Экологические и эргономические проблемы конструкции автотранспортных средств

Кутенев В.Ф., д.т.н. / Сайкин А.М., к.т.н. / Загарин Д.А. ФГУП «НАМИ»

УДК 629.(02+047)

Автомобильный транспорт оказывает значительное отрицательное воздействие на человека и окружающую среду (ОС), которое в Российской Федерации и за рубежом принято оценивать по критерию «экологическая безопасность» через удельные выбросы вредных веществ (ВВ) с отработавшими газами (ОГ) двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время в РФ для автотранспортных средств (АТС) действуют требования «Евро-3», а с 2012 года планируется введение нормативов «Евро-4» для всех видов транспорта.

Результаты загрязнения атмосферы крупных городов, в значительной мере формируемого автомобильным транспортом, оцениваются с помощью систем мониторинга воздушной среды (в Москве — «Мосэкомониторинг») по результатам постоянного измерения содержания ВВ в воздухе жилых застроек, промышленных зон и «вблизи автодорог» и сравниваются с предельно-допустимыми концентрациями, установленными гигиеническими нормативными документами для атмосферы воздуха населенных мест [1, 2].

Данные о приоритетности ВВ, принятых в регламентах экологической и активной безопасности АТС, в зарубежных и Российских требованиях по качеству воздушной среды, в том числе по загрязнению воздуха ВВ в салонах (кабинах) АТС, а также перечень основных ВВ, загрязнение воздушной среды которыми в крупных городах РФ в периоды плотного движения часто превышает гигиенические нормативы, приведены в таблице 1.


В Москве среднегодовые концентрации формальдегида, твёрдых частиц (ТЧ), фенола, NО2, озона превышают гигиенические нормативы соответсвенно в 4,7; 2,7; 1,8; 1,6; 1,2 раза [3].

Приведенные данные свидетельствуют о различии номенклатуры ВВ при проведении мониторинга ОС и при нормировании выброса ВВ с ОГ АТС. Эти различия касаются, в первую очередь, оксидов азота (в первом случае контролируется раздельное содержание в воздухе NО и NО2, во втором — суммарно NОх) и твердых частиц (в ОГ АТ ограничивают содержание ТЧ, концентрация которых в общей массе пыли в воздухе не превышает 5-10% [1,4]). Другие ВВ (например, формальдегид, озон) не являются приоритетными при оценке экологической безопасности АТС, но по своему содержанию в воздушной среде городов и, соответственно, по оказываемому вредному воздействию на человека, в настоящее время являются более значимыми, чем нормируемые в ОГ СО, СНх. Выброс последних с отработавшими газами легковых автомобилей снижен за последние 20 лет более, чем в 25-30 раз.

В 2002 году в Москве по данным измерений «Мосэкомониторингом» фонового загрязнения воздуха ситуация оценивалась: как благоприятная в течение 64 дней в году (фоновое загрязнение воздуха не превышало гигиенических нормативов); как умеренная — в течение 124 дней в году (т.е. загрязнение воздушной среды города было на уровне нормативов) и как неблагоприятная — в течение 177 дней в году [3].

По данным «Мосэкомониторинга» загрязнение воздушной среды «вблизи автотрасс» больше фонового [5].

С учетом изложенного, а также нижеприведенных данных, можно утверждать, что вредное воздействие АТС на человека следует оценивать не только по фоновому загрязнению воздуха, но и по загрязнению воздушной среды над проезжей частью дорог и в салонах АТС.

В 1988 г. были опубликованы данные [6] о том, что средние концентрации СО на автомагистралях составляли 6-57 мг/м3 (норма — 5 мг/м3), максимальные — 170- 230 мг/м3, в тоннелях они достигали 290-600 мг/м3. В гаражах, особенно многоэтажных, даже с принудительной вентиляцией, концентрации СО в воздухе достигали 2000 мг/м3 (в местах парковки АТС с разделительными перегородками). В наземных гаражах в часы выезда АТС содержание СО в воздухе достигало 170-200 мг/м3, в подземных гаражах средняя концентрация СО составляла 112 мг/м3, максимальная – 570 мг/м3.

В настоящее время, несмотря на предпринимаемые меры по снижению выброса ВВ с ОГ АТС и достигнутые в этом серьезные результаты, содержание СО в атмосфере и, особенно, в зонах концентрации АТС на ограниченных территориях (автодороги, места с ограниченным воздухообменом, включая надземные, подземные гаражи, тоннели, склады, и т.д.), существенно не изменилось. Это подтверждают публикации последних лет — см. таблицы 2, 3.


По нашим данным (рис. 1, 2.), хорошо согласующимся с зарубежными (табл. 2, 3), наибольшее загрязнение воздуха в кабинах (салонах) имеет место в легковых автомобилях, далее следуют по мере снижения концентраций вредных веществ в воздухе салонов: микроавтобусы, автобусы, троллейбусы, трамваи, метро, железнодорожные поезда.


Рисунок 1. Диапазоны изменения содержания СО в воздухе салонов автотранспортных средств


Рисунок 2. Диапазоны изменения содержания СО в воздухе салонов легковых автомобилей (Москва, февраль 2004 г.)

При этом, если в кабинах (салонах) легковых автомобилей, автобусов, троллейбусов, трамваев содержатся все вредные вещества в их ожидаемых пропорциях (СО, NOx, СНх, ТЧ и т.д.), то в кабинах поездов метро и ж/д поездов содержание газовых компонентов (СО, NOx, СНх) меньше, но содержание твердых частиц на порядок больше, а канцерогенов (толуол, бенз(а)пирен и др.) до 2-3 раз больше [12]. Таким образом, проблема загрязнения воздуха кабин всех перечисленных видов транспорта стоит очень остро, но в зависимости от типа транспортного средства имеет свою специфику.

Из приведенных данных следует, что загрязнение воздушной среды над проезжей частью дорог значительно выше фонового, а в салонах АТС оно может быть в несколько раз больше, чем снаружи (т.е. в воздухе над проезжей частью) — см. данные таблиц 2, 3.

Сверхнормативное загрязнение воздуха ВВ в салонах и кабинах АТС приводит к ухудшению самочувствия, головной боли, потере слуха, снижению реакции, сонливости, что ведет к снижению производительности труда и увеличению дорожно-транспортных происшествий (ДТП) [1, 10-13].

По степени вредного воздействия на организм человека NО и NО2 относятся к ВВ 3-го класса опасности, но NO2 является в 4,75 раза более токсичным, чем NO [12-16]. NО вызывает превращение гемоглобина крови в метгемоглобин и действует на центральную нервную систему. NО2, N2О4 раздражают легкие, вызывая их отек. Оксиды азота,

в первую очередь NО2, вызывают необратимые изменения в сердечно-сосудистой системе. В соединении с углеводородами они образуют токсичные нитроолефины. Воздействие NО2 на организм человека нельзя ослабить никакими нейтрализующими средствами. При хроническом отравлении наблюдаются воспалительные заболевания слизистых оболочек верхних дыхательных путей, хронические бронхиты, реже — мышечная и сердечная слабость, нервные расстройства [12, 14-16].

Большинство российских ученых считают, что ТЧ ОГ являются вторыми по значимости ВВ после оксидов азота. Атмосферные ТЧ, включающие и ТЧ ОГ дизелей, проникают в носовые и бронхиальные каналы, где скапливаются и отвердевают. В носу, горле и легких они действуют как сильнейшие раздражители. Мелкие ТЧ проникают в самые глубокие отделы легких, а самые мелкие поглощаются кровью. Медицинские исследования, проведенные в США, связывают воздействие повышенных уровней ТЧ с обострением таких заболеваний, как астма и др. серьезными заболеваниями [12]. Число преждевременно умерших в США от воздействия ТЧ составляет ежегодно десятки тысяч человек [12].

В городах, особенно в мегаполисах, доля АТС в общем выбросе СО достигает 95-98% [1, 12]. В совокупности с более чем 1000 ВВ, идентифицированных в ОГ АТС, СО оказывает гораздо более выраженный токсический эффект, чем при изолированном действии [1, 12]. Эффект синергизма (усиление вредного воздействия) установлен при совместном присутствии в воздухе СО и NОх как при низких (на уровне ПДК), так и высоких (смертельные дозы) их концентрациях. При этом токсичность NОх возрастает в 3 раза, а СО — в полтора раза [14]. Установлено, что отравление водителей СО является причиной ДТП [17, 18]. Имеются также данные о том, что СО занимает первое место среди причин отравления экипажей самолетов и в 19% случаев это является причиной авиакатастроф [17]. В соответствии с опубликованной статистикой в 2000-х годах в США из-за отравления СО ежегодно умирало около 500 человек во время езды в салонах АТС [12].

Вся выше изложенная информация говорит о том, что фактическое вредное воздействие автотранспортных средств на человека, существенно отличается от измеряемого фонового загрязнения воздуха, либо косвенно — от требований по ограничению удельных выбросов ВВ с отработавшими газами. Рассматриваемая проблема является более глубокой и сложной. Из сказанного следует, что автотранспортное средство может считаться «экологически чистым» только в том случае, если, во-первых, выброс ВВ с ОГ у него соответствует самым жестким экологическим стандартам и, во-вторых, содержание ВВ в воздухе салона (кабины) в эксплуатации также соответствует гигиеническим нормативам. Последнее условие не выполняется у всех моделей АТС, даже у электромобилей, т.к. современные системы «климат-контроля» и их салонные фильтры не очищают воздух в салонах от оксида углерода и оксидов азота и мало эффективны по отношению к тонкой пыли (размером менее 2-х микрон) и углеводородам.

В сложившихся в настоящее время условиях езды в городских условиях с «пробками» для очистки воздуха в салонах АТС должны быть разработаны устройства, обеспечивающие гарантированную очистку воздуха от любых ВВ до уровня требований самых жестких гигиенических стандартов.

Одно из таких устройств — экоситема очистки воздуха (ЭСОВ-3), представлено на рис. 3.


Рисунок 3. Конструкция ЭСОВ -3

1 — корпус экосистемы; 2 — входное окно; 3 — выходное окно; 4 — пульт управления; 5 — вентилятор; 6 — корпус вентилятора; 7 — электродвигатель; 8 — нагнетательное колесо с лопатками; 9 — блок очистки воздуха; 10 — фильтрующий элемент от пыли; 11 — фильтрующий элемент по углеводородам; 12 — сорбирующий элемент от оксидов азота; 13 — перегородка с центральным отверстием; 14 — каталитический элемент очистки от монооксида углерода; 15 — шумопоглощающий кожух с шумопоглощающим покрытием; 16 — гибкий элемент (воздуховод) для подачи очищенного воздуха в зону дыхания водителя.

Экосистема очистки воздуха состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 окнами. В корпусе имеется пульт управления 4, размещенный в зоне выходного окна, заглубленный заподлицо в корпус 1 системы. В корпусе 1 размещены также: вентилятор 5 с корпусом 6, электродвигателем 7, закрепленным на внутренней перегородке 13, и нагнетательным колесом с лопатками 8, блок очистки воздуха 9 с фильтрующими элементами от пыли 10 и сорбирующим элементом 11 от углеводородов (акролеина, формальдегида и др.). Блок очистки воздуха 9 дополнительно содержит сорбирующий элемент 12 от оксидов азота а также, при необходимости, каталитический элемент 14 очистки от оксида углерода. В корпусе 1 системы размещен карман для установки пульта управления 4, причем вентилятор 5 с корпусом 6 вентилятора, с нагнетательным колесом, снабженным лопатками 8, размещен в зоне выходного окна 3, а электродвигатель 7, сблокированный с нагнетательным колесом, направлен вдоль оси корпуса 1 в сторону входного окна 2. Блок очистки воздуха 9 выполнен с внутренней нишей для размещения электродвигателя 7 и герметичной центральной проставкой со стороны входного окна 2, а по внешней стороне герметично размещен в корпусе 1 системы. Внутренняя перегородка 13 со стороны блока очистки воздуха 9 имеет центральное отверстие для поступления очищенного воздуха изнутри к лопаткам 8 нагнетательного колеса, по внешней стороне корпус 6 вентилятора соединен с выходным окном 3 корпуса 1 экосистемы.

Испытания ЭСОВ-3 в кабине самосвала КАТ-785 проводились в условиях бокса с предельным сверхнормативным загрязнением наружного воздуха оксидами азота на уровне 80 мг/м3 (16 ПДКрз). Результаты испытаний ЭСОВ-3 в режиме рециркуляции показали высокую эффективность работы ЭСОВ-3, обеспечивающую достижение нормативного содержания NOх в воздухе кабины в течение 10 мин. — см. рис. 4.


Рисунок 4. Очистка воздуха в кабине самосвала КАТ-785В с помощью ЭСОВ -3 в загазованном боксе

Аналогичные данные получены по очистке оксида углерода, суммарным углеводородам, тонкой пыли (до 0,3 мкм эффективность очистки составляет 99%). Данными установками оборудуются весь карьерный автотранспорт в карьерах глубиной от 400 до 650 м, а также ряд моделей легковых автомобилей, эксплуатируемых в городах.

Из изложенного следует, что автотранспортное средство не может считаться «экологически чистым», если выброс ВВ с ОГ у него соответствует только экологическим стандартам, а содержание ВВ в воздухе салона (кабины) не соответствует гигиеническим нормативам. Решению этой проблемы в настоящее время не уделяется должного внимания. Учитывая её значимость, можно утверждать, что в ближайшем будущем она должна решаться опережающими темпами, а системы очистки воздуха в салонах АТС должны применяться на автомобилях так же, как кондиционеры и системы «климат-контроля», обеспечивая, тем самым, комфортные и безопасные условия в соответствии с гигиеническими требованиями к среде обитания водителей и пассажиров АТС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Фомин Г.С., Фомина О.Н. ВОЗДУХ. Контроль загрязнений по международным стандартам. Справочник. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Протектор, 2002. — 432 с.

2. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 2000 году» — М.: Государственный центр экологических программ, 2001.

3. Моя Москва, № 1, 2004 г., стр. 50, 32, 33.

4. Рузаев И.Г. Исследование и разработка воздухоочистителей с фильтрующими элементами из картона с целью повышения эксплуатационной надежности автомобильных двигателей: Дис. канд. техн. наук. — М.: НАМИ, 1988. — 246 с.

5. www/mosecom.ru/rel.html

6. Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I-IV групп. Справочное изд. / А.Л. Бандман, Г.А. Гудзовский, Л.С. Дубейковская и др., под ред.В.А. Филова и др., Л.: Химия, 1988., 512 с.

7. Будкин А., Булычева З.Ю. Фильтр противогаза не заменит / За рулем. — № 10, 1998. — С. 37-39.

8. Твердунов И. Дышите глубже… //За рулем. — 1998 — № 5 — С. 14-18.

9. Трофименко Ю.В., Лобиков А.В., Боксерман М.А. и др. Комплексный мониторинг транспортного загрязнения территории крупного города: Труды докладов научно-технической конференции «Луканинские чтения. Проблемы перспективы развития автотранспортного комплекса». — М.: МАДИ (ГТУ), 2003. — С. 110-114.

10. Техническая эксплуатация, обслуживание и ремонт автотранспортных средств. — Т.З. — М.: РБООИП «Просвещение»., 2001. — Выпуск 2. — С. 448.

11. Григорьева Т.Ю. Повышение надежности транспортных человеко-машинных систем управления на примере городских автобусов: Дис. канд. техн. наук. — МАДИ, М.: — МАДИ — 2006. — 141 с.

12. The International Center for Technology Assesment. Report. In-Car Air Pollution // Washington: DC, 2000. — July. — S. 41

13. Воздействие на организм человека опасных и вредных экологических факторов. Метрологические аспекты. В 2-х томах / Под ред.Исаева Л..К. — Том 1. — М.: ПАИМС, 1997. — 512 с.

14. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей /Изд. 7-е. В трех томах. Том III.: Л.: Химия, 1977. — 608 с.

15. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны ГН 2.2.5.686-98. Гигиенические нормативы. — М: Российский регистр потенциально опасных химических и биологических веществ Минздрава России / Минздрав РФ Д998, 1998. — 207 с.

16. ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. — М.: Изд-во стандартов, 1988. — 75 с.

17. Тиунов Л.А., Кустов В.В. Токсикология окиси углерода. — М.: Медицина, 1980. — 285 с.

18. Остапенко Л.А. Экологическая обстановка и состояние здоровья населения в современном городе. Региональные проблемы устойчивого развития России // Сборник научных трудов. — М.: МГУЛ, 2004. — С. 208-209