Контроль и предупреждение сверхнормативных выбросов от автомобиля

Развитие автомобильного транспорта предопределило две четко выраженные и противоречивые тенденции. С одной стороны, достигнутый уровень автомобилизации отражает технико-экономический потенциал развития общества и степень удовлетворения социальных потребностей населения в транспортных услугах, а с другой – он обусловливает увеличение масштаба негативного воздействия на окружающую среду и нарушение экологического равновесия. Наиболее вредному воздействию со стороны автомобильного транспорта подвержена воздушная среда крупных городов и промышленных центров. Поэтому мероприятия по защите среды относятся к числу важных и актуальных социальноэкономических факторов современного общества.

Общий объём выбросов загрязняющих веществ автомобильным транспортом в атмосферу составляет примерно 70% от всех видов транспорта, или около 40% общего количества антропогенного загрязнения атмосферы, а по такому ингредиенту, как окись углерода достигает 90 – 95 %. Особенно остро проблема автомобильных выбросов проявляется в крупных городах. Так, Санкт-Петербург входит в число 12 городов России с выбросами более 100 тыс. т/год и уступает по этому показателю только Москве. Это объясняется массовой эксплуата- environment, monitoring.

цией автомобилей со сверхнормативными уровнями токсичности и дымности двигателей. Количество выбросов, кроме того, зависит от концентрации автомобилей – 30 %, их технического состояния – 30 % и состояния дорожного покрытия и организации дорожного движения на улицах города – 40 %.

В Санкт-Петербурге сосредоточено около 1200 тыс. автомобилей, в том числе более 70% – легковых, а из них 78% – индивидуального пользования. Государственный автотранспорт представлен, в основном, грузовыми видами транспорта, которые являются преобладающими и составляют 59,7%. Преобладающим видом индивидуального автотранспорта является легковой, составляющий 98,3%. Если индивидуальный автотранспорт работает, в основном, на бензине, то государственный представляет следующее соотношение: на бензине – 50%, дизельном топливе – 40%, газовом – 10%. При этом следует отметить, что в последнее время наблюдается заметное сокращение числа автомобилей, работающих на газе. От этого зависит количественный состав отработанных газов, а, следовательно, и их токсичность, которую определяют оксиды углерода, азота, альдегиды, углеводороды, сажа, нитродиалкиламины и другие вредные выбросы.

К особенностям автомобильного транспорта, влияющим на ухудшение санитарных условий проживания в крупных городах, относятся следующие:

• 1)    Высокие темпы роста численности автомобилей (численность автомобилей в городе за последние 10 лет возросла в 2,9 раза и продолжает расти) по сравнению с ростом количества стационарных автостоянок (особенно следует отметить резкий прирост индивидуального транспорта, в основном, за счет ввоза автомобилей из-за границы).

• 2)    Пространственная рассредоточенность (автомобили распределяются по территории, занимают до 50% площадей города, в Санкт-Петербурге ― более 27 млн.м² и создают общий повышенный фон загрязнения);

• 3)    Непосредственная близость к жилым районам (автомобили заполняют все местные проезды, дворы жилой застройки, детские площадки, газоны);

• 4)    Более высокая токсичность выбросов автотранспорта по сравнению с выбросами на стационарных автостоянках;

• 5)    Сложности технической реализации средств защиты от загрязнений на автомобилях;

• 6)    Низкое расположение источника загрязнения от земной поверхности и малой высотой выброса, составляющей, в среднем, 0,5-0,7 м от земной поверхности, в результате чего отработавшие газы автомобилей скапливаются в зоне дыхания людей и слабее рассеиваются ветром по сравнению с промышленными выбросами,

которые, как правило, имеют дымовые и вентиляционные трубы значительной высоты.

Перечисленные особенности автотранспорта влияют на создание в городе обширных зон с устойчивым превышением санитарногигиенических нормативов загрязнения воздуха. В отдельных районах концентрация диоксида азота превышает ПДК почти в 2 раза, пыли – в 12 раз.

В настоящее время объем вредных выбросов в атмосферу существенно увеличился в связи с ростом парка старых автомобилей, особенно иностранного происхождения.

Максимальная концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе наблюдается в часы пик, а также в районах плотной застройки высотных зданий со слабым ветровым потоком. Наибольший ущерб здоровью наносят машины, находящиеся в непосредственной близости от жилых зданий, особенно во дворах-«колодцах» под окнами жилых квартир. Вредные выбросы автомобильного транспорта в атмосферу связаны с:

• -    картерными газами, т.е. смеси отработанных газов с парами смазочного масла;

• -    топливными испарениями, поступающими в атмосферу из системы питания двигателя;

• -    отработанными газами автомобилей, содержащими токсичные компоненты.

Структура выбросов и их количественный состав приведен в таблице 1[1].

Таблица 1 – Количество токсичных веществ в отработанных автомобильных газах

Токсичные вещества	Количество токсичных веществ при сгорании 1 кг топлива в двигателе
	Карбюратор		Дизель
	грамм	%	грамм	%
Оксид углерода	225	73,8	25	25,5
Оксиды азота	55	18,1	38	38.8
Углеводороды	20	6,6	8	8,2

Токсичные вещества	Количество токсичных веществ при сгорании 1 кг топлива в двигателе
	Карбюратор		Дизель
	грамм	%	Грамм	%
Оксиды серы	2	0.7	21	21,4
Альдегиды	1	0,3	1	1,0
Сажа	1,5	0,5	5	5,1
Всего:	304,5	100	98	100

Увеличение концентрации вредных выбросов в атмосфере, как правило, сопровождается следующими последствиями:

• -    общий вред: неприятные запахи, уменьшение видимости;

• -    воздействие на здоровье людей: раздражение дыхательной системы, органов зрения, общетоксический эффект, мутагенный и канцерогенный эффекты;

• -    воздействие на окружающую среду: загрязнение и порча материалов, коррозия, сни-

• жение урожаев сельхозкультур и т.д.

Некоторые из этих вредных последствий очевидны и проявляются сразу, в результате чего источники их легко установить и указать конкретно, какие автотранспортные средства, каких типов и где вызывают отрицательный эффект. Например, неприятный запах присущ дизельным двигателям. Другие последствия, напротив, проявляются через некоторое время, в результате чего невозможно точно установить долю ответственности автомобиля, вызвавшего это негативное явление. Например, не всегда есть прямая связь между увеличением выбросов автотранспортом окислов азота и ростом респираторных заболеваний. Наконец, некоторые последствия загрязнения атмосферы автомобильным транспортом могут проявить себя только по прошествии очень значительного времени, и установить их количественную связь с автомобильным транспортом либо очень трудно, либо в силу недостаточных научных представлений о механизме явления, вообще не предоставляется возможным.

Характер и степень воздействия вредных выбросов автомобильного транспорта на человека в различных условиях и при различных концентрациях неодинаковы и зависят от температуры воздуха, давления, влажности, скорости ветра и т.п. 30% заболеваний горожан непосредственно связаны с загрязненностью воздуха выхлопными газами.

Поддержание двигателей и автомобилей в технически исправном состоянии ― одно из основных, но далеко не единственное условие минимальной токсичности автомобилей. 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, использования рациональных методов и приемов вождения автомобиля, методы хранения подвижного состава и ряда других факторов, зависящих от водителей и обслуживающего персонала.

На состав отработанных газов (ОГ) двигателя большое влияние оказывает режим работы автомобиля в городских условиях. Низкая скорость движения и частые ее изменения, многократные торможения и разгоны способствуют повышенному выделению вредных веществ (табл.2) [4].

Таблица 2 – Условия работы автомобиля и показатели токсичности отработанных газов

Режим работы двигателя	По времени	Доля режима, %				По расходу топлива
		По объему ОГ	По выбросам
			gCO	gCH	gNO x
Холостой ход	39,5	10	13-25	15-18	0	15 3
Разгон (ускорение)	18,5	45	29-32	27-30	75-86	5
Установившийся режим	29,2	40	32-43	19-35	13-23	37
Принудительный холостой ход (ПХХ)	12,8	5	10-13	23-32	0-1,5	13

В защите атмосферы от загрязнения автомобильными выхлопами наша страна существенно отстала от развитых стран, причем по многим показателям. Двигатели даже новых отечественных автомобилей, сходящих с конвейеров автозаводов, выбрасывают в расчете на 1 км пройденного пути в 3-5 раз больше вредных веществ, чем их зарубежные аналоги. Проверки показывают, что каждый пятый автомобиль эксплуатируется с повышенной токсичностью или дымностью отработанных газов. В крупных городах доля загрязнения воздуха авто- транспортом достигает 70 – 80 % от общего уровня загрязнения. В ряде городов содержание окиси углерода в воздухе над автомагистралями в 10-12 раз превышает предельно допустимую норму. По оценкам медиков и экологов, автотранспорт заметно сокращает среднюю продолжительность жизни населения.

Ниже, в таблице 3, приводится оценка выбросов вредных веществ от различных автотранспортных средств – легковых, грузовых, автомобилей и автобусов [4].

Таблица 3 – Характеристика количественных показателей выбросов загрязняющих веществ автотранспортом

Вид транспорта	Выбросы загрязняющих веществ, (тыс. т)
	СО	CH	NО 2	С	SO 2	Pb
Легковые автомобили	2374	345,6	461	13,9	―	2,4
Городские и междугородные автобусы	2395	191	186	16,9	7,4	0,7
Легкие грузовые автомобили (<3,5 т)	2460	322	301	―	―	0,96
Тяжелые грузовые автомобили (>3,5 т)	2820	942	439	203,2	47,4	0,94
Автомобильный транспорт в целом	10049	1900,6	1387	234,0	54,8	5,0

К числу мероприятий, позволяющих уменьшить загрязнение воздушной среды города, следует отнести запрет на эксплуатацию автомобилей, чьи выбросы не отвечают суще- ствующим нормативам. Представляется, что оперативное решения этой проблемы возможно путем мониторинга транспортного потока в режиме реального времени. Ниже излагается предложение по техническому решению такой системы мониторинга, оформленное в виде заявки на изобретение [2].

Предлагаемое авторами устройство относится к вычислительной технике и системам контроля экологического состояния воздушного бассейна и может быть использовано в приборах и системах контроля загрязненности воздуха и токсичности выхлопа двигателей автотранспортных средств.

Исследование предметной области позволило выявить ряд аналогов. Так описания устройств для контроля объектов управления изложены в авторских свидетельств на изобретения СССР №№ 690499; 982058; патенты РФ №№ 2145120, 2150126, 2236040, 2291489; патент Германии № 3.438.172; патент WO № 02\35495.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является устройство для предупреждения токсичности выхлопа двигателей транспортных средств (патент РФ № 2291489, G 07 С 5\08, 2005), которое и выбрано в качестве прототипа.

Указанное устройство обеспечивает адаптацию к текущим условиям состояния окружающей среды, в частности к состоянию погоды в реальном масштабе времени, и предупреждение о превышении токсичности выхлопа двигателей в функции от состояния погоды и условий эксплуатации двигателя. Кроме того, оно обеспечивает возможность для определения транспортных средств, находящихся в транспортном потоке, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение.

Однако данное устройство обеспечивает возможность только для определения транспортных средств, находящихся в транспортном потоке, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение, но не позволяет ярко обозначить эти средства, задержать и принять соответствующие меры воздействия за нарушение международных или государственных нормативных актов.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем яркого обозначения транспортных средств, находящихся в транспортном потоке, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение, их задержание и принятие соответствующих мер воздействия за нарушение международных или государственных нормативных актов.

Устройство для предупреждения токсичности выхлопа двигателей транспортных средств реализуемо на современной элементарной базе, в том числе в микроэлектронном ис- полнении, и обеспечивает по результатам сравнения текущего значения контролируемого уровня выбросов с его допустимыми и предельно допустимыми значениями, предупреждения водителя и сотрудников полиции о недопустимости для данных условий текущего режима эксплуатации транспортного средства, чем стимулирует снижение токсичности выхлопа двигателя и снижение загрязнения окружающей среды воздушного бассейна.

Устройство обеспечивает дистанционное определение в транспортном потоке транспортных средств, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение. Это достигается использованием сложных Фмн – сигналов, которые дистанционно передают информацию о тех транспортных средствах, находящихся в транспортном потоке, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение, на пункт контроля.

Сложные Фмн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность сложных Фмн-сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный Фмн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного Фмн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность данных сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменения значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных Фмн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Сложные Фмн-сигналы позволяют применять новый вид селекции – структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять данные сигналы среди других сигналов и помех, действующих в той же полосе частот и в те же промежутки времени.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает яркое обозначение транспортных средств, находящихся в транспортном потоке, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение, их задержание и принятие соответствующих мер воздействия за нарушение международных или государственных нормативных актов. Это достигается использованием на пунктах контроля сигнала управления, который в случае превышения предельно допустимого значения токсичности выхлопа двигателя транспортного средства обеспечивает выключение его двигателя, включение звуковой и световой сигнализации. Причем включенная штатная звуковая и световая сигнализация являются признаками обнаружения транспортного средства, токсичность выхлопа двигателя которого превышает предельно допустимое значение, а выключенный двигатель обеспечивает задержание транспортного средства и водителя. Тем самым функциональные возможности устройства расширены.

Использование штатного оборудования транспортных средств и простота технической реализации предлагаемого устройства позволяют надеяться на широкое его использование на практике, снижение загрязнения окружаю- щей среды и улучшение экологической обстановки на дорогах и автомагистралях.