся совершенно излишними. А уж ограничения, накладываемые так называемым NOx-контролем, и подавно. В общем-то, европейским водителям тоже, поэтому в систему и встроены неудалимые коды неисправности, а отключить ее нельзя, она забита в двигатель «по железу».
И здесь опять битва щита и меча. Экологи проводят через законодательство все более жесткие меры. Производители бьются над их выполнением. А в это время большинство европейских и китайских чип-тюнеров и прочих электронных мудрецов забросила работы по повышению мощности двигателя и сосредоточилась на обмане систем контроля токсичности. Спрос на эти услуги, учитывая сказанное выше, огромный даже в старой законопослушной Европе. А уж у нас в стране он просто обвальный.
Обмануть можно - пока. Это даже не очень сложно и дорого. Точнее, можно отключить NOx-контроль, поснимать элементы систем и думать, что теперь двигателю стало легче жить. На самом деле, крутящий момент действительно перестает ограничиваться, но двигатель входит в аварийный режим работы, а на панели горит лампочка повышенной токсичности выхлопа. Особенно это касается машин с EGR, где многие функции управления двигателем завязаны на соотношение воздуха с отработавшими газами.
Если просто перекрыть поток отработавших газов на впуск, система заметит недостаток давления в коллекторе и включит обходную программу, которая заменит недостающие данные усредненной величиной. Когда такое происходит, мощность двигателя уменьшается на 40%. Если это ограничение снять, двигатель будет работать при сильном недостатке воздуха, что снижает экономичность и повышает дымность выхлопа. В дальнейшем это приводит к залеганию колец.
Реально отключить систему можно только полностью заменив программное обеспечение блока управления, но это обычно делается только через завод-изготовитель. А он, зная, что после такой переделки машина перестанет выполнять местное законодательство, скорее всего, откажет. Хотя для некоторых машин прошивки появились уже и у наших умельцев.
Желание сэкономить здесь и сейчас – это наш национальный вид спорта. Но почему-то, приезжая в Германию или Швецию, мы с удовольствием вдыхаем чистый воздух их городов, а возвращаясь на родину, клянем начальников, заставивших нас платить за «никому не нужные» Евро…
Результат попадания топлива в бак реагента: Прокладки насоса испортились и мочевина потекла внутрь блока управления (коричневые кристаллы)
К 2020 году в Европе выбросы углекислого газа у новых автомобилей должны быть снижены до 95 г/км. К таким показателям будут стремиться и автопроизводители других континентов. В настоящее время норма выброса составляет 130 г/км. Нормативный уровень выбросов CO 2 зависит от снаряженной массы и высчитывается для каждого автомобиля по формуле: СО 2 =130+а*(М-М 0), где М - масса автомобиля в снаряженном состоянии в килограммах, М 0 =1372 кг, а=0,0457. В 2016 году значение М 0 будет пересмотрено.
Важно знать, что каждый производитель получает показатель по среднему уровню выбросов всей выпускаемой линейки автомобилей, а не отдельного экземпляра . Это не просто норма: за ее нарушение компания должна платить штрафы, и немалые. За каждый выпускаемый автомобиль, выбросы CO 2 которого превышают средний установленный уровень, платится 5 евро при превышении на 1 г/км, 15 евро - за превышение на 2 г/км, 25 евро - 3 г/км, а после превышения на 4 г/км каждый грамм обходится производителю в 95 евро. С 2019 года все будет еще строже - каждый грамм превышения нормы обойдется в 95 евро!
Но кроме кнута есть и пряник. Каждый производитель может получить бонус, если сократит выбрасываемый углекислый газ до 7 г/км. Правда, при условии применения инновационных технологий на выпускаемых автомобилях. В качестве примера мы взяли четыре автомобиля, три из которых укладываются в действующую норму:
- 1.4, мощность - 150 л.с., средний расход топлива - 5,0 л/100 км; выбросы CO 2 - 116 г/км
- Renault Logan 1,6, мощность - 102 л.с., средний расход топлива - 7,1 л/100 км; выбросы CO 2 - 167 г/км
- Mercedes-Benz C-класса 1,6, мощность - 156 л.с., средний расход топлива - 5,5 л/100 км; выбросы CO 2 - 126 г/км
- Porsche Cayenne S E-Hybrid , мощность - 333 л.с., средний расход топлива - 3,4 л/100 км; выбросы CO 2 - 79 г/км; расход электроэнергии - 20,8 кВт/ч/100 км; класс эффективности: А+
Видите ли, расход топлива и выбросы вредных веществ в атмосферу замеряют на беговых барабанах по определенной методике. А почему не на дороге, ведь так было бы честнее? Сейчас это невозможно, и на то есть ряд причин. Первая - сопоставимость результатов, на них не должны оказывать ни влияние погодные условия, ни состояние дороги, ни другие факторы, которые смогут исказить результат. Вторая важная причина - сбор отработавших газов для анализа. Собрать их, когда автомобиль движется, затруднительно. Поэтому испытания проводят на беговых барабанах, имитируя реальные дорожные условия.
Сегодня в мире наиболее распространены три методики определения расхода топлива: европейская NEDC, американская FTP-75 и японская JC 08. Они различаются по многим параметрам. Самая длинная и скоростная - американская. Японская отличается самой маленькой средней скоростью - всего 24,4 км/ч. Это связано с имитацией значительных простоев на светофорах. Европейская самая вялая - максимальное ускорение не превышает 0,83 м/с 2 . Но есть у них и общее: все три методики далеки от реального цикла движения машины, так что автомобильные компании научились приспосабливаться к ним.
Слабое звено
Рассмотрим европейскую NEDC для оценки расхода топлива автомобилей полной массой до 3500 кг. Продолжительность теста - всего 1220 секунд. За это время имитируется городской (скорость ограничена 50 км/ч) и загородный режимы движения с максимальной скоростью до 120 км/ч. При этом заданную скорость надо развить за определенное время. Например, чтобы разогнаться в городском цикле с места до 50 км/ч, необходимо затратить 26 секунд. Если вы в реальной жизни так долго будете ускоряться со светофора, вам начнут сигналить, а агрессивные водители еще и подрежут и покажут нехороший жест.
Теперь становится понятным, почему для разгона современной малолитражки приходится вжимать педаль акселератора чуть ли не в пол. Когда в автомобилях за все отвечает процессор, а объем поступающей и обрабатываемой информации исчисляется мегабайтами, выполнение теста становится делом написания алгоритма совместной работы двигателя и трансмиссии. И не важно, что потребителю не понравится поведение автомобиля в городском цикле, а реальный расход топлива не будет совпадать с заявленным. Тест пройден, расход и выбросы соответствуют нормам. Какие выбросы покажет автомобиль на автобане, когда он превысит скорость замеров в тесте, уже никого не интересует. Все знают, что значительно больше, но правила соблюдены, значит - все в порядке.
Пример из жизни. Когда автомобиль «Москвич-2141» готовился к выпуску в 1986 году, были проведены замеры по расходу топлива на беговых барабанах. Он оказался не очень хорошим. Надо было его чуть снизить. Двигатель трогать не стали, тем более его изготавливали на другом заводе. Поэтому решили поэкспериментировать с главной передачей: чем ниже передаточное число при схожем режиме движения, тем ниже расход топлива. Поменяли главную передачу, вместо передаточного числа 4,1 поставили 3,9. Нужные цифры по расходу достигли, а покупатели получили машину со слабой динамикой. Зато неплохо обогатились гаражные мастера, ведь сарафанное радио очень быстро разнесло, что за небольшие деньги можно из тихохода сделать динамичный хэтчбек.
Калибровка
В начале статьи мы привели в качестве примера Porsche Cayenne S E-Hybrid со средним расходом 3,4 л/100 км и выбросом CO 2 79 г/км. Вы этому верите? Я - нет. Для сравнения возьмем обычный Porsche Cayenne с бензиновым двигателем мощностью 300 л.с. Его средний расход заявлен на уровне 9,2 л/100 км, а выбросы CO 2 - 215 г/км. Разница по расходу и выбросам CO 2 почти в три раза. Что это - технологии или несовершенство теста NEDC? Очевидно, что на автобане гибридный автомобиль растеряет всю свою экологичность, ведь количество выбросов напрямую зависит от потребления топлива. Задумайтесь, новый Ford Fiesta во время недавнего марафона на выносливость «60 часов „За рулем“ имел средний расход 16,8 л на 100 км, а выбросы CO 2 значительно превзошли норму. И такая картина практически у каждого автомобиля.
Но ожидается, что в 2017 году вступит в действие новый измерительный цикл WLTC (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures). Это уже будет не региональный, а мировой тест. Он представляет собой серию циклов для автомобилей полной массой до 3500 кг. Но соотношение мощности двигателя к снаряженной массе у всех автомобилей разное, а этот параметр сильно влияет на экономичность. Поэтому, чтобы тест сделать более реалистичным, все автомобили разделили на три класса в соответствии с их энерговооруженностью. Класс 1 - 22 Вт/кг, класс 2 - от 22 до 34 Вт/кг, и класс 3 - более 34 Вт/кг. Хотя и этот цикл несовершенен, он по крайней мере более приближен к реалиям. Например, ускорения при разгоне будет 1,58 м/с 2 , а это уже далеко не пенсионерский стиль езды.
Законодатели решили изменить правила игры, причем не просто подредактировав их, а кардинально. В оставшиеся пять лет автопроизводители должны не только приноровиться к новому циклу измерений, но еще и значительно снизить нормы выброса CO 2 . Удастся ли им это? Посмотрим. Но чтобы выполнить норму по выбросу углекислого газа, средний расход бензинового двигателя должен быть не выше 4,1 л, а для дизельного - 3,6 л на 100 км.
Депутаты против инженеров
Такое соревнование законотворцев и инженеров можно только приветствовать. Ведь не будь его, кто бы заставил автопроизводителей внедрить сначала центральный, а потом и непосредственный впрыск топлива в бензиновых двигателях? Зачем надо было поднимать давление впрыска в дизельных двигателях до 2500 бар, если бы не жесткие эконормы?
Но вместе с автопроизводителями за чистый воздух расплачиваются и автомобилисты. Все штрафы и затраты автопроизводителей на усовершенствование тем или иным способом равно лягут на наши плечи. Кроме того, машины с каждым годом становятся все сложнее и дороже. Починить автомобиль без сканера и мотор-тестера почти невозможно. А к 2020 году большинство новых автомобилей, скорее всего, будут гибридами, потому что сократить выбросы можно, только использовав электротягу.
Возможно, к 2030 году появятся одноразовые автомобили со сроком службы 3 года. Экономически содержать такой автомобиль расточительно, проще купить новый. Но это в Европе. У нас же всегда найдутся любители, которые из двух, трех и более машин соберут одну и будут ездить.
И наконец, информация для размышления. Нормы выброса СО 2 для одних и тех же машин, продающихся у нас и в Европе, сильно разнятся. Для примера приведем данные по Skoda Octavia.
Различают ПДВ непосредственно источника выбросов и ПДВ предприятия (или объекта). Норматив ПДВ (в г/с) устанавливается из условия, чтобы содержание загрязняющего вещества в приземном слое воздуха (на высоте 1,5-2,5м от поверхности земли) от источников или их совокупности не превышало нормативов качества воздуха для населения, животного и растительного мира (т.е. ПДК) на границе СЗЗ; он представляет собой количество загрязняющего вещества максимально допустимое к выбросу в атмосферу конкретным источником в единицу времени.
Различают организованные и неорганизованные источники, которые подразделяются на стационарные и подвижные (транспортные и иные подвижные средства и установки). Примером организованного источника выброса является любая труба (стационарная или подвижная), а неорганизованного – хвостохранилища, отвалы горных пород. Кроме того, в классификации выделяют мелкие одиночные источники (вентиляционные фонари и др.).
Для каждого организованного стационарного источника выброса, а также для каждой модели транспортных и других подвижных средств и установок устанавливается индивидуальный ПДВ. Для неорганизованных источников выбросов и для совокупности мелких одиночных источников устанавливают суммарный ПДВ.
Источники вредных выбросов устанавливают органы надзора и контроля путем инвентаризации, которая проводится не реже одного раза в течение года. В соответствии с ГОСТ 12.2.1.04-77 под инвентаризацией выбросов понимают систематизацию сведений о распределении источников на территории, количестве и составе выбросов. Эти данные необходимы для составления статистической отчетности по форме 2-ТП воздух, разработки проекта норм ПДВ, для составления плана мероприятий по оздоровлению воздушной среды.
Инвентаризация выбросов регламентирована «Руководством по контролю источников загрязнения атмосферы» ОНД-90 и другими руководящими и методическими указаниями. Инвентаризация производится, как правило, технологическими службами предприятия совместно со специализированными научными или пусконаладочными организациями. Основной конечной целью проведения инвентаризации является определение массового выброса вредных веществ из каждого источника (г/с).
Массовый выброс вредных веществ можно определить с большей или меньшей точностью следующими методами: инструментальным, инструментально-лабораторным, индикаторным и расчетным. Чаще всего из-за отсутствия инструментальных замеров используют расчетные методы. Они основаны на использовании данных о составе исходного сырья и топлива, технологических режимах, степени очистки газов газопылеочистным оборудованием и т.п., по эмпирическим зависимостям или по удельным выбросам вредных веществ на единицу производимой продукции, использованного сырья, топлива, выработанной энергии.
Суммируя ПДВ отдельных источников загрязнения, устанавливают ПДВ для предприятия (объекта). Теоретической основой расчета ПДВ является решение дифференциального уравнения атмосферной турбулентной диффузии примеси, в результате которого определяется поле приземных концентраций, создаваемое источником выброса. В мировой практике употребляются также другие методики.
Нормативная «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» (ОНД-86) позволяет рассчитывать поле разовых концентраций примеси у земли при выбросе одиночного и группы источников: при нагретых и холодных выбросах, от точечных, линейных и площадных источников, даёт возможность учесть действие разнородных источников, суммирующее действие загрязняющих веществ. При этом учитывается количество источников загрязнений, распределение выбросов во времени и пространстве, другие факторы.
Конечная
цель расчетов ПДВ – обеспечение
концентраций вредных веществ в атмосферном
воздухе, не превышающих ПДК. Конкретно
это означает, что величина наибольшей
концентрации каждого загрязняющего
вещества в приземном слое атмосферы
()
не должна превышать максимальную разовую
данного
загрязняющего вещества, т.е. должно
соблюдаться условие:
(3.11)
При
одновременном присутствии в атмосферном
воздухе нескольких веществ, обладающих
аддитивными свойствами необходимо
учитывать фоновую концентрацию
загрязняющего вещества
(т.е.
),
создаваемую другими источниками
загрязнения.
,
(3.12)
или
, (3.13)
или
(3.14)
Для выполнения этого условия пылегазовые выбросы должны подвергаться очистке или рассеиванию в атмосфере с помощью высоких труб. Худшим вариантом является рассеивание загрязняющего вещества (ведь загрязняющие вещества всё равно попадают в ОПС). Поэтому именно для этого случая и устанавливают ПДВ.
Методика расчета ПДВ позволяет решать две задачи:
При
этом методика позволяет осуществлять
расчет для труб, выбрасывающих как
холодные пылевоздушные смеси (
),
так и нагретые (
).
Решение прямой задачи. Исходные данные для расчета ПДС:
При
решении прямой задачи разработка
нормативов ПДВ для стационарных
источников (при
)
проводится по следующему алгоритму
(случай одиночной трубы с круглым устьем,
выбрасывающей нагретые газы).
1.
Определение фоновых концентраций (
)
загрязняющих веществ, т.е. концентраций,
обусловленных комплексом других
источников, за вычетом нормируемых.
2. Расчет фактических приземных концентраций от источника выбросов нормируемого объекта по следующей методике:
,
(3.15)
где
– максимальная приземная концентрация
примеси;
–коэффициент,
определяющий условия перемешивания
примесей;
–мощность
выброса, г/с или т/год;
–коэффициент,
учитывающий скорость оседания веществ
из атмосферы;
и
– коэффициенты, учитывающие условия
выхода смеси из источника;
–коэффициент
шероховатости, зависит от рельефа
местности;
–высота
трубы, м;
–разность
температур газовоздушной смеси и воздуха
наиболее жаркого месяца;
–объём
газовоздушной смеси, м 3 /c.
,
(3.16)
где
– диаметр устья источника, м;
–скорость
выхода смеси из устья источника, м 3 /с.
Из уравнения (3.16) видно, что существенное влияние на приземную концентрацию оказывают масса выброса и высота трубы, поэтому рекомендуется регулирование качества воздуха осуществлять с помощью мероприятий по сокращению мощности выброса. Увеличение высоты трубы допускается лишь в случаях, когда невозможна реализация активных мероприятий.
,
(3.17)
где
– коэффициент, определяется дополнительно
для нагретых и холодных газопылевых
смесей;
(3.18)
определяют ПДВ (г/с) для каждого вещества и каждого источника.
определяют ПДВ (т/год) для предприятия в целом как сумма ПДВ от одиночных источников или групп источников:
(3.19)
Примечание: предельно допустимая масса сжигаемого топлива при выбросе продуктов его сгорания рассчитывается по формуле:
(3.20)
3.
Анализ полученного поля концентраций,
учет фоновых концентраций (
)
и сравнение их с требуемым нормативом
по формуле (3.14).
В соответствии с приведенными выражениями (3.18, 3.19) можно определять:
а) допустимый суточный (или годовой и т.д.) выброс загрязняющих веществ, г/сут; кг/сут;
б)
максимальную концентрацию (
)
загрязняющих веществ в устье трубы,
г/м 3 ; кг/м 3 ; (здесь
).
Величина
является
параметром, контролируемым в процессе
работы объекта.
4. Выявление веществ, по которым имеются зоны превышения ПДК и источников, обусловливающих формирование повышенных концентраций.
5. Выводы:
При использовании третьего варианта на каждом этапе сокращения выбросов устанавливается временно согласованный выброс (ВСВ) с учетом опыта сокращения на прогрессивных предприятиях с наилучшей достигнутой технологией.
Для того чтобы не прекращать хозяйственную деятельность предприятия зачастую используют третий (компромиссный) путь, т.е. устанавливают ВСВ и разрабатывают долгосрочную программу снижения выбросов с помощью природоохранных мероприятий (рис. 3.2).
Рисунок 3.2 – Поэтапный процесс снижения ВСВ до значения ПДВ
От того, укладывается или нет предприятие в установленные ему нормативы и в какие именно – ПДВ или только в ВСВ, – зависят размер и источники сбора за загрязнение окружающей среды.
В случае выброса из одиночного источника холодной газовоздушной смеси ПДВ определяется по формуле:
(3.21)
Организационные аспекты установления ПДВ заключаются в следующем. Работы по установлению ПДВ ведутся под общим руководством головной организации, назначаемой для каждого населенного пункта. Она осуществляет следующие функции:
Если окажется невозможным устранить или существенно уменьшить выбросы вредных веществ отдельными предприятиями или объектами, то в территориально-ведомственных планах должны предусматриваться:
сроки вывода этих предприятий или объектов из селитебных территорий и земель;
изменение профиля производства этих предприятий и объектов;
организация санитарно-защитных зон.
Решение
обратной задачи.
Из уравнения (3.15)
видно, что наиболее существенное влияние
на приземную концентрацию оказывают
масса выброса загрязняющего веществам
и высота трубы (
).
Поэтому принудительно регулирование
качества воздуха на селитебной территории
можно осуществлять двумя путями:
Увеличение
высоты трубы допускается лишь в случаях,
когда невозможна реализация активных
природоохранных мероприятий. При этом
имеет место решение обратной задачи,
т.е. расчет минимальной высоты трубы,
,
которое вытекает из уравнения решения
прямой задачи (3.18). Далее (для упрощения)
уравнение решения обратной задачи
приводится без учета фоновой концентрации
загрязняющего вещества, а символ ПДВ
заменен символом
:
(3.22)
Следует
иметь в виду, что определяемая минимальная
высота трубы (
)
для выбросов загрязняющих веществ в
атмосферу должна быть выше зоны
аэродинамическойтени
здания (рис.
3.3а), в противном случае выбросы не будут
рассеиваться, а попадая в зону
аэродинамическойтени,
загрязнят
приземный слой атмосферы над площадкой
и саму площадку (рис. 3.3б). В настоящее
время трубы достигают в отдельных
случаях
≥ 350 м.
Рисунок 3.3 – Схема соотношения высот трубы для выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и аэродинамической тени здания:
а) благоприятный случай (высота трубы выше зоны аэродинамической тени); б) неблагоприятный случай (высота трубы ниже зоны аэродинамической тени); 1 – промышленное здание; 2 – труба.
Рассеивание выбросов подчиняется законом турбулентной диффузии и зависит от многих факторов: состояния атмосферы, характера местности, физических свойств выбросов, высоты трубы, диаметра её устья и др.
Различают два направления перемещения примесей: горизонтальное и вертикальное. Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном, скоростью ветра, а вертикальное – распределением температур воздуха в вертикальном направлении. На рис. 3.4 показано распределение концентрации вредных веществ в атмосфере от организованного высокого источника (трубы) выброса.
При
расчете показателя ПДВ устанавливают
также зону влияния источника выбросов
и всего предприятия по каждому
загрязняющему веществу. Под зоной
влияния понимают земную поверхность с
радиусом, где сумма максимальной
приземной концентрации
,
определенной для неблагоприятных
метеорологических условий, и фоновой
концентрации
не
превышает
(см.
уравнение 3.12 и 3.17):
(3.23)
Видно, что по мере удаления от трубы концентрация вредностей в приземном слое сначала нарастает, достигает максимума, а затем медленно убивает. Это позволяет говорить о наличии трех зон различного загрязнения воздуха:
1)
зона переброса факела выбросов
(
невелика);
2)
зона замедления (здесь
);
3) зона постепенного снижения уровня загрязнения.
Рисунок
3.4 – Распределение концентрации вредных
веществ (
)
в атмосфере от организованного высокого
источника (трубы)
выброса
на расстоянии (
)
Таким
образом, основным фактором, влияющим
на концентрацию загрязняющих веществ
в приземном слое, является высота трубы.
Концентрация вредного вещества на
выходе из трубы равна
(рис. 3.5).
і
Рисунок 3.5 – Зависимость рассеивания выбросов от высоты трубы
Она
при высокой трубе (
)
на уровне приземного слоя может снизиться
до
,
а при низкой трубе (
)
– лишь до
.
Отсюда разница в назначаемых ПДВ.
Расстояние от трубы, на котором
концентрация вредного вещества
максимальна, может быть получено лишь
с помощью специальных расчетов.
Приблизительно эту величину принимают
равной (10 – 50)
.
