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 (NOХ), углеводороды (СХНУ), 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.
