Выбросы маломерных судов, наряду с выбросами от автотранспортных потоков, являются значимыми источниками негативного техногенного воздействия на окружающую среду в историческом центре Санкт-Петербурга и других городах нашей страны с развитой инфраструктурой водного туризма, но проблема эта должным образом не изучена.Анализ научных публикаций выявил, что большинство из них посвящено исследованию концентрационного состава отработавших газов (ОГ) двигательных агрегатов достаточно высокой мощности, установленных на судах смешанного (река-море) плавания [1–4], а также судовых низкооборотистых дизельных двигателей [5, 6], а исследования выбросов в атмосферу загрязняющих веществ двигательными установками однопалубных пассажирских теплоходов и маломерных судов на данное время представлены ограниченным количеством проведенных бортовых измерений [7–9].Ранее выполненный авторами анализ [10] показал, что, в силу специфических градостроительных особенностей исторического центра Санкт-Петербурга, в городе наиболее востребованы однопалубные пассажирские теплоходы проектов типа «Фонтанка», «Мойка», «КС-100», «КС-110», и количество их ежегодно увеличивается [11], что связано с ростом туристических потоков [12].В связи с вышесказанным целью данного исследования явился качественно-количественный инструментальный анализ состава ОГ двигателей судов однопалубных пассажирских теплоходов и маломерных судов, результаты которого будут в дальнейшем использованы для детализации расчетных методик выбросов вредных (загрязняющих) веществ от передвижных источников и совершенствования методов прогнозирования техногенного воздействия транспорта на среду обитания.Методы исследованияВ качестве объекта исследования был выбран двигатель марки ЯМЗ-238 ГМ2. Критериями выбора этой марки явились следующие факторы:1. Согласно проведенным ранее исследованиям около 25 % однопалубных пассажирских теплоходов типа «Фонтанка», «Мойка» и т.д., эксплуатируемых в Санкт-Петербурге, оснащены двигателями этого типа [10]; а также некоторые буксирные и разъездные катера.2. Двигатели ЯМЗ-238 ГМ2 – относительно недорогие отечественные силовые агрегаты, доступные и надежные, с широкой возможностью конвертирования для различных целей, что делает их высоко востребованными в нашей стране.3. Анализ отечественных публикаций показал, что исследования состава выбросов были выполнены для двигателя ЯМЗ-238 М2 (на их долю приходится около 6 % числа судовых двигателей однопалубных пассажирских теплоходов в Санкт-Петербурге [10]) и дизельного двигателя 3Д6 [8, 13, 14], для двигателя ЯМЗ-238 ГМ2 подобные исследования не проводились.В целом двигатели семейства ЯМЗ-238 на сегодняшний день остаются основными судовыми установками в нашей стране. Технические характеристики дизельного двигателя ЯМЗ-238 ГМ2 представлены в табл. 1 [15].Таблица 1Основные характеристики двигателя с воспламенением от сжатия ЯМЗ-238 ГМ2 [15]ПоказательЗначениеПоказательЗначениеТип двигателя4-тактныйс воспламенениемот сжатияДиаметр и ход поршня, мм130×140Число, расположение цилиндров8, V-образноеНоминальная частота вращения коленчатого вала, об/мин1 700Система смесеобразованияНепосредственный впрыскМинимальная частота вращения коленчатого вала, об/мин550–650Система охлажденияЖидкостное(без турбонаддува)Степень сжатия16,5Рабочий объем двигателя, л14,86Удельный расход топлива при номинальной мощности, г/кВт·ч (г/л.с.·ч)228 (168)Номинальная мощность, кВт (л.с.)125 (170)Расход топлива, кг/ч29 Бортовые испытания двигателей однопалубных пассажирских теплоходов сопряжены с рядом затруднений:1. Наличие «мокрого» отвода ОГ.2. Расположение выхлопной трубы в корпусе судна под конструктивнойватерлинией [16, 17].3. Их непрерывная эксплуатация в коммерческих целях в течение практически всего периода навигации.Таким образом, представлялось целесообразным в качестве объекта исследования выбрать судно, на котором, как и на однопалубном пассажирском теплоходе, установлен аналогичный дизельный двигатель марки ЯМЗ-238 ГМ2 и имеется система «сухого» отвода ОГ. К таким судам относятся некоторые из многоцелевых водометных катеров типа КС-100, 101, 102, 104, в том числе разъездной катер (теплоход) «Алдан» (построен АО «Костромской судомеханический завод (КСМЗ). Отвод ОГ у него осуществляется через два вертикальных кожуха выхлопных трубопроводов (отдельно из каждого блока цилиндров двигателя). Наличие «сухого» отвода ОГ позволяет произвести бортовые исследования состава выбросов судового двигателя. В весенний период 2023 г. двигатель разъездного катера «Алдан» прошел предусмотренное регламентное обслуживание.На рис. 1 представлена общая схема разъездного катера КС-102, к которым относится катер «Алдан», а в табл. 2 – его основные технические характеристики. Разъездной катер «Алдан» находится в ведении Санкт-Петербургского государственного бюджетного учреждения (СПб ГБУ) «Мостотрест».Таблица 2Основные технические характеристики разъездного катера «Алдан» (Санкт-Петербург)ПоказательЗначениеПоказательЗначениеПроект суднаКС-102-08Пассажировместимость, чел.−Дата постройки27.01.1998Тип главного двигателяДизельныйДлина габаритная, м14,15Марка главного двигателяЯМЗ-238 ГМ2Ширина габаритная, м3,22Мощность главного двигателя, кВт (л.с.)125 (170)Водоизмещение, т9,2Количество главных двигателей, ед.1Экипаж, чел.6Район плаванияВнутренние водные путиДля измерения концентраций поллютантов в ОГ судового двигателя ЯМЗ-238 ГМ2 использовался газоанализатор «Инфракар 5М3Т.02Л», его технические характеристики подробно описаны в статье [17].В соответствии с требованиями ГОСТ ISO 8178-4–2013 «Межгосударственный стандарт. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 4. Испытательные циклы для двигателей различного применения на установившихся режимах» был выбран испытательный цикл Е5 – для судов длиной менее 24 м с дизельным двигателем.В табл. 3 представлены режимы испытательного цикла Е5. В соответствии с требованиями нормативно-технической документации измерения концентраций вредных веществ в ОГ двигателя необходимо начинать с режима полной мощности и далее последовательно приближаться к режиму минимальной нагрузки.Таблица 3Испытательные режимы цикла Е5 и весовые коэффициентыдля судового дизельного двигателя ЯМЗ-238 ГМ2 согласно ГОСТ ISO 8178-4–2013 ПоказательНомер режима испытательного цикла Е512345Частота вращения, %100918063Холостой ходЧастота вращения номинальная, об./мин1 7001 5471 3601 071‒Мощность, %1007550250Весовой коэффициент0,080,130,170,320,3 Замеры концентраций загрязняющих веществ в ОГ двигателя внутреннего сгорания разъездного катера «Алдан» проводились в июне 2023 г. у служебного причала под Малоохтинским мостом Санкт-Петербурга (рис. 2). Частота вращения коленчатого вала двигателя фиксировалась по показателям штатного тахометра катера.Результаты исследования и их обсуждениеРезультаты швартовых испытаний по замеру концентраций поллютантов в ОГ судового двигателя ЯМЗ-238 ГМ2 отражены на рис. 3–6 и в табл. 4.Содержание СО, СО2, CH и NOХ в ОГ дизельного двигателя ЯМЗ-238 ГМ2разъездного катера «Алдан»Режим испытательного цикла Е5nном, об/минnфакт, об/минСодержание загрязнителейO2, % (об.)СО, % (об.)СО2, % (об.)СН, ppmNOX, ppm11 7001 7000,0611,5754125118,4921 5471 5000,0621,4004322218,8031 3601 3000,0651,1983617919,1541 0711 0500,0601,047299619,36Холостой ход−4500,0571,017197819,52 Примечание: nном и nфакт – соответственно номинальная и фактическая частота вращения коленчатого вала двигателя.Результаты экспериментальных исследований указывают на следующую тенденцию: выбросы оксидов азота NOX имеют наибольшее значение на режиме максимальной нагрузки – режим 1 испытательного цикла Е5, а минимальны на 4 режиме минимальной нагрузки; выбросы углеводородов СН максимальны на режиме средней нагрузки – режим 2, а минимальны на 4 режиме минимальной нагрузки; выбросы монооксида углерода СО максимальны на режимах средней нагрузки – режимы 2 и 3, а минимальны на режиме 1 максимальной нагрузки и режиме 4 минимальной нагрузки; выбросы диоксида углерода СО2 снижаются по мере уменьшения нагрузки. Выбросы практически всех поллютантов имеют тенденцию к снижению по мере уменьшения нагрузки.Ввиду работы дизельных двигателей при значительном избыточном воздухе и высокой температуре сгорания смеси [18] образующиеся при их эксплуатации оксиды азота являются значимыми токсичными компонентами ОГ вне зависимости от мощности и конструктивных особенностей силовых установок [19]. Следует учитывать, что оксиды азота, участвующиев различных фотохимических превращениях в атмосфере с образованием более токсичных вторичных загрязнителей, являются одними из доминантных загрязнителей воздуха Санкт-Петербурга и многих городов нашей страны.В целях дальнейшего использования полученных экспериментальных данных измеренные объемные концентрации этих загрязняющих веществ были приведенык размерности г/кВт·ч согласно методике, изложенной в ГОСТ 31967–2012 «Межгосударственный стандарт. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами» и Правилах предотвращения загрязнения окружающей среды с судов (утверждены приказом ФАУ «Российский Речной Регистр»от 12 октября 2015 г. № 38-П) (табл. 5).Таблица 5Усредненные удельные выбросы СО, СО2, СН и NOХдизельного двигателя ЯМЗ-238 ГМ2 разъездного катера «Алдан» Режим испытательного цикла Е5nном, об/минnфакт, об/минВыброс поллютанта, г/кВт·чСОСО2СНNOX11 7001 7004,755201,5590,1583,35821 5471 5004,833179,1630,1662,97031 3601 3005,066146,7330,1392,29241 0711 0504,677128,2380,1121,229 Полученные данные по усредненным удельным выбросам загрязняющих атмосферу веществ силовой дизельной установкой судна «Алдан» указывают, что они на всех режимах испытательного цикла Е5 не превышают значений, установленных Правилами предотвращения загрязнения окружающей среды с судов.Следует сказать, что усредненные удельные выбросы СО, СО2, СН и NOХ дизельного двигателя ЯМЗ-238 ГМ2 согласуются с аналогичными параметрами зарубежных методик, предназначенных для расчета выбросов судовых двигателей, а именно: методики Агентства по охране окружающей среды США EPA NONROAD, Европейского агентства по окружающей среде EEA EMEP, Агентства Нидерландов по экологической оценке [20] (табл. 6).Таблица 6Усредненные удельные выбросы дизельных судовых двигателейзарубежных методик расчета валовых судовых выбросов [20] МодельМощность двигателяГод выпуска двигателяПоллютант, г/кВт·чУдельный расход топлива, г/кВт·чСОСО2СНNOXEPA NONROAD (США)100 < л.с. ≤ 175−0,95−0,133,34124,44EMEP EEA (Европейский союз)> 50 кВт−5,30−−8,60275,00NEAA (Нидерланды)−1995−20011,80−−9,40205,00 Показатель выброса СО двигателем ЯМЗ-238 ГМ2 наиболее близок к средневзвешенному значению выброса СО методики EMEP EEA Европейского союза (5,1 и 5,3 г/кВт·ч соответственно), показатели выбросов СН и NOX – к средневзвешенным значениям выбросов СН и NOX американской методики EPA NONROAD (СН: 0,16 и 0,13 г/кВт·ч соответственно; NOX: 3,358 и 3,34 соответственно). Расхождение составило по СО – 3,8 %, по СН – 18,7 % и по NOX – 0,6 %.ЗаключениеВ результате проведенных исследований впервые в нашей стране были определены концентрации токсичных примесей оксида углерода, суммы углеводородов, оксидов азота и диоксида углерода в ОГ судового дизельного двигателя ЯМЗ-238 ГМ2, находящегося в условиях реальной эксплуатации. Было установлено, что содержание поллютантов не превышает регламентированных предельно допустимых значений. Кроме того, было подтверждено, что полученные значения усредненных удельных выбросов для двигателя ЯМЗ-238 ГМ2 хорошо согласуются с соответствующими значениями методики Европейского агентства по окружающей среде EEA EMEP и методики NONROAD Американского агентства по охране окружающей среды.Полученные данные в дальнейшем будут использованы при разработке методики расчетного мониторинга и прогнозирования воздействия выбросов однопалубных пассажирских теплоходов и маломерных судов на качество окружающей среды.Авторы выражают признательность руководству Комитета имущественных отношений, Комитета по развитию транспортной инфраструктуры и Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Правительства Санкт-Петербурга, начальнику участка плавсредств СПб ГБУ «Мостотрест» Сперанскому Антону Владимировичу и экипажу разъездного катера «Алдан» за возможность и организацию проведения экспериментальных исследований.