ZSP Węgrów. Warsztaty Szkolne

Transkrypt

1 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

2 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

3 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: straty związane z wydatkami ponoszonymi na ochronę powietrza atmosferycznego, wydatki ponoszone w związku z obniżeniem stanu zdrowotnego społeczeństwa, straty samych surowców, których część zostaje wydzielona do atmosfery w postaci lotnej, 3

4 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

5 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 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

6 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 (O 3 ) 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 2), tlenki azotu (NO x), tlenek węgla, (CO), dwutlenek węgla, (CO 2), zaś pyły zawierają metale ciężkie (np. ołów, cynk, kadm). Spalanie paliw kopalnych w Europie w 1998 r. dostarczyło do atmosfery około tys. ton dwutlenku węgla, (CO 2). Spośród wszystkich paliw kopalnych najwięcej 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

7 Udział transportu 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

8 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

9 Skład spalin z silników benzynowych jest następujący: tlenek węgla, (CO), tlenki azotu (NO x) węglowodory HC (lotne związki organiczne), dwutlenek siarki (SO 2), dwutlenek węgla, (CO 2 ), tlen (O 2 ), para wodną (H 2 O), azot, (N 2 ) i cząstki stałe. Procentowy, orientacyjny skład spalin silnika ZI przedstawia poniższy wykres. CO2 18,00% H2O 7,00% O2 1,50% CO 2,00% N2 70,00% 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

10 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 N0 2 - 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 N0 2 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

11 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

12 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 : 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. 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, pod- 12

13 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: gazową: azot, wodór, tlen, tlenek i dwutlenek węgla, tlenki azotu, tlenki siarki, woda, aldehydy; ciekłą: węglowodory niespalone w silniku, takie jak: parafiny, węglowodory aromatyczne, nafteny; 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

14 Regulacje prawne dążące do ograniczenia emisji zanieczyszczeń zawartych 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 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) NO X. 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

15 Zespól wymagań określany w dyrektywach przyjęło się określać mianem EURO z odpowiednim numerem wskazującym kolejny poziom ograniczeń. Norma Data wejścia w życie Dopuszczalne wartości R r. EURO r. HC - 3, 50 g/kwh CO - 14, 00 g/kwh NOx - 18, 0 g/kwh 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: 15

16 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

17 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 Załącznik do rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 30 kwietnia 2004 r. (poz. 1085) POZIOMY EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ GAZOWYCH I WSPÓŁCZYNNIKA NADMIARU POWIETRZA λ Lp. 1 Pojazd Prędkość obrotowa silnika Zawartość CO w % objętości spalin, CH w ppm (cząstki na milion) oraz współczynnik λ dla pojazdu zarejestrowanego po raz pierwszy do dnia 30 września 1986 r. od dnia 1 października od dnia 1 lipca 1986 r. do dnia 1995 r. do dnia czerwca kwietnia 2004 r r. od dnia 1 maja 2004 r CO CO CO CH λ CO λ 1 Motocykl Bieg jałowy 5,5 4,5 4, ,5 - Bieg jałowy 4,5 3,5 0, ,3-2 Inny pojazd samochodowy min -1 do ,3 100 min -1 0,97-1,03 0,2 0,97-1,03 1 Dla pojazdu zarejestrowanego po raz pierwszy po dniu 31 grudnia 1996 r., wyposażonego w silnik o pojemności sokowej poniżej 700 cm 3, 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.

18 ROZPORZĄDZENIE MINISTRA INFRASTRUKTURY z dnia 16 grudnia 2003 r. w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów Dz. U. nr 227 poz WYKAZ CZYNNOŚCI KONTROLNYCH ORAZ METODY l KRYTERIA OCENY STANU TECHNICZNEGO POJAZDU PODCZAS PRZEPROWADZANIA BADANIA TECHNICZNEGO ZAGADNIENIA ZWIĄZANE Z OCHRONĄ ŚRODOWISKA Przedmiot i zakres badania Sposób przeprowadzenia badania Podstawowe kryteria uznania stanu technicznego za niezadowalający Emisja zanieczyszczeń gazowych z silnika o zapłonie iskrowym Pomiar emisji zanieczyszczeń gazowych przeprowadza się zgodnie z instrukcją (załącznik nr 4 do rozporządzenia). 1. Wskazania miernika tlenku węgla (CO) przy prędkości obrotowej biegu jałowego silnika: - powyżej wartości 4, 5% dla pojazdów rejestrowanych po raz pierwszy do dnia r., a w odniesieniu do motocykla 5,5%, - powyżej wartości 3, 5% dla pojazdów rejestrowanych po raz pierwszy od dnia r. do dnia r., a w odniesieniu do motocykla 4,5%. 2. Wyraźnie zauważalne spalanie oleju silnikowego (nie dotyczy silników dwusuwowych). (tzw. odma"). powyżej: 3. Niedozwolone odprowadzenie spalin do atmosfery 4. Wskazania wieloskładnikowego analizatora spalin - 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 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 min do min) dla pojazdu wyposażonego w sondę lambda, dla pojazdów zarejestrowanych po raz pierwszy po r. 18

19 Przedmiot i zakres badania Sposób przeprowadzenia badania Podstawowe kryteria uznania stanu technicznego za niezadowalający 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, elektrycznych. - pozostałych czujników i systemu połączeń 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. Zadymienie spalin z silnika o zapłonie samoczynnym Pomiar zadymienia spalin przeprowadza się zgodnie z instrukcją (załącznik nr 4 do rozporządzenia). 1. Zadymienie spalin (mierzone przy swobodnym przyspieszaniu silnika w zakresie od prędkości obrotowej biegu jałowego do maksymalnej prędkości obrotowej, 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

20 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: utlenianie (tlenek węgla i węglowodory, reagując z tlenem zawartym w spalinach, przekształcają się w dwutlenek węgla i parę wodną); redukcja (reakcja tlenku węgla z tlenkiem azotu powoduje przekształcenie tych związków w azot i dwutlenek węgla).

21 Ze względu na pełnione funkcje katalizatory dzielimy, więc na: utleniające, których działanie przyspiesza jedynie reakcje utleniania; redukujące, których zadanie polega wyłącznie na przyspieszaniu redukcji; utleniająco-redukujące, w których przyspieszeniu ulegają obydwa rodzaje reakcji. Ryc.8. Systemy katalizatorów silników ZI. 21

22 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. w silnikach ZS. Techniczne środki obniżania zawartości zanieczyszczeń 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 Regene- 22

23 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 N0 2. 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

24 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

25 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

26 Walka o poprawę czystości spalin Urzędowa walka o poprawę czystości spalin nie przynosi zamierzonych efektów. Szacuje się na podstawie reprezentatywnych badań, że 10-20% 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

27 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 (C0 2 ), 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

28 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: nadmiernym zużyciu katalizatora lub innych podzespołów mających wpływ na skład spalin, czyli o konieczności usunięcia usterek przed obowiązkowym przeglądem technicznym, zakresach pracy silnika szczególnie uciążliwych dla środowiska naturalnego, pogorszeniu sprawności procesów spalania, czyli nadmiernym zużyciu paliwa, objawiającym się podwyższoną emisją tlenku węgla i węglowodorów. 28

29 Rozdział 1 BIBLIOGRAFIA 1) Rymaszewski E.: Dopalacze katalityczne (katalizatory spalin) 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 ) Zanieczyszczenie powietrza 11) Oddziaływanie zanieczyszczenia powietrza na inne elementy środowiska i gospodarkę ) Rola energetyki i transportu w zanieczyszczeniu powietrza atmosferycznego ) Zanieczyszczenia komunikacyjne ) Zespół wymagań EURO

30 Rozdział 2 Spis rysunków Ryc.1. Oddziaływanie zanieczyszczenia powietrza... 4 Ryc.2. Ruch uliczny a zanieczyszczenie powietrza 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 Ryc.6. Zespół wymagań określanych mianem R49 EURO Ryc.7. Zespół wymagań określanych mianem EURO Ryc.8. Systemy katalizatorów silników ZI Ryc.9. Techniczne środki obniżania zawartości zanieczyszczeń w silnikach ZS Ryc.10. Katalizator CRT zintegrowany katalizator utleniający i filtr cząsteczkowy Ryc.11. Bezpośredni pomiar spalin

31 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 Techniczne środki służące obniżaniu zawartości zanieczyszczeń w spalinach pojazdów Warunki skuteczności katalizatorów Walka o poprawę czystości spalin BIBLIOGRAFIA Spis rysunków SPIS TREŚCI