Stage II – нормы токсичности выхлопа для строительной техники

Нормы токсичности Евро 4

После введения нормы токсичности Евро 4 в центре внимания всех разработчиков двигателей находится обеспечение соответствия норме Евро 5, которая будет применяться с 2010 года. Эта непростая задача предполагает дополнительное снижение предельного содержания оксидов азота (NOx) и сажи.

Выброс сажи дизельным двигателем можно заметно сократить путем встраивания в систему рециркуляции сажевого фильтра (DPF). Такой фильтр в сочетании с топливными присадками способен на 97% снизить содержание сажи в отработавших газах. Фильтр задерживает и окисляет (сжигает) сажу при температуре 500 °С. Это позволяет предотвратить засорение фильтра, регенерация которого происходит автоматически при движении автомобиля. Для улучшения регенерации фильтра в топливо добавляется присадка на металлической основе, обеспечивающая полное окисление при относительно низких температурах. Кроме того, присадка способствует снижению количества сажи при сгорании топлива, а, следовательно, увеличению срока службы системы.

Что такое нормы Евро?

В 70-х годах 20 столетия начались попытки снижения вредного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду. Именно тогда вступили в силу первые постановления, регулирующие нормы токсичности отработавших газов. За последние 15 лет достигнуто значительное снижение количества вредных выбросов. Этому способствовало внедрение новых технологий, прогресс электроники и компьютерных технологий. Норма токсичности Евро 4 определяет предельное содержание всех вредных веществ в отработавших газах в граммах на километр для двигателей внутреннего сгорания, в частности, для устанавливаемых на легковые автомобили двигателей с самовоспламенением. Данная норма также устанавливает предельное содержание вредных веществ в выхлопе грузовых автомобилей. Предельные значения различаться в зависимости от категории по массе.

Сегодня в странах ЕС применяется норма токсичности 98/69/EGB, известная как Евро 4, заменившая норму 98/69/EGA (Еиз), действовавшую с 2000 года. Данная норма является еще более строгой в отношении предельного содержания вредных вещей в отработавших газах. В Чехии она действует с 1 января 2006 года.

Образование вредных веществ в процессе сгорания

Процесс сгорания топлива в дизельном двигателе влияет на образование вредных веществ и, в частности, на выброс сажи. Данный процесс обусловлен разнообразными факторами — конструкцией двигателя, свойствами топлива и атмосферными воздействиями. На приведенной ниже схеме показаны исходные и производные вещества, образующиеся в процессе сгорания дизельного топлива в двигателе.

О2 — кислород, N2 — азот, Н2О — вода (влага, содержащаяся в воздухе)

О2 — кислород, N2 — азот, Н2О — вода, СО2 — углекислый газ, СО — окись углерода, НС — углеводороды, SO2 — двуокись серы, NOx — оксиды азота, РМ — сажа

Отработавшие газы дизельного двигателя содержат вещества, обладающие различной степенью вредного воздействия на окружающую среду и здоровье человека. Безвредными являются вещества, уже присутствующие в атмосфере — кислород, азот и вода.

Углекислый газ, также содержащийся в атмосфере, составляет границу между вредными и безвредными веществами. Хотя он и не ядовит, но увеличение его концентрации является одной из причин парникового эффекта. Вредными веществами являются: окись углерода, углеводороды, двуокись серы, оксиды азота и сажа.
Вредные вещества в отработавших газах

Частицами называются все мелкие твердые и жидкие частицы, образующиеся при истирании, измельчении, эрозии, конденсации и неполном сгорании топлива. Данные процессы приводят к образованию частиц различной формы, величины и структуры. Частицы приобретают характер вредных веществ, если они настолько малы, что находятся в газах во взвешенном состоянии и могут повредить здоровью человека.

В процессе сгорания топлива в дизельном двигателе образуются частицы сажи. Частицы сажи представляют собой микроскопически малые углеродные частицы диаметром примерно 0,05 мкм. Ядро их состоит из чистого углерода. Вокруг ядра располагаются различные углеводородные соединения, металлоксиды и сера. Некоторые углеводородные соединения рассматриваются как вредные для здоровья. Точный состав сажи зависит от применяемой технологии двигателя, условий эксплуатации и топлива.

Образование сажи в дизельном двигателе определяется отдельными процессами сгорания дизельного топлива, такими как подача воздуха, впрыск, распространение зоны горения. Качество сгорания зависит от образования смеси воздуха и топлива. В определенных зонах камеры сгорания может наблюдаться переобогащение смеси вследствие недостатка кислорода. В этом случае сгорание будет неполным, что приведет к образованию сажи.

Законодательство в отношении токсичности ОГ в других странах мира

Большинство остальных стран перенимают нормы, принятые в США, Европе или Японии. Так, в Австралии и Новой Зеландии действуют нормы Евро, которые вступили в силу практически в то же время, что и в европейских странах. Некоторые государства напрямую признают европейские, американские или японские сертификаты. Это зависит от экономических и политических отношений с теми или иными регионами. С 2007 года в Китае действуют нормы Евро-3, с 2010 года — Евро-4. Для выполнения этих норм на автомобилях с бензиновыми двигателями необходима установка катализаторов. Поскольку это диктует необходимость заправки неэтилированным топливом, должна быть соответствующим образом подготовлена национальная топливозаправочная инфраструктура. С 2010 года для автомобилей с дизельными двигателями начинают действовать нормы Евро-4 и обязательное наличие OBD.

Бразилия тяготеет к американским нормам. Однако в настоящее время это единственная страна, где запрещена эксплуатация автомобилей с дизельными двигателями, за исключением внедорожников, с полезной нагрузкой менее 1000 кг (например, легковые автомобили).

В России приняты нормы Евро-4 для всех новых автомобилей.

Такие страны, как Вьетнам и Таиланд, в ближайшие годы намерены ввести международные нормы токсичности ОГ для новых автомобилей. Это говорит о том, что проблема загрязнения атмосферы вредными веществами, содержащимися в выхлопе автомобилей, перестает быть актуальной лишь для развитых стран, а становится глобальной. Для ее решения требуются совместные усилия многих стран.

Как достигается совместимость с нормами Евро-6

Чтобы сделать дизельный мотор более экологичным, в настоящее время используются следующие направления доработки (на практике обычно внедряется комбинация перечисленных технологий):

• Выборочное каталитическое восстановление (Selective Catalytic Reduction) – с помощью специальных присадок сокращает уровень оксида азота NOx.
• Рециркуляция отработанных газов (Exhaust Gas Recirculation) – сокращение выбросов оксида азота NOx. Возможно увеличение расхода топлива.
• Установка сажевого фильтра (Diesel Particulate Filter) – уменьшение уровня твёрдых частиц в выхлопе дизельного автомобиля. Увеличивается вес транспортного средства, усложняется его техническое обслуживание.

Назначение стандарта Евро

Ни для кого не секрет, что транспортные средства на ископаемом жидком топливе загрязняют атмосферу твёрдыми частицами и опасными газами. Особенно это касается дизельных моторов грузового автотранспорта и пассажирских автобусов. Под нагрузкой такие силовые установки производят больше токсичных веществ, оседающих на территории зелёных зон, больших и малых городов.

Основными токсичными составляющими в выхлопе являются: оксиды азота (NOx), оксиды углерода (СО) и твёрдые частицы (PM). Поэтому были разработаны и приняты экологические стандарты, вынуждающие автопроизводителей создавать транспортные средства с минимальным количеством выбросов.

Количественная характеристика токсичности веществ крайне сложна, ее определение требует проведения специальных исследований и многостороннего подхода. Судить о токсичности веществ приходится по результатам воздействия изучаемого вещества в первую очередь на организм экспериментальных животных, для которых характерны индивидуальные реакция и вариабельность, поскольку в группе испытуемых животных всегда присутствуют более или менее восприимчивые к действию изучаемого на токсичность химического вещества (токсина) индивидуумы.

Приняты две основные характеристики токсичности: ЛД50 и ЛД100. ЛД — аббревиатура летальной дозы, т. е. дозы, вызывающей при однократном введении гибель 50 или 100 % экспериментальных животных. Дозу обычно определяют в размерности концентрации. Токсичными считают вещества с низкими значениями ЛД.

Крайне важной является величина, обозначаемая /05, которая характеризует время полувыведения токсина и продуктов его превращения из организма. Для различных токсинов оно может составлять от нескольких часов до нескольких десятков лет.

Кроме ЛД50, ЛД100 и /0,5 в токсикологических экспериментах на животных принято указывать еще и время гибели объектов (100 или 50 %). Но такие эксперименты следует проводить в течение многих месяцев, а иногда и лет, поэтому в условиях непродолжительного контроля к малотоксичным можно отнести вещества токсичные, но проявляющие свое губительное действие лишь через Длительное время.

Классификация веществ по признаку острой токсичности приведена ниже.

Кроме того, необходимо учитывать еще ряд факторов. Это и индивидуальность различных экспериментальных животных, и различное распределение токсинов в органах и тканях, и биотрансформация токсинов, которая затрудняет их определение в организме.

При хронической интоксикации решающее значение приобретает способность вещества проявлять кумулятивные свойства, т. е. накапливаться в исходном объекте и передаваться по пищевым цепям или в органах. Необходимо также учитывать комбинированное действие нескольких вводимых веществ при их одновременном и последовательном поступлении в организм, а также их взаимодействие с макро-и микронугриентами пищевых продуктов, так как человек в течение всей жизни может получать вместе с пищей целый комплекс чужеродных веществ либо в виде контаминантов — загрязнителей, либо в виде добавок к пищевым продуктам.

Комбинированный эффект совместного действия поступающих с пищей веществ является результатом физических или химических взаимодействий, индукции или ингибирования ферментных систем, протекания других биологических процессов. Действие одного вещества может быть усилено или ослаблено влиянием других веществ.

В связи с этим различают два основных эффекта: антагонизм — эффект воздействия двух или нескольких веществ, при котором одно вещество ослабляет действие другого; синергизм — эффект воздействия, превышающий сумму эффектов воздействия каждого фактора в отдельности.

В связи с возможным хроническим воздействием посторонних веществ на организм человека и возникающей опасностью отдаленных последствий важнейшее значение приобретают канцерогенное (возникновение раковых опухолей), мутагенное (качественные и количественные изменения в генетическом аппарате клетки) и тератогенное (аномалии в развитии плода, вызванные структурными, функциональными и биохимическими изменениями в организме матери и плода) действия посторонних веществ. Для гигиенический регламентации чужеродных веществ на основе токсикологических критериев международными организациями ООН, ВОЗ, ФАО и др., а также органами здравоохранения отдельных государств приняты следующие базисные (основные) показатели:

ПДК — предельно допустимая концентрация (мг/кг) вещества в атмосфере, воде и (или) продуктах питания с точки зрения безопасности для здоровья человека, соответствующая установленному законом для каждого конкретного чужеродного (вредного) вещества предельно допустимому количеству (ГОСТ 17.4.1.01—84), которое при ежедневном воздействии в течение сколь угодно длительного времени не сможет вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований, в жизни настоящего и последующих поколений.

ДСД — допустимая суточная доза (мг на 1 кг массы тела) вещества, ежедневное поступление которого не оказывает негативного влияния на здоровье человека в течение всей жизни.

ДСП —допустимое суточное потребление (мг/сут) вещества, определяемое умножением ДСД на величину средней массы тела (60 кг) и соответствующее количеству, которое человек может потреблять ежедневно в течение жизни без риска для здоровья.

Большинство пищевых добавок не имеет, как правило, пищевого значения, т. е. не является пластическим материалом для организма человека, некоторые пищевые добавки являются биологически активными веществами. Однако, как любое химическое соединение, введенное в продукты питания, они могут быть токсичными, поэтому проблеме безопасности пищевых добавок всегда уделяется особое внимание. Применение пищевых добавок, как всяких чужеродных, обычно несъедобных, ингредиентов пищевых продуктов, требует строгой регламентации и специального контроля.

Основные нормы стандарта Евро

Ещё 20 лет назад самыми токсичными моторами были дизели. Так было из-за несовершенства дизельных двигателей, отсутствия систем очистки и неполноценности дизельного топлива. Чтобы ограничить влияние токсичных силовых установок на окружающую среду, Еврокомиссия решила создать европейское экологическое законодательство.

Первый стандарт Евро-1 вступил в действие в 1993 году. Согласно его нормам выхлопы были разделены на несколько классов исходя из вредности и наносимого окружающей среде урона. Нормы Евро-1 для легковых автомобилей, лёгкого и тяжёлого коммерческого транспорта представлены в следующей таблице:

Табл. 1 Экологический стандарт Евро-1 для дизельных двигателей

Экологический стандарт Евро-6

Нормы экологического стандарта Евро-6 сложно назвать революционными, поскольку они фактически стали улучшением стандарта Евро-5. Для дизельных двигателей изменения коснулись только оксидов азота (NOx), остальные уровни остались прежними:

Табл. 3 Экологический стандарт Евро-6 для дизельных двигателей

Необходимо отметить, что покупатели дизелей вряд ли почувствуют большую разницу в динамике и мощности автомобилей. Однако производителям придётся несколько увеличить цену на транспортные средства, соответствующие стандарту Евро-6. Это объясняется совершенствованием системы фильтрации отработанных газов. Тяжелее придётся транспортным компаниям в странах с суровыми экостандартами, поскольку им придётся менять парк авто с устаревшими системами очистки выхлопа.

Дизельные транспортные средства, совместимые со стандартом Евро-6, будут потреблять меньше топлива по сравнению с машинами предыдущего экостандарта. Бензиновые автомобили практически не изменятся, поскольку нормы Евро-6 остались прежними по сравнению с предыдущей версией экологических стандартов:

Табл. 4 Экологический стандарт Евро-6 для бензиновых двигателей

Содержание серы в топливе

Большой проблемой в плане глобального соблюдения норм токсичности ОГ является производство высококачественного топлива, в том числе с низким содержанием серы. Без такого топлива системы очистки ОГ не могут работать эффективно, продолжительно и надежно. Для сравнения, в настоящее время в Европе, Австралии и Японии содержание серы в топливе не может превышать 50 промилле, а в других странах (например, в Египте и Марокко) оно может достигать 12000 промилле! В большинстве стран Европы, не входящих в ЕС, предписанный порог содержания серы составляет 350-500 промилле. В Турции же этот показатель намного выше. Многие страны планируют ограничить содержание серы в топливе до 50 промилле и менее (10-15 промилле).

Если автомобили, оснащенные самыми современными устройствами для очистки ОГ, попадают в страны, где используется низкокачественное топливо с высоким содержанием серы, нейтрализация вредных веществ в ОГ ослабляется, а в худших случаях катализаторы просто выходят из строя.

Придется ли платить больше из-за Евро-6?

В качестве покупателя автомобиля вы не почувствуете большой разницы, ни в мощности, ни в динамике. Единственное что возможно вы заметите- небольшое повышение цены на машины совместимые с Евро-6, поскольку производителям придется несколько усовершенствовать системы фильтрации отработавших газов.

Те, кто на самом деле почувствует на себе отрицательное влияние, так это крупные европейские или американские (в некоторых штатах с самыми жесткими экостандартами в мире, например, Калифорния) транспортные компании, поскольку со временем им придется произвести замену автомобилей с устаревшими системами очистки выхлопа, чтобы уложиться в нормативы.

Нужно ли покупать автомобиль с Евро- 6 в России? Специально- нет. Поскольку даже стандарт Евро-5 будет еще долгие годы оставаться основным эталонным и экологически чистым вариантом автомобиля.