Zanieczyszczenie i ochrona powietrza

ZSP Węgrów
Warsztaty Szkolne
Zanieczyszczenie i ochrona powietrza
w aspekcie emisji spalin wytwarzanych
przez silniki pojazdów samochodowych
Autor: mgr Franciszek Łazowski…
Nauczyciel zajęć praktycznych…
Praktyczna nauka zawodu:…
mechanik pojazdów samochodowych…
ZSP im Jana Kochanowskiego w Węgrowie
Oddziaływanie zanieczyszczenia powietrza
na środowisko i gospodarkę
Problemem, który nabrał w ostatnich latach szczególnej wagi, jest
zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego. Stanowią je wszystkie substancje stałe, ciekłe lub gazowe, których udziały w powietrzu przekraczają
średnią zawartość tych substancji w czystym powietrzu. Zanieczyszczeniami powietrza są składniki, które są emitowane do atmosfery w wyniku
działalności samej przyrody lub w wyniku działalności ludzkiej. Równocześnie jednak, przekroczenie średnich zawartości stałych składników powietrza atmosferycznego uważane jest także za jego zanieczyszczenie.
Ilość rodzajów zanieczyszczeń, jakie mogą występować w powietrzu, jest
niezmiernie duża, a ich szkodliwość dla otoczenia zależy od bardzo wielu
czynników, jak: właściwości chemiczno-toksyczne, stan skupienia, stopień
dyspersji, stężenie w powietrzu, czas oddziaływania, warunki klimatycznometeorologiczne itp.. Stały wzrost produkcji przemysłowej i komunikacyjnej wiąże się nieodłącznie ze wzrostem szkodliwych substancji w atmosferze. W niemałym stopniu przyczyniają się do tego dymy uchodzące z
domów mieszkalnych, jak również produkty spalania powstające w kompleksach przemysłowych (kotłownie, silniki pojazdów).
W skutek działalności człowieka do atmosfery dostają się setki tysięcy różnych substancji, lecz tylko niektóre z nich, najbardziej pospolite i
uważane za charakterystyczne zanieczyszczenia powietrza, są przedmiotem
stałych badań, głównie z uwagi na ich uciążliwość i toksyczność. Do takich
zalicza się pyły, tlenki węgla, tlenki siarki i tlenki azotu. Znajdują się one
zarówno w sąsiedztwie wielkich miast i okręgów przemysłowych, jak i w
odległych miejscowościach, dokąd przedostają się poprzez cyrkulację powietrza w atmosferze.
2
Zanieczyszczenia powietrza stanowią zagrożenie dla zdrowia człowieka, a także negatywnie wpływają na funkcjonowanie środowiska przyrodniczego. Powodują też straty ekonomiczne. Zanieczyszczenia pyłowe i
gazowe wywołują liczne schorzenia i choroby, stanowiąc istotne zagrożenie zdrowia oraz życia człowieka. Zanieczyszczenia powietrza najczęściej
oddziałują w sposób systematyczny, w małych dawkach, wywołując schorzenia chroniczne. Jednak, w szczególnych przypadkach mogą wywoływać
ostre dolegliwości. W przypadku roślin uprawnych zanieczyszczenia pochodzące z powietrza atmosferycznego prowadzą do spadku plonów w rolnictwie, w wyniku zakwaszenia gleby, jak i bezpośredniego szkodliwego
oddziaływania na rośliny. Straty w lasach związane są zarówno ze zmniejszeniem ich produktywności, jak i ze zniszczeniem drzew w wyniku wysokich stężeń szkodliwych gazów w atmosferze. W odniesieniu do globalnych zmian klimatycznych najistotniejsze są jednak oddziaływania zanieczyszczeń powietrza na ekosystemy roślinne i wodne. Wiąże się to,
bowiem z jedynym z podstawowych procesów wymiany gazów pomiędzy
atmosferą a biosferą i hydrosferą - asymilacją dwutlenku węgla.
Zanieczyszczenia powietrza powodują również liczne straty ekonomiczne ponoszone przez społeczeństwo i gospodarkę. Ich ocena jest jednak
bardzo trudna. Trudna jest zarówno identyfikacja szkód, określenie ich zasięgu, jak i oszacowanie rozmiarów. Straty ponoszone przez gospodarkę z
powodu zanieczyszczenia powietrza można podzielić na cztery grupy:
Ø straty związane z wydatkami ponoszonymi na ochronę powietrza
atmosferycznego,
Ø wydatki ponoszone w związku z obniżeniem stanu zdrowotnego
społeczeństwa,
Ø straty samych surowców, których część zostaje wydzielona do atmosfery w postaci lotnej,
3
Ø straty spowodowane zwiększoną korozją narzędzi, materiałów i wyrobów gotowych oraz niszczeniem substancji budynków, budowli i zabytków kultury.
Ryc.1. Oddziaływanie zanieczyszczenia powietrza.
Istnieje związek pomiędzy warunkami meteorologicznymi a zanieczyszczeniem powietrza. Główną rolę odgrywa ruch powietrza, który
wpływa z jednej strony na szybkie rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń
powietrza, z drugiej na lokalne obniżanie jego poziomu. Przenoszenie różnych zanieczyszczeń na dość duże odległości, może prowadzić do ich negatywnego oddziaływania na ekosystemy znacznie oddalone od źródeł
emisji (np. w syberyjskiej czy kanadyjskiej tajdze). Z drugiej strony, w pobliżu źródeł emisji niebezpieczne bywają zjawiska stagnacji powietrza i
inwersji temperatury.
4
Jeżeli źródło emisji (np. wylot komina) znajduje się poniżej inwersyjnej warstwy powietrza, to emitowane zanieczyszczenia nie mogą przedostawać się ku górze i kumulują się w najbliższym otoczeniu źródła emisji. W klimacie umiarkowanym zjawisko inwersji pojawia się nie tylko w
dolinach, w regionach górskich, ale także na terenach równinnych. Podczas
trwania inwersji para wodna może osiągnąć temperaturę niższą od punktu
kondensacji. Wówczas pojawia się mgła, co jeszcze bardziej komplikuje
sytuację, powstaje, bowiem smog. Nie pozwala on na przenikanie światła,
utrudnia, zatem ogrzanie dolnych części atmosfery, przedłużając stan inwersji. Zawiera przy tym niezwykle niebezpieczne stężenia groźnych dla
zdrowia i życia zanieczyszczeń. Zjawisko smogu doprowadzało już wielokrotnie do wzrostu liczby zachorowań i zgonów w wielu regionach świata.
Dobrym przykładem problemów z zanieczyszczeniem powietrza, ale
też sposobu radzenia sobie z nimi jest miasto Meksyk gdzie 3 miliony samochodów spala codziennie 17, 3 mln litrów benzyny i 5 mln litrów oleju
(dane z, 1997 r.), co daje 75% wszystkich zanieczyszczeń powietrza tam
występujących. W 1999 r. stężenie ozonu przekraczało dozwolone normy
przez 300 dni. W latach 1990-92 średnio przez 177 dni w roku stężenie
różnych zanieczyszczeń przekraczało stany alarmowe, zaś w 1999 r. zdarzyło się to tylko 5 razy. Dozwolone normy zanieczyszczeń są niższe niż
normy dla stanów alarmowych. Gdy wystąpi stan alarmowy władze miasta
mogą np. nakazać ograniczenie używania samochodów w mieście. Postęp
w czystości powietrza w Meksyku jest rezultatem działań lokalnych władz.
Średni wskaźnik stężenia ozonu zmniejszył się z 197, 6 w 1990 r. do 144 w
1999 r. W tym przypadku norma wynosi 100 punktów, a 1 punkt to równoważnik ekspozycji na stężenie 0, 11 ppm przez 1 godzinę. Tak duży postęp w polepszaniu, jakości powietrza wskazuje, że nawet duże miasta
mogą redukować zanieczyszczenia powietrza.
5
Dostarczanie nadmiernych ilości zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego może prowadzić do przekształcenia naturalnych procesów,
zachodzących w atmosferze. Wynikiem tego jest pojawianie się tzw. "kwaśnych deszczy", a także zmniejszanie się zawartości ozonu (O3) w stratosferze, zwane "dziurą ozonową". Następuje również wzmocnienie naturalnego efektu cieplarnianego.
Większość energii produkowanej na świecie pochodzi ze spalania
paliw stałych, płynnych i gazowych. Spalaniu paliw towarzyszy dostarczanie ogromnych ilości zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego, zależne przede wszystkim od rodzaju spalanego paliwa. Gaz ziemny uważany
jest za paliwo względnie czyste, olej opałowy powoduje emisję zanieczyszczeń gazowych, głównie dwutlenku węgla, dwutlenku siarki i tlenków azotu, natomiast spalanie węgla bywa najbardziej uciążliwe; bo obok
tych samych substancji gazowych do atmosfery wydziela się także pył. W
czasie spalania węgla emitowane są przede wszystkim dwutlenek siarki
(SO ), tlenki azotu (NO ), tlenek węgla, (CO), dwutlenek węgla, (CO ), zaś
2
x
2
pyły zawierają metale ciężkie (np. ołów, cynk, kadm). Spalanie paliw kopalnych w Europie w 1998 r. dostarczyło do atmosfery około 5 670 000
tys. ton dwutlenku węgla, (CO ). Spośród wszystkich paliw kopalnych naj2
więcej siarki zawiera węgiel, ale jest to bardzo zróżnicowane zależnie od
gatunku węgla. Udział transportu w globalnym zanieczyszczaniu powietrza
jest znaczny, a w krajach wysoko rozwiniętych przewyższa lub dorównuje
udziałowi przemysłu.
6
Udzia ł transp ortu w zanieczyszczeniu
powietrza
Ruch samochodowy odpowiedzialny jest za wysokie stężenie zanieczyszczenia powietrza w miastach i w pobliżu dróg, w dodatku na poziomie ulic, a dokładniej na poziomie oddychania. W miejscach o szczególnie
wysokim poziomie ryzyka, gdzie zanieczyszczenie powietrza jest wyjątkowo wysokie (ruchliwe drogi, podziemne i nadziemne parkingi samochodowe, tunele i okolice stacji benzynowych), poziom zanieczyszczenia powietrza może być od 4 do 40-krotnie wyższy niż średnia dla całych obszarów miejskich. Jednym z miejsc charakteryzujących się szczególnie wysokim poziomem ryzyka jest sam samochód. Poziom substancji lotnych pochodzenia organicznego oraz dwutlenku azotu wewnątrz samochodów kilkakrotnie przewyższa ich poziom w otoczeniu
Ryc.2.
Ruch uliczny a zanieczyszczenie powietrza.
7
W skali globalnej samochody wydalają corocznie do atmosfery niemal 300 mln t toksycznych spalin. Podstawowym źródłem emisji substancji
szkodliwych z pojazdu napędzanego tłokowym silnikiem spalinowym jest
układ wylotowy oraz w mniejszym stopniu układ paliwowy (śladowo także
skrzynia korbowa). Skład gazów emitowanych z układu wylotowego zależy przede wszystkim od współczynnika nadmiaru powietrza i w dużym
stopniu od obiegu silnika oraz od warunków jego pracy. Występują, zatem
znaczne różnice pomiędzy emisją związków toksycznych w silnikach o zapłonie iskrowym ZI i zapłonie samoczynnym ZS. Silniki benzynowe ZI
emitują do atmosfery więcej szkodliwych gazów niż silniki zasilane olejem
napędowym ZS, które emitują duże ilości sadzy (zwłaszcza, gdy są w złym
stanie technicznym).
Ryc.3.
Nadmierna emisja zanieczyszczeń przez silnik ZS.
8
Skład spalin z silników benzynowych jest następujący: tlenek węgla,
(CO), tlenki azotu (NO ) węglowodory HC (lotne związki organiczne),
x
dwutlenek siarki (SO ), dwutlenek węgla, (CO2), tlen (O2), para wodną
2
(H2O), azot, (N2) i cząstki stałe. Procentowy, orientacyjny skład spalin silnika ZI przedstawia poniższy wykres.
CO2
18,00%
N2
70,00%
H2O
7,00%
O2
1,50%
CO
2,00%
HC
0,15%
NOX
0,20%
RESZTA
1,15%
Ryc.4.
Procentowy, orientacyjny skład spalin silnika ZI.
Najgroźniejszy jest tlenek węgla - w mowie potocznej znany, jako
czad - jest on śmiertelną trucizną dla organizmu człowieka i każdego innego, który używa hemoglobiny do transportu tlenu (na przykład dla
wszystkich kręgowców). Łączy się on z hemoglobiną w sposób trwały,
blokując w ten sposób przenoszenie tlenu. Powstaje podczas spalania węgla (w sensie chemicznym) przy niedostatecznym dostępie powietrza. Od
czasu do czasu zdarzają się nieszczęścia, spowodowane przez piec, opalany
drewnem lub węglem. Jeżeli zamknąć zbyt szczelnie piec, w którym jest
9
dużo rozżarzonych węgli, może powstać czad. Jeżeli dzieje się to nocą w
pokoju, w którym śpi cała rodzina, skutki mogą być tragiczne.
Współcześnie mieszkańcy miast są codziennie zatruwani częściowo
tlenkiem węgla zawartym w spalinach samochodowych. Gazy spalinowe
zawierają dużo więcej tlenku węgla niż tlenków azotu i węglowodorów razem wziętych i są dokładnie tak samo trujące jak czad z pieca.
Węglowodory, wiele z nich to gazy albo ciecze o dość dużej lotności. W spalinach samochodowych znajdują się przede wszystkim w postaci
gazowej. O szkodliwości dla organizmów zwierzęcych można by powiedzieć w największym skrócie i trochę w przenośni, że jest tym większa, im
bardziej węglowodór jest pierścieniowy. To znaczy, że stosunkowo najmniej toksyczne są węglowodory o budowie łańcuchowej - alifatyczne.
Bardziej od nich groźne są węglowodory pierścieniowe -aromatyczne, najgorsze zaś - węglowodory zbudowane z wielu pierścieni. Te ostatnie są silnie rakotwórcze. Wszystkie stają się z reguły jeszcze bardziej toksyczne po
przyłączeniu grupy aminowej, nitrowej lub nitrozowej. W środowisku naturalnym węglowodory z czasem ulegają utlenieniu przez mikroorganizmy
do dwutlenku węgla i wody, ale te procesy samooczyszczania przebiegają
bardzo powoli. Tempo ich jest zupełnie niewspółmierne do tempa zanieczyszczania środowiska, na przykład dookoła pierwszej z brzegu stacji
benzynowej.
Tlenki azotu - głównie NO i N02 - powstawały zawsze i nadal powstają od energii błyskawic, po czym w wodzie tworzą jon azotanowy,
niezbędny dla roślin. Stąd bierze się jednak niewiele tych jonów i powoduje znikome stężenia, poniżej progu szkodliwości dla istot żywych. Dla
człowieka ten próg wynosi 10 ppm N02 i 50 ppm NO. Współcześnie tlenki
azotu są wytwarzane w wielu różnych procesach przemysłowych, przede
wszystkim przy spalaniu w wysokich temperaturach. Są to ilości tak duże,
że często pojawiają się stężenia szkodliwe dla życia. U ludzi dwutlenek
10
azotu powoduje podrażnienie oczu, skóry, dróg oddechowych, uporczywy
kaszel, bóle głowy, zaburzenia obiegu krwionośnego, a przy większym stężeniu zatrucia śmiertelne. Wyrzucany z dymami przez kominy oraz rozprzestrzeniany razem z innymi spalinami przez ruch samochodowy jest dużym niebezpieczeństwem dla ludności miejskiej i jedną z przyczyn powstawania tzw. smogu. Ponadto, gdy tlenki azotu znajdą się w glebie,
mogą tam ulegać przemianom do związków o nazwie nitrozoamin. Nitrozoaminy są silnie rakotwórcze, a pobrane z gleby przez warzywa mogą
znaleźć się w pożywieniu ludzkim. Wreszcie - jako prekursor kwasu azotowego - tlenki azotu mają też udział w tworzeniu kwaśnych deszczów i ich
niszczącym działaniu.
W 1990 roku silniki spalinowe były odpowiedzialne za 37, 5%
wszystkich tlenków azotu wytworzonych w Polsce. Zarówno wytwarzanie,
jak też i zagęszczenie jest największe w miastach - tym większe, im większe miasto.
Dwutlenek węgla występuje nawet w czystym powietrzu atmosferycznym. Gaz ten jest produktem końcowym procesów metabolicznych i w
naturalnej wymianie w atmosferze jest wiązany przez rośliny po okresie
przebywania w atmosferze przez około 300 lat. Emisja dwutlenku węgla do
atmosfery odbywa się nie tylko z procesów oddychania, ale również z procesów przemysłowych i użytkowania pojazdów i urządzeń z silnikami spalinowymi. Ilość dwutlenku węgla zwiększa się znacznie, a szczególnie z
procesów technologicznych powoduje wzrost tego gazu w atmosferze.
Tworzy to warunki do występowania efektu cieplarnianego. Charakterystyczną właściwością dwutlenku węgla jest to, że przepuszcza krótkofalowe promieniowanie słońca i pochłania długofalowe cieplne promieniowanie z Ziemi, czyli przeciwdziała wypromieniowaniu ciepła z Ziemi.
Wzrost zawartości dwutlenku węgla w atmosferze prowadzi, zatem do
wzrostu temperatury Ziemi. Podobnymi własnościami odznaczają się inne
11
gazy np. metan, freony, podtlenek azotu itp. Źródłem gazów powodujących
efekt cieplarniany są przede wszystkim procesy spalania węgla i ropy naftowej. Istotny wkład na podwyższanie temperatury Ziemi ma również wycinanie lasów, co przyczynia się do zmniejszania ilości pochłanianego
dwutlenku węgla przez roślinność.
Zanieczyszczenia określone na wykresie, jako „RESZTA”:
Ø Dwutlenek siarki. Gaz ten dostaje się do atmosfery w wyniku
spalania ogromnych ilości paliw zawierających siarkę lub jej
związki. Do tej pory technika nie opracowała jeszcze metody
generalnego odsiarczania paliw. Dwutlenek siarki jest bardzo
szkodliwy dla wszystkiego, co żyje, zwłaszcza dla roślin. Działa
on nawet w stężeniach 1-2 ppm, chociaż człowiek wyczuwa
węchem dopiero stężenie 3-5 ppm., Jeżeli więc czujesz w powietrzu zapach palonej siarki to znaczy, że twój organizm już
został zaatakowany.
Ø Cząstki pyłowe PM, znajdują się w spalinach silników. W
środowisku naturalnym pyły, które nie są szczególnie trujące,
mogą jednak szkodzić roślinom. Pył osadzający się na powierzchni liści pochłania światło, a może również zatykać aparaty szparkowe i w ten sposób utrudniać fotosyntezę. Najczęściej jednak pyły zawarte w spalinach składają się z substancji
trujących i od tego głównie zależy sposób ich oddziaływania na
środowisko.
Silniki Diesla emitują mniej szkodliwych gazów [np. 20 razy mniej
tlenku węgla (CO), 8 razy mniej węglowodorów], ale więcej sadzy. Ze
względu na swe zalety rozpowszechniły się w pojazdach użytkowych. Ich
zalety biorą się z faktu, że spalanie zachodzi w nich przy nadmiarze powietrza (λ > 1). Niestety, ekologiczność nie oznacza, że nie, zanieczyszczają one środowiska, obniżając, bowiem emisję jednych składników, pod12
noszą poziom innych. Ich główną wadą jest podwyższony poziom cząstek
stałych. W składzie spalin silników ZS można znaleźć rozmaite substancje.
Ich wzajemne proporcje zależą od konstrukcji silnika, warunków eksploatacji oraz stosowanego paliwa i oleju silnikowego. Składniki spalin
opuszczających silnik mają postać:
Ø gazową: azot, wodór, tlen, tlenek i dwutlenek węgla, tlenki azotu,
tlenki siarki, woda, aldehydy;
Ø ciekłą: węglowodory niespalone w silniku, takie jak: parafiny,
węglowodory aromatyczne, nafteny;
Ø stałą: sadza, ciężkie węglowodory.
Poniższy schemat przedstawia sposób powstawania spalin w silnikach ZS i ich skład chemiczny.
Ryc.5.
Procentowy, orientacyjny skład spalin silnika ZS.
13
Regulacje prawne dążące do ograniczenia
emisji zanieczyszczeń zawa rtych w spalinach
Ponieważ silniki spalinowe pojazdów są istotnym źródłem zanieczyszczenia powietrza w skali globalnej, już od dość dawna stały się celem
dla działań ustawodawców dążących do ochrony środowiska. Pierwsze regulacje prawne nastąpiły w amerykańskim stanie Kalifornia w 1957. Były
one spowodowane powtarzającym się zjawiskiem smogu dławiącego
aglomerację Los Angeles.
Po lokalnych, stanowych regulacjach nastąpiły regulacje ustawowe
w formie Clean Air Act (1963) oraz Motor Yehicle Air Pollution Control
Act (1965), w których zawarto już dopuszczalne poziomy emisji zanieczyszczeń. W 1971 roku rozszerzeniu uległa także lista kontrolowanych
zanieczyszczeń dołączono do niej (po raz pierwszy w Kalifornii) NOX. W
Europie pierwsze przepisy prawne ograniczające poziom emisji zanieczyszczeń weszły w życie w krajach EWG w 1970 roku. Przyjęto w nich za
dopuszczalne poziomy zanieczyszczeń określone w dyrektywach Komisji
Europejskiej ONZ. Te pierwsze dyrektywy dotyczyły samochodów osobowych i były dopiero zapowiedzią tego, co miało dopiero nastąpić w dziedzinie legislacji w nadchodzących latach.
Europejskie pojazdy użytkowe o masie całkowitej dopuszczalnej
powyżej 3, 5t zostały objęte regulacjami poziomów emitowanych zanieczyszczeń dopiero w końcu lat osiemdziesiątych. Obowiązujące w tym
względzie przepisy wydaje Komisja Europejska i mają one rangę dyrektyw, czyli zobowiązują kraje Unii Europejskiej do ich obligatoryjnego stosowania. Pierwsza dyrektywa, która została wydana w 1988 roku i weszła
w życie w roku1990, nie obejmowała jeszcze limitów dla cząstek stałych.
W późniejszej dyrektywie ujęto i ten problem.
14
Zespól wymagań określany w dyrektywach przyjęło się określać
mianem EURO z odpowiednim numerem wskazującym kolejny poziom
ograniczeń.
Norma
Data wejścia
w życie
Dopuszczalne wartości
R49
1982 r.
HC - 3, 50 g/kWh
CO - 14, 00 g/kWh
NOx - 18, 0 g/kWh
EURO 0
1990 r.
HC - 2, 40 g/kWh
CO - 11, 20 g/kWh
NOx - 14, 40 g/kWh
Ryc.6.
Zespół wymagań określanych mianem R49 EURO „0”.
Ryc.7.
Zespół wymagań określanych mianem EURO.
Źródło: http://www.dieselnet.com/standards/eu/ld.html
15
Regulacje prawne w Polsce.
W Polsce około 25 lat temu postanowiono wprowadzić pierwsze
normy dotyczące emisji spalin.
W naszym kraju dopuszczalne normy zawartości zanieczyszczeń
zawartych w spalinach pojazdów samochodowych zawarte są w warunkach
technicznych dopuszczenia pojazdów samochodowych do ruchu na drogach publicznych.
Na następnych stronach przedstawione są aktualne poziomy emisji
zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery przez silniki pojazdów samochodowych oraz kryteria oceny stanu technicznego pojazdu podczas badania technicznego..............................................................................................
16
ROZPORZĄDZENIE MINISTRA INFRASTRUKTURY
z dnia 30 kwietnia 2004 r.
zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych pojazdów oraz zakresu ich
niezbędnego wyposażenia
Dz. U. nr 103 poz. 1085
Załącznik do rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 30 kwietnia 2004 r. (poz. 1085)
POZIOMY EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ GAZOWYCH I WSPÓŁCZYNNIKA NADMIARU POWIETRZA λ
Zawartość CO w % objętości spalin, CH w ppm (cząstki na milion)
oraz współczynnik λ dla pojazdu zarejestrowanego po raz pierwszy
Lp.
Pojazd
1
2
1 Motocykl
2
1
Prędkość
obrotowa
silnika
3
od dnia 1
do dnia
października
od dnia 1 lipca
30
od dnia 1 maja
1986 r. do dnia 1995 r. do dnia 30
2004 r.
września
30 czerwca
kwietnia 2004 r.
1986 r.
1995 r.
4
5
6
7
8
9
10
CO
CO
CO
CH
λ
CO
λ
Bieg jałowy
5,5
4,5
4,5
-
-
4,5
-
Bieg jałowy
4,5
3,5
0,5
100
-
0,3
-
2.000 min-1
do 3.000
min-1
-
-
0,3
100
0,971,03
0,2
0,971,03
Inny pojazd
samochodowy1
Dla pojazdu zarejestrowanego po raz pierwszy po dniu 31 grudnia 1996 r., wyposażonego w silnik o
3
pojemności sokowej poniżej 700 cm , dopuszcza się wartości określone w kolumnie 5; wartości podane w
kolumnach 6, 7 i 8 nie dotyczą pojazdu, dla którego w świadectwie homologacji potwierdzono wartości
wyższe, stanowiące dla tego pojazdu kryterium oceny.
ROZPORZĄDZENIE MINISTRA INFRASTRUKTURY
z dnia 16 grudnia 2003 r.
w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów
Dz. U. nr 227 poz. 2250
WYKAZ CZYNNOŚCI KONTROLNYCH ORAZ METODY l KRYTERIA OCENY STANU TECHNICZNEGO
POJAZDU PODCZAS PRZEPROWADZANIA BADANIA TECHNICZNEGO
ZAGADNIENIA ZWIĄZANE Z OCHRONĄ ŚRODOWISKA
Przedmiot i zakres
badania
1
Sposób przeprowadzenia
badania
2
Pomiar emisji
Podstawowe kryteria uznania stanu technicznego za
niezadowalający
3
1. Wskazania miernika tlenku węgla (CO) przy
Emisja
zanieczyszczeń
zanieczyszczeń gazowych prędkości obrotowej biegu jałowego silnika:
gazowych z silnika o
przeprowadza się zgodnie z
zapłonie iskrowym
- powyżej wartości 4, 5% dla pojazdów
instrukcją (załącznik nr 4 do rejestrowanych po raz pierwszy do dnia 30.09.1986 r., a w
rozporządzenia).
odniesieniu do motocykla 5,5%,
- powyżej wartości 3, 5% dla pojazdów
rejestrowanych po raz pierwszy od dnia 01.10.1986 r. do dnia
30.06.1995 r., a w odniesieniu do motocykla 4,5%.
2. Wyraźnie zauważalne spalanie oleju silnikowego
(nie dotyczy silników dwusuwowych).
3. Niedozwolone odprowadzenie spalin do atmosfery
(tzw. “odma").
4. Wskazania wieloskładnikowego analizatora spalin
powyżej:
- 0, 5% CO i 100 ppm CH mierzone na biegu
jałowym silnika, w odniesieniu do motocykla 4, 5% CO,
- 0, 3% CO i 100 ppm CH mierzone z prędkością
obrotową silnika (z zakresu od 2 000-3 000 min-1) nie dotyczy
motocykli,
oraz wartość współczynnika nadmiaru powietrza
(lambda) poza granicami 0, 97-1, 03, mierzona z podwyższoną
prędkością obrotową silnika (z zakresu od 2 000 min do 3 000
min) dla pojazdu wyposażonego w sondę lambda, dla
pojazdów zarejestrowanych po raz pierwszy po 30.06.1995 r.
18
Przedmiot i zakres Sposób przeprowadzenia
badania
badania
1
2
Podstawowe kryteria uznania stanu technicznego za
niezadowalający
3
5. W pojazdach wyposażonych w pokładowy system
diagnostyczny typu OBDII/EOBD występowanie
zarejestrowanego kodu usterki sygnalizowanego kontrolką
MIL przy jednoczesnym prawidłowym działaniu jej obwodu.
Nieprawidłowe działanie elementów odpowiedzialnych za
ograniczenie emisji substancji szkodliwych dla środowiska, a
w szczególności:
- reaktorów katalitycznych,
- czujników tlenu (sond lambda).
- systemu powietrza wtórnego,
- powietrza wtórnego,
- systemu kontroli emisji par paliwa, w tym
zamknięcia i szczelności korka wlewu paliwa,
- pozostałych czujników i systemu połączeń
elektrycznych.
6. Kontrolny sygnał niesprawności układu
diagnostyki pokładowej (MIL) nie działa prawidłowo.
7. W pojazdach wyposażonych w pokładowy system
diagnostyczny typu OBDII/EOBD niewykonane wszystkie
procedury diagnostyczne (tzw. Monitory) oraz negatywny
wynik testu czujników tlenu (sond lambda), który wykonany
został na podstawie zarejestrowanych wartości bieżących lub
pomiaru emisji zanieczyszczeń gazowych.
1. Zadymienie spalin (mierzone przy swobodnym
Pomiar zadymienia
Zadymienie spalin
z silnika o
przyspieszaniu silnika w zakresie od prędkości obrotowej
spalin przeprowadza się
zapłonie
samoczynnym
zgodnie z instrukcją (załącznik biegu jałowego do maksymalnej prędkości obrotowej,
nr 4 do rozporządzenia).
wyrażone w postaci współczynnika pochłaniania światła),
większe niż: 2, 5 m-1, a w odniesieniu do silnika z
turbodoładowaniem 3, 0 m-1, a w przypadku pojazdów
wyprodukowanych po dniu 30 czerwca 2008 r. nie
przekraczało 1, 5 m-1;
19
Techniczne środki służące obniżaniu
zawartości zanieczyszczeń w spalinach
pojazdów
W następstwie tych podstawowych aktów prawnych wprowadzono
pierwszy środek techniczny służący obniżaniu zawartości składników toksycznych w gazach spalinowych, tzw. dopalanie polegające na utlenianiu
węglowodorów oraz tlenku węgla w tzw. reaktorach termicznych umieszczanych bezpośrednio za zaworami wylotowymi. W latach siedemdziesiątych zastąpiono je katalizatorami.
W każdym silniku skład spalin opuszczających komory spalania
różni się od składu spalin z rury wydechowej, ponieważ tlenek węgla i węglowodory reagują z tlenem pozostałym w spalinach, przekształcając się w
dwutlenek węgła i parę wodną. Proces ten jest w znacznym stopniu uzależniony od temperatury, a krótki czas przepływu spalin przez układ, wydechowy sprawia, że tylko niewielka część toksycznych związków ulega
neutralizacji. Również tlenki azotu przekształcają się w układzie wydechowym w czysty azot, ale i ten proces przebiega mało sprawnie.
W katalizatorach, reakcje między składnikami spalin zachodzą bardziej intensywnie, także przy niższych temperaturach. Potocznie katalizatorem nazywa się całe urządzenie oczyszczające spaliny.
W urządzeniach tego rodzaju mogą zachodzić dwa typy reakcji:
Ø utlenianie (tlenek węgla i węglowodory, reagując z tlenem zawartym w spalinach, przekształcają się w dwutlenek węgla i parę
wodną);
Ø redukcja (reakcja tlenku węgla z tlenkiem azotu powoduje
przekształcenie tych związków w azot i dwutlenek węgla).
Ze względu na pełnione funkcje katalizatory dzielimy, więc na:
Ø utleniające, których działanie przyspiesza jedynie reakcje utleniania;
Ø redukujące, których zadanie polega wyłącznie na przyspieszaniu
redukcji;
Ø utleniająco-redukujące, w których przyspieszeniu ulegają obydwa
rodzaje reakcji.
Ryc.8.
Systemy katalizatorów silników ZI.
21
Najpoważniejszym problemem w przypadku układów wydechowych
silników ZS jest zmniejszenie emisji węgla w postaci sadzy wyrzucanej
wraz z spalinami. Nie jest to produkt bezpośrednio toksyczny, ale w znacznym stopniu uciążliwy dla otoczenia i pozostałych uczestników ruchu drogowego. Dotychczas stosowano techniczne środki obniżenia emisji cząstek
stałych i zanieczyszczeń gazowych w silnikach ZS:
1. wolnossący
dwuzaworowy
2. turbodoładowany
3. turbodoładowany z
chłodzeniem powietrza
doładowującego
4. turbodoładowany z
chłodzeniem i wtryskiem
pod wysokim ciśnieniem
5. turbodoładowany z
chłodzeniem, wtryskiem
przy bardzo wysokim
ciśnieniu i zmiennym
początku wtrysku
6. recyrkulacja z
chłodzeniem spalin
Ryc.9.
Techniczne środki obniżania zawartości zanieczyszczeń
w silnikach ZS.
Stosowane są też urządzenia bierne, ich funkcja sprowadza się do
mechanicznego zatrzymywania cząsteczek przez tzw. filtry sadzy umieszczane w końcowych odcinkach układów wydechowych. Wymagają one
okresowej wymiany lub czyszczenia.
Spotyka się konstrukcje filtrów sadzowych, w których oczyszczanie
(metodą wypalania) dokonuje się samoczynnie podczas jazdy samochodu.
Są one przeważnie zintegrowane z katalizatorami utleniającymi we wspólnych obudowach. Przykładem może być system CRT (Continuos Regene22
ration Trap) umożliwia on znaczne ograniczenie toksyczności silników samochodów ciężarowych. W skład systemu, oprócz stosowania oleju napędowego o ograniczonej zawartości siarki, wchodzą: katalizator utleniający i
filtr cząsteczkowy - umieszczone w zintegrowanej obudowie. Zbudowany
na bazie spieków metalicznych lub ceramiczny katalizator powoduje obniżenie emisji tlenku węgla (CO) i węglowodoru (HC) o około 90 %. W filtrze cząsteczkowym następuje wypalanie ponad 90 % cząstek stałych, będących powodem dymienia silników ZS. Przy tej reakcji, (jako źródło
tlenu) wykorzystywany jest inny niepożądany składnik spalin - dwutlenek
azotu N02.
System CRT pracuje bezobsługowo i może być stosowany w silnikach EURO I, EURO II oraz EURO 0 turbo-diesel. Zamontowanie systemu
jest proste, nie powoduje zwiększonego zużycia paliwa i sprawia, że silnik
pracuje ciszej.
Ryc.10.
Katalizator CRT – zintegrowany katalizator utleniający i
filtr cząsteczkowy.
23
Jak widać, zasada konstruowania norm jest prosta i polega na konsekwentnym obniżaniu poziomu dopuszczalnych zanieczyszczeń. Jak to
osiągnąć, to już nie jest problem ustawodawców, chociaż niewątpliwie
uwzględniają oni możliwości techniczne realizacji swoich postanowień.
Przykładem realizmu jest branie pod uwagę masy cząstek stałych, a nie ich
rozmiarów i ilości - chociaż te właśnie parametry lepiej oddawałyby stopień zagrożenia dla środowiska. Zbyt mała rozdzielczość metod pomiarowych nie pozwala jednak na razie na ich zastosowanie. Jedno jest jednak
pewne: następne poziomy dopuszczalnych zanieczyszczeń będą znacznie
niższe.
24
Warunki skuteczności
katalizatorów
W przypadku silników ZI największą skutecznością w usuwaniu toksycznych produktów spalania odznaczają się wśród urządzeń stosowanych
masowo katalizatory trójfunkcyjne współpracujące z sondami lambda. Jednak jednoczesne reakcje utleniania i redukcji mogą przebiegać zadowalająco tylko w odniesieniu do spalin uzyskiwanych z mieszanek o składzie
zbliżonym do stechiometrycznego, (czyli bez nadmiaru zarówno powietrza,
jak i paliwa). Nadmierne wzbogacenie mieszanki wpływa na obniżenie
zdolności katalizatora do usuwania tlenku węgla i węglowodorów, natomiast nawet nieznaczne zubożenie mieszanki powoduje całkowitą utratę
możliwości usuwania tlenków azotu. Dlatego katalizator bez sondy lambda
nie może skutecznie usuwać wszystkich składników toksycznych ze spalin.
Z kolei układ zasilania sterowany sondą lambda koryguje skład mieszanki tylko wtedy, gdy silnik jest nagrzany do optymalnej temperatury roboczej oraz pracuje w zakresie od 0% do ok. 75% swojego maksymalnego
obciążenia. We wszystkich innych sytuacjach silnik jest zasilany mieszankami bogatymi lub ubogimi (np. podczas intensywnego przyspieszania lub
hamowania silnikiem).
Silniki ZI z katalizatorami i sondami lambda bezwzględnie wymagają
stosowania benzyny bezołowiowej. Spalenie jednego zbiornika benzyny z
dodatkiem ołowiu (etylizowanej) powoduje całkowite zniszczenie obu tych
urządzeń. Dopuszczalna zawartość ołowiu w paliwie wynosi dla tego
rodzaju silników 0, 013 g/l, a etyliny mają ją na poziomie ok. 0, 15 g/l).
Uszkodzenie katalizatora lub sondy (albo obydwu) w silnikach ZI
objawia się spadkiem osiągów i wyraźnym wzrostem zużycia paliwa.
Uszkodzone katalizatory utleniające i filtry sadzowe w silnikach ZS wpływają ujemnie na ich pracę jedynie w przypadku utraty drożności.
25
Walka o poprawę czystości spalin
Urzędowa walka o poprawę czystości spalin nie przynosi zamierzonych efektów. Szacuje się na podstawie reprezentatywnych badań, że 1020% jeżdżących po drogach samochodów osobowych należy do grupy
„high-emitter", czyli producentów spalin o wysokiej toksyczności. Im zawdzięczamy 40-60% ogólnej ilości toksycznych substancji emitowanych
do atmosfery ziemskiej.
Problem jest poważny, lecz jednocześnie bardzo trudny do rozwiązania na drodze czysto administracyjnej. Obowiązkowe kontrole składu
spalin prowadzone są tylko raz w roku, podczas ogólnych przeglądów
kontrolnych. Policje drogowe różnych państw są uprawnione do kontroli
doraźnych, ale ze względu na swój losowy charakter nie mogą one wyegzekwować przestrzegania norm ekologicznych we wszystkich pojazdach, a
sami kierowcy mimo najlepszej woli nie mają sposobu na to, by zorientować się, kiedy ich samochód przestaje zachowywać się tak poprawnie, jak
podczas ostatniej kontroli. Z tych powodów w USA wprowadzono obowiązek wyposażania wszystkich nowych dopuszczanych do ruchu pojazdów w system OBD (On Board Diagnose - diagnoza pokładowa), a Unia
Europejska przewiduje podobne rozwiązanie
System amerykański ma działanie pośrednie, ponieważ opiera się na
bieżącej kontroli sprawności wszystkich podzespołów samochodu odpowiedzialnych za przepisowy skład spalin. W przypadku nieprawidłowości
na tablicy przyrządów zapala się odpowiednia lampka kontrolna, a usterka
wprowadzona zostaje do pamięci komputerowej centralnej jednostki sterującej w sposób umożliwiający warsztatowi serwisowemu szybką jej identyfikację przy wykorzystaniu złącza diagnostycznego.
Dla Europy przygotowywany został w biurze inżynierskim WWU w
Hamburgu system pokładowej kontroli bezpośredniej, nazwany w skrócie
26
OBM (On Board Measurement - pomiar pokładowy). Opiera się on na
zamontowanym w pojeździe urządzeniu pokładowym w postaci czterogazowego analizatora spalin, mierzącego bieżącą zawartość dwutlenku węgla
(C02), tlenku węgla, (CO), węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NO).
Uzyskane wyniki rzeczywiste porównywane są z wartościami wzorcowymi
zapisanymi w pamięci komputera. Każde naruszenie norm emisji sygnalizowane jest natychmiast na tablicy przyrządów. Niezależnie od tego w pamięciowym układzie samodiagnozy rejestrowane są usterki poszczególnych mechanizmów odpowiedzialnych za prawidłowy skład spalin.
Ryc.11.
Bezpośredni pomiar spalin.
1. silnik, 2. katalizator, 3. tłumik, 4. boczny kanał spalin, 5. wylot spalin,
6. analizator spalin, 7. wskaźnik, 8 tablica rozdzielcza.
Trudności w skonstruowaniu sprawnie działającego systemu OBM
wynikają ze znacznego zróżnicowania warunków eksploatacji każdego samochodu, czyli też towarzyszących im zmian wielkości przepływu, ciśnienia i temperatury spalin. Poza tym eksploatacja analizatora podczas ruchu
pojazdu wymaga zwiększonej wytrzymałości i niezawodności wszystkich
jego elementów.
27
System OBM, opracowany przez firmę WWU (Wissenschaftliche
Werkstatt fur Umwelttechnik GmbH), analizuje składniki spalin metodą
absorpcji promieniowania podczerwonego, znaną dotychczas konstruktorom wysokiej jakości analizatorów stacjonarnych, używanych do okresowej kontroli pojazdów.
Pokładowy analizator WWU wykorzystuje urządzenie podobnego
typu, lecz o zminiaturyzowanych wymiarach i dużej odporności mechanicznej. Przeszło już ono pomyślnie próby eksploatacyjne i może być
wdrożone do produkcji seryjnej.
W systemie OBM analiza spalin towarzyszy od momentu zimnego
rozruchu silnika wszystkim momentom i zakresom jego pracy. Mierzone
wartości wyświetlane są na ciekłokrystalicznym czytniku umieszczonym
na tablicy przyrządów. Czytnik ten staje się dzięki temu źródłem aktualnych informacji o stanie technicznym pojazdu i o wpływie stosowanej
techniki jazdy na skład emitowanych spalin.
Dzięki temu kierowca dowiaduje się niezwłocznie o:
Ø nadmiernym zużyciu katalizatora lub innych podzespołów
mających wpływ na skład spalin, czyli o konieczności usunięcia
usterek przed obowiązkowym przeglądem technicznym,
Ø zakresach pracy silnika szczególnie uciążliwych dla środowiska
naturalnego,
Ø pogorszeniu sprawności procesów spalania, czyli nadmiernym
zużyciu paliwa, objawiającym się podwyższoną emisją tlenku
węgla i węglowodorów.
28
Rozdział 1
1)
BIBLIOG RAFIA
Rymaszewski E.: Dopalacze katalityczne (katalizatory spalin)
http://www.zss.pl
2)
Wiatr I, Marczak H, Sawa J.: Ekoinżynieria. Lublin 2003,
Wyd. Naukowe – Gabriel Borowski.
3)
Katalizator spalin. „Auto Ekspert” 1995, nr 3.
4)
Czysty silnik ZS?. „Auto Ekspert” 1996, nr 5.
5)
Pokładowy analizator spalin. „Auto Ekspert” 1998, nr 5.
6)
Analiza spalin. „Auto Ekspert” 1999, nr 1.
7)
Euro... „Auto Ekspert” 1999, nr 5.
8)
Układy wydechowe silników samochodowych.
„Auto Ekspert” 2001, nr 7/8.
9)
Euro-Route - http://www.euroroute.friko.pl
10) Zanieczyszczenie powietrza
http://www.ochronaprzyrody.republika.pl
11) Oddziaływanie zanieczyszczenia powietrza na inne elementy
środowiska i gospodarkę - http://www.atmosphere.mpg.pl
12) Rola energetyki i transportu w zanieczyszczeniu powietrza
atmosferycznego - http://www.atmosphere.mpg.pl
13) Zanieczyszczenia komunikacyjne http://www.ekoklub.wroclwaw.pl
14) Zespół wymagań EURO http://www.dieselnet.com/standards/eu/ld.html
29
Rozdział 2
Spis rysunków
Ryc.1.
Oddziaływanie zanieczyszczenia powietrza................................ 4
Ryc.2.
Ruch uliczny a zanieczyszczenie powietrza. ............................... 7
Ryc.3.
Nadmierna emisja zanieczyszczeń przez silnik ZS...................... 8
Ryc.4.
Procentowy, orientacyjny skład spalin silnika ZI. ....................... 9
Ryc.5.
Procentowy, orientacyjny skład spalin silnika ZS. .................... 13
Ryc.6.
Zespół wymagań określanych mianem R49 EURO „0”. ........... 15
Ryc.7.
Zespół wymagań określanych mianem EURO. ......................... 15
Ryc.8.
Systemy katalizatorów silników ZI........................................... 21
Ryc.9.
Techniczne środki obniżania zawartości zanieczyszczeń w
silnikach ZS...................................................................................... 22
Ryc.10. Katalizator CRT – zintegrowany katalizator utleniający i filtr
cząsteczkowy.................................................................................... 23
Ryc.11. Bezpośredni pomiar spalin........................................................ 27
30
Rozdział 3
SPIS TREŚCI
Oddziaływanie zanieczyszczenia powietrza
na środowisko i gospodarkę ............................................................. 2
Udział transportu w zanieczyszczeniu powietrza .............................. 7
Regulacje prawne dążące do ograniczenia emisji zanieczyszczeń
zawartych w spalinach.................................................................... 14
Techniczne środki służące obniżaniu zawartości zanieczyszczeń
w spalinach pojazdów .................................................................... 20
Warunki skuteczności katalizatorów ........................................... 25
Walka o poprawę czystości spalin .................................................. 26
BIBLIOGRAFIA............................................................................ 29
Spis rysunków ................................................................................ 30
SPIS TREŚCI ................................................................................. 31
31