Влияние показателей качества автомобильного бензина и дизельного топлива на состояние окружающей среды



Встатье рассмотрено влияние показателей качества нефтяных топлив, автомобильного бензина и дизельного топлива, на состояние окружающей среды и здоровье человека. Представлены требования современных нормативных документов, предъявляемые к светлым нефтепродуктам. Указано, к каким экологическим последствиям может привести отклонения показателей качества моторных топлив от нормы.

Ключевые слова: автомобильный бензин, дизельное топливо, детонационная стойкость, токсичные вещества, Технический регламент Таможенного союза, О безопасности колесных транспортных средств, нефтяные топлива.

Современные автомобильные бензины и дизельные топлива должны обеспечивать экономичную и надежную работу двигателя и удовлетворять требованиям эксплуатации: иметь хорошую испаряемость, позволяющую получить однородную топливо-воздушную смесь оптимального состава при любых температурах, иметь углеводородный состав, обеспечивающий устойчивый, бездетонационный процесс сгорания на всех режимах работы двигателя, не изменять своего состава и свойств при длительном хранении, не оказывать вредного влияния на детали топливной системы, резинотехнические изделия и т. п. Поскольку все нефтяные топлива токсичны, применение бензинов и дизельных топлив при эксплуатации техники должно быть организовано с учетом их вредного воздействия на человека и окружающую среду [1].

В последние годы происходит ужесточение требований к экологическим свойствам топлива [2]. В настоящее время, после вступления России в Таможенный союз на ее территории действуют требования Технического регламента Таможенного союза «О безопасности колесных транспортных средств». Данный технический регламент устанавливает требования к топливу в целях обеспечения защиты жизни и здоровья человека, имущества, охраны окружающей среды, предупреждения действий, вводящих в заблуждение потребителей относительно его назначения, безопасности и энергетической эффективности [3]. Все топлива, выпускаемые в нашей стране должны в обязательном порядке соответствовать его требованиям.

Основную массу автомобильных бензинов в России вырабатывают по ГОСТ Р 51105–97 [4] и ГОСТ Р 51866–2002 [5] и по стандартам организации (СТО). В связи с увеличением доли легкового транспорта в общем объеме автомобильного парка наблюдается постоянная тенденция снижения потребности в низкооктановых бензинах и увеличения потребления высокооктановых, однако на территории Российской Федерации в баки автомобилей часто поступает бензин, качество которого имеет отклонения от требований стандартов [6].

Дизельные топлива в основном вырабатываются по ГОСТ 305–2013 [7] и ГОСТ 52368–2005 [8].

Требования ТР ТС 013/2011 к качеству автомобильных бензинов, представлены в табл. 1 [3].

Таблица 1

Требования кхарактеристикам автомобильного бензина

Характеристики автомобильного бензина		Единица измерения	Нормы вотношении экологического класса
			К2	К3	К4	К5
Массовая доля серы, не более		мг/кг	500	150	50	10
Объемная доля бензола, не более		%	5	1	1	1
Массовая доля кислорода, не более		%	не определяется	2,7	2,7	2,7
Объемная доля углеводородов, не более:		%
ароматических			не определяется	42	35	35
олефиновых			не определяется	18	18	18
Октановое число:		-
по исследовательскому методу, не менее			80	80	80	80
по моторному методу, не менее			76	76	76	76
Давление насыщенных паров:		кПа
в летний период			35–80	35–80	35–80	35–80
в зимний период			35–100	35- 100	35–100	35–100
Концентрация железа, не более		мг/дм3	отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие
Концентрация марганца, не более		мг/дм	отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие
Концентрация свинца*, не более		мг/дм3	5	5	5	5
Объемная доля монометиланилина, не более		%	1,3	1,0	1,0	отсутствие
Объемная доля оксигенатов, не более:		%
метанола**			не определяется	1	1	1
этанола			не определяется	5	5	5
изопропанола			не определяется	10	10	10
третбутанола			не определяется	7	7	7
изобутанола			не определяется	10	10	10
эфиров, содержащих 5 или более атомов углерода в молекуле			не определяется	15	15	15
других оксигенатов (с температурой конца кипения не выше 210 °С)			не определяется	10	10	10
*- для Российской Федерации для экологических классов К2, КЗ, К4 и К5 отсутствие, ** — для Российской Федерации для экологических классов КЗ, К4 и К5 отсутствие.

Отклонения показателей качества приводят к серьезным нарушениям в работе двигателя. Последствия применения некачественного бензина приведены в табл. 2 [9].

Таблица 2

Нарушения вработе двигателя при применении бензинов, имеющих отклонения от ГОСТ

Наименование показателя	Характер изменения от нормы	Нарушения вработе двигателя. Ожидаемые последствия
Октановое число	Ниже нормы	Металлический стук, дымный выхлоп. Детонационное сгорание. Ухудшение мощностных характеристик. Увеличение расхода топлива. Преждевременный износ цилиндро-поршневой группы (ЦПГ).
Давление насыщенных паров	Выше нормы	Увеличение вероятности образования паровых пробок. Перебои в работе и подаче топлива. Преждевременный износ топливной системы.
Содержание фактических смол	Выше нормы	Повышение количества отложений в камере сгорания и твердых частиц в продуктах сгорания. Уменьшение пропускной способности жиклеров и обеднение рабочей смеси. Калильное зажигание. Детонационное сгорание. Преждевременный износ ЦПГ.
Кислотность	Выше нормы	Возрастание коррозионной активности и склонности топлива к образованию отложении в системе питания и камере сгорания.
Фракционный состав: температура начала, температура перегонки 10 %	Ниже нормы	Увеличение расхода топлива. Образование паровых пробок и смолистых отложений. Нарушение в подаче топлива. Перегрев и перебои в работе двигателя. Преждевременный износ ЦПГ.
Конец кипения	Ниже нормы	Снижение полноты сгорания. Дымный выхлоп. Повышенный расход топлива. Увеличение отложений в камере сгорания. Неполное сгорание топлива. Попадание топлива в картер двигателя. Разжижение масла.

Применение некачественного бензина приводит к образованию паровых пробок, потере мощностных характеристик, перегреву двигателя, увеличению расхода горючего, а также к повышению нагара и смолистых отложений на деталях двигателя. При использовании бензина с высокой температурой конца кипения часть его поступает в цилиндры в капельно-жидком состоянии. Неиспарившаяся часть бензина по стенкам цилиндро-поршневой группы стекает в масляный картер, разжижая моторное масло. При этом смазочные свойства масел резко ухудшаются, повышая износ деталей двигателя. Из данных таблицы 2 следует, что применение некондиционного бензина приводит к преждевременному выходу из строя цилиндро-поршневой группы, топливной системы, а также других деталей двигателя и к повышению токсичности отработавших газов.

Для повышения октанового числа в бензиновых смесях с использованием низкооктановых компонентов применяются антидетонаторы на основе соединений свинца, марганца и железа, которые крайне отрицательно влияют на окружающую среду и человека. В связи с ужесточением экологических требований использование антидетонаторов, представляющих опасность для здоровья человека, во многих странах запрещено.

Автомобильные двигатели вместе с отработавшими газами выбрасывают в атмосферу большое количество вредных веществ. Состав отработавших газов приведен в табл. 3 [10, 11]. В число токсичных выбросов автомобилей входят: оксид углерода (СО), окислы азота (NO_Х), углеводороды (С_ХН_У), сажа (С), альдегиды (RCHO), диоксид серы (SО₂) и соединения свинца (Рb).

Из всех токсичных веществ наибольшую опасность для человека представляют соединения свинца, марганца и железа, которые влияют на кровеносную, нервную и мочеполовую системы, вызывают цирроз печени, пневмонию, а также снижение умственных способностей у детей. Свинец откладывается в костях и других тканях человека [14].

Токсичные вещества также поражают растительность. Вредные вещества действуют как непосредственно на зеленые части растений, разрушая хлорофилл и структуру клеток, а также попадая через почву в корневую систему и действуя через нее на все растение. Загрязняющие газообразные вещества в разной степени влияют на состояние растительности. Одни лишь повреждают листья и побеги, как окись углерода, другие вызывают гибель растений, как диоксид серы, под воздействием которого в первую очередь страдают хвойные деревья (сосны, ели, пихты, кедр).

В результате воздействия высокотоксичных загрязнителей на растения отмечается замедление их роста, образование некроза на концах листьев, выход из строя органов ассимиляции. Увеличение поверхности поврежденных листьев может привести к снижению расхода влаги из почвы и общей ее переувлажненности, что скажется на среде обитания живых организмов [10].

Из табл. 3 видно, что общее количество токсичных веществ, выделяемых при сгорании топлива в дизельном двигателе в несколько раз меньше, чем в карбюраторном двигателе [14].

Таблица 3

Состав отработавших газов автомобильных двигателей,% по объему

Компоненты выхлопного газа	Бензиновые двигатели	Дизели	Примечание
Азот	74,0–77,0	76,0–78,0	нетоксичен
Кислород	0,3–8,0	2,0–18,0	нетоксичен
Пары воды	3,0–5,5	0,5–4,0	нетоксичны
Диоксид углерода	5,0–12,0	1,0–10,0	нетоксичен
Оксид углерода	0,1–10,0	0,01–5,0	токсичен
Углеводороды неканцерогенные	0,2–3,0	0,009–0,5	токсичны
Альдегиды	0–0,2	0,001–0,009	токсичны
Оксид серы	0–0,002	0–0,03	токсичен
Сажа, г/м3	0–0,04	0,01–1,1	токсична
Бензопирен, мг/м3	0,01–0,02	до 0,01	канцероген

Таблица 4

Среднее процентное содержание токсичных компонентов вотработавших газах бензинового двигателя

Компоненты	Холостой ход ималая частота вращения	Средняя постоянная частота вращения	Разгон	Замедление
Оксид углерода	7	2,5	1,8	2
Окислы азота	0,003	0,1	0,07	0,002
Углеводороды	0,5	0,2	0,1	1
Альдегиды	0,003	0,002	0,001	0,03

Рис. 1. Влияние качества топлива и скорости движения автомобиля на выбросы СО.

Состав отработавших газов существенно зависит от режимов работы двигателя. В табл. 4 приведено содержание токсичных компонентов при работе бензинового двигателя на разных режимах [11, 12, 13].

Приведенные данные показывают, что на холостом ходу и при замедлении в отработавших газах значительно возрастает количество оксида углерода, углеводородов, а также альдегидов.

Техническое состояние автомобилей тесно связано с применением качественных топлив, соответствующим определенным нормативным документам. Применение бензинов, имеющих отклонения от их требований, ухудшает техническое состояние двигателя и приводит к повышенному выбросу токсичных веществ. Выбросы технически неисправных автомобилей превышают в 1,5–2 раза выбросы, которые происходят от технически исправного двигателя (рис.1) [12].

Проблема повышенного содержания вредных веществ в отработавших газах особенно актуальна для больших городов. Многокилометровые пробки автомобилей приводят к увеличению загрязнения атмосферы, так как машины длительное время работают на холостом ходу и двигаются с низкими скоростями (замедление). Соответственно содержание вредных веществ в отработавших газах в районах образования пробок увеличивается в несколько раз.

Существенное значение на содержание токсичных компонентов в отработавших газах поршневых двигателей и экологическое состояние окружающей среды имеет такой показатель, как содержание механических примесей в топливе.

Топлива загрязняются на всех этапах своего жизненного пути — в процессе их производства, хранения, транспортирования, заправки техники и ее эксплуатации. Обычно рассматриваются два аспекта последствий загрязнения нефтепродуктов: эксплуатационный, связанный с повышенным износом двигателя, что вызывает снижение его надежности, уменьшение ресурса работы и т. п., и экономический, связанный с ухудшением качества топлив, в результате чего увеличивается их расход, а в ряде случаев становится невозможным применение по прямому назначению.

Применение автомобильных двигателей с впрыском бензина и электронной системой регулирования его подачи в принципе позволяет существенно снизить токсичность отработавших газов двигателя, однако наличие в топливе загрязнений может вызвать повышенный износ рабочих органов топливного насоса и нарушить работу редукционного клапана. Это приведет к обеднению рабочей смеси и повышению концентрации оксида углерода в отработавших газах. Попадая под клапан электромагнитных форсунок, твердые частицы вызывают подтекание топлива и переобогащение рабочей смеси, в результате чего в отработавших газах повышается содержание углеводородов.

В дизельных двигателях для обеспечения полного сгорания топлива большое значение имеет его равномерная подача в цилиндры [15]. В результате попадания загрязнений происходит усиленный износ прецизионных пар топливных насосов высокого давления, что нарушает равномерность подачи топлива и вызывает его подтекание из-за негерметичности форсунок. Неполное сгорание топлива происходит также при снижении давления начала впрыска из-за засорения фильтра тонкой очистки. Засорение соплового отверстия форсунки (или заедание ее иглы) также приводит к неполному сгоранию топлива и увеличению выброса окиси углерода и углеводородов в атмосферу. Наличие загрязнений в топливе вызывает износ гильз цилиндров и поршневых колец в карбюраторных и дизельных двигателях. У изношенного двигателя количество окиси углерода в отработавших газах увеличивается более чем в три раза по сравнению с новым. Прорыв отработавших газов в картер через увеличившиеся зазоры в цилиндропоршневой группе в двигателях с открытой вентиляцией способствует возрастанию количества несгоревших углеводородов. Загрязнения в топливе вызывают повышенный износ сопряженных поверхностей выпускных клапанов, что приводит к нарушению их герметичности и попаданию части несгоревшей рабочей смеси в выпускной коллектор.

Наличие в топливе загрязнений способствует образованию нагара на стенках камеры сгорания, поршнях и клапанах. Вследствие плохой теплопроводности нагароотложений температура стенок повышается, что ведет к увеличению концентрации оксидов азота. Нагар увеличивает объем мертвого пространства в камере сгорания, в результате чего увеличивается количество несгоревших углеводородов (примерно на 5–10 % через каждые 10 тыс. км пробега автомобиля).

Помимо вредного влияния газообразных продуктов, образующихся при эксплуатации автомобильного транспорта, отрицательное воздействие на окружающую среду оказывают также жидкие нефтепродукты. При попадании загрязнений в топливную систему и связанным с этим прекращением подачи топлива и остановкой двигателя водитель осуществляет продувку или промывку системы, при которой разливается значительное количество топлива.

Литература:

1. Приваленко А. Н., Балак Г. М., Баграмова Э. К., Зуева В. Д., Пуляев Н. Н. Атомно-абсорбционное определение содержание металлов в нефтяных топливах // Международный технико-экономический журнал. — 2013. — № 5. — С. 97‑108.

2. Шаталов К. В., Приваленко А. Н., Середа С. В., Пуляев Н. Н. Современные требования к качеству автомобильных бензинов и дизельных топлив // Международный научный журнал. — 2011. — № 4. — С. 89‑95.

3. ТР ТС 018/2011. О безопасности колесных транспортных средств. Технический регламент Таможенного союза. — Введ. 2015‑01‑01 [Электронный ресурс]. — URL: http://docs.cntd.ru/document/902320557 (дата обращения 30.03.2016).

4. ГОСТ Р 51105–97. Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. Технические условия. — Введ. — 1999‑01‑01. — М.: Госстандарт России, 2009. — 23 с.

5. ГОСТ Р 51866–2002 (EH 228–2004). Топлива моторные. Бензин неэтилированный. Технические условия. — Введ. 2002‑07‑01. — М.: Госстандарт России, 2009. — 27 с.

6. Современная АЗС. М.: UPECO, 2002. — 47 c.

7. ГОСТ 305–2013. Топливо дизельное. Технические условия. — Введ. 2015‑01‑01. — М.: Госстандарт России, 2014. — 16 с.

8. ГОСТ Р 52368–2005. Топлива дизельное ЕВРО. Технические условия. — Введ. 2006‑07‑01. — М.: Госстандарт России, 2009. — 35 c.

9. Сафонов А. С. Автомобильные топлива. СПб.: НПИКЦ, 2002. — 264 с.

10. Коробкин В. И. Экология. Ростов: Феникс, 2004. — 575 с.

11. Квашнин А. Б., Приваленко А. Н., Головченко Л. Е., Дунаев С. В., Пуляев Н. Н. Прогнозирование потерь автомобильных бензинов в условиях хранения // Международный научный журнал. — 2012. — № 5. — С. 93‑99.

12. Коваленко В. Г. Экологическая безопасность в системах нефтепродуктообеспечения и автомобильного транспорта. М.: ЛитНефтеГаз, 2004. — 150 с.

13. Серафимов А. М., Дидманидзе О. Н., Иванов С. А. и др. Влияние нестационарности работы двигателей на экологическую и экономическую безопасность // Международный научный журнал. — 2007. — № 3. — С. 19‑25.

14. Выхлопные газы, их состав и действие на организм человека [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.studiplom.ru/Technology-DVS/Exhaust_gases.html.

15. Приваленко А. Н., Шарин Е. А., Лунева В. В., Пуляев Н. Н. Новые методы оценки эксплуатационных свойств дизельных топлив ЕВРО // Международный научный журнал. — 2013. — № 6. — С. 72‑75.