Russian Federation
Russian Federation
In order to develop reliable calculation methods for monitoring and predicting the impact of emissions from boats on the environment in cities, it is necessary to carry out experimental studies of the exhaust emissions of boat engines. The purpose of the present study was to carry out mooring (stationary) tests to measure the concentrations of carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen oxides and hydrocarbons in the exhaust emissions of the YaMZ-238 GM2 engine used as a power unit on single-deck tourist motor ships, crew boats, etc., by means of the gas analyzer «Infracar 5M3T.02L». It was found that the content of pollutants in the exhaust emissions of the engine did not exceed standard values, and the obtained values of average specific emissions for the YaMZ-238 GM2 engine correlated well with the corresponding values of foreign methods.
technosphere safety, single-deck passenger ships, boats; ship engine YaMZ-238 GM2, pollutants emissions
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 исследования
В 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 1
Основные характеристики двигателя с воспламенением от сжатия ЯМЗ-238 ГМ2 [15]
|
Показатель |
Значение |
Показатель |
Значение |
|
Тип двигателя |
4-тактный |
Диаметр и ход поршня, мм |
130×140 |
|
Число, расположение цилиндров |
8, V-образное |
Номинальная частота вращения коленчатого вала, об/мин |
1 700 |
|
Система смесеобразования |
Непосредственный впрыск |
Минимальная частота вращения коленчатого вала, об/мин |
550–650 |
|
Система охлаждения |
Жидкостное |
Степень сжатия |
16,5 |
|
Рабочий объем двигателя, л |
14,86 |
Удельный расход топлива при номинальной мощности, г/кВт·ч (г/л.с.·ч) |
228 (168) |
|
Номинальная мощность, кВт (л.с.) |
125 (170) |
Расход топлива, кг/ч |
29 |
Бортовые испытания двигателей однопалубных пассажирских теплоходов сопряжены с рядом затруднений:
1. Наличие «мокрого» отвода ОГ.
2. Расположение выхлопной трубы в корпусе судна под конструктивной
ватерлинией [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 2
Основные технические характеристики разъездного катера «Алдан» (Санкт-Петербург)
|
Показатель |
Значение |
Показатель |
Значение |
|
Проект судна |
КС-102-08 |
Пассажировместимость, чел. |
− |
|
Дата постройки |
27.01.1998 |
Тип главного двигателя |
Дизельный |
|
Длина габаритная, м |
14,15 |
Марка главного двигателя |
ЯМЗ-238 ГМ2 |
|
Ширина габаритная, м |
3,22 |
Мощность главного двигателя, кВт (л.с.) |
125 (170) |
|
Водоизмещение, т |
9,2 |
Количество главных двигателей, ед. |
1 |
|
Экипаж, чел. |
6 |
Район плавания |
Внутренние водные пути |
Для 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 3
Испытательные режимы цикла Е5 и весовые коэффициенты
для судового дизельного двигателя ЯМЗ-238 ГМ2 согласно ГОСТ ISO 8178-4–2013
|
Показатель |
Номер режима испытательного цикла Е5 |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
Частота вращения, % |
100 |
91 |
80 |
63 |
Холостой ход |
|
Частота вращения номинальная, об./мин |
1 700 |
1 547 |
1 360 |
1 071 |
‒ |
|
Мощность, % |
100 |
75 |
50 |
25 |
0 |
|
Весовой коэффициент |
0,08 |
0,13 |
0,17 |
0,32 |
0,3 |
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 обсуждение
Результаты 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 ГМ2
разъездного катера «Алдан»
|
Режим испытательного цикла Е5 |
nном, об/мин |
nфакт, об/мин |
Содержание загрязнителей |
O2, % (об.) |
|||
|
СО, % (об.) |
СО2, % (об.) |
СН, ppm |
NOX, ppm |
||||
|
1 |
1 700 |
1 700 |
0,061 |
1,575 |
41 |
251 |
18,49 |
|
2 |
1 547 |
1 500 |
0,062 |
1,400 |
43 |
222 |
18,80 |
|
3 |
1 360 |
1 300 |
0,065 |
1,198 |
36 |
179 |
19,15 |
|
4 |
1 071 |
1 050 |
0,060 |
1,047 |
29 |
96 |
19,36 |
|
Холостой ход |
− |
450 |
0,057 |
1,017 |
19 |
78 |
19,52 |
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, участвующие
в 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 приведены
к 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 5
Усредненные удельные выбросы СО, СО2, СН и NOХ
дизельного двигателя ЯМЗ-238 ГМ2 разъездного катера «Алдан»
|
Режим испытательного цикла Е5 |
nном, об/мин |
nфакт, об/мин |
Выброс поллютанта, г/кВт·ч |
|||
|
СО |
СО2 |
СН |
NOX |
|||
|
1 |
1 700 |
1 700 |
4,755 |
201,559 |
0,158 |
3,358 |
|
2 |
1 547 |
1 500 |
4,833 |
179,163 |
0,166 |
2,970 |
|
3 |
1 360 |
1 300 |
5,066 |
146,733 |
0,139 |
2,292 |
|
4 |
1 071 |
1 050 |
4,677 |
128,238 |
0,112 |
1,229 |
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 6
Усредненные удельные выбросы дизельных судовых двигателей
зарубежных методик расчета валовых судовых выбросов [20]
|
Модель |
Мощность двигателя |
Год выпуска двигателя |
Поллютант, г/кВт·ч |
Удельный расход топлива, г/кВт·ч |
|||
|
СО |
СО2 |
СН |
NOX |
||||
|
EPA NONROAD (США) |
100 < л.с. ≤ 175 |
− |
0,95 |
− |
0,13 |
3,34 |
124,44 |
|
EMEP EEA (Европейский союз) |
> 50 кВт |
− |
5,30 |
− |
− |
8,60 |
275,00 |
|
NEAA (Нидерланды) |
− |
1995−2001 |
1,80 |
− |
− |
9,40 |
205,00 |
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 %.
Заключение
В 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.
1. Turkin A.V., Kulekina E.I., Turkin V.A. Obosnovanie metodov snizheniya vybrosov vrednyh veshchestv s otrabotavshimi gazami sudovyh dizelej // Ekspluataciya morskogo transporta. 2016. № 4 (81). S. 116-125.
2. Turkin A.V., Turkin V.A., Ivanchenko A.A. Primenenie lazernyh tekhnologij dlya ocenki toksichnosti otrabotavshih gazov sudovyh energeticheskih ustanovok // Morskie intellektual'nye tekhnologii. 2018. № 1-1 (39). S. 111-116.
3. Nguen Ha Hien. Kontrol' i snizhenie vrednyh vybrosov v atmosferu s sudov smeshannogo (reka-more) plavaniya // International scientific journal for alternative energy and ecology. 2011. № 5 (97). S. 86-93.
4. Nguen Kong Doan. Teoreticheskij i eksperimental'nyj analiz teplovyh vybrosov s otrabotavshimi gazami sudovyh dizelej // Vestnik AGTU. 2012. № 1. S. 117-122.
5. Rezul'taty ispytanij na toksichnost' i dymnost' otrabotavshih gazov sudovyh dizelej 1CH17,5/24 i 6CHN15/18 / M.N. Pokusaev [i dr.] // Al'ternativnaya energetika i ekologiya. 2010. № 10 (90). S. 139-146.
6. Provedenie naturnyh ispytanij po podache dimetilovogo efira vo vsasyvayushchij kollektor dizelya 6CHSP15/18 na sudne RK-2091 / M.N. Pokusaev [i dr.] // Vestnik VGAVT. 2018. № 58. S. 166-174.
7. Turkin A.V., Turkin V.A. Eksperimental'noe issledovanie effektivnosti mnogosekcionnogo kompleksnogo ustrojstva ochistki vyhlopnyh gazov sudovogo dvigatelya // Vestnik AGTU. 2015. № 4. S. 79-85.
8. Hmel'nickaya A.A., Il'ina E.G., Pokusaev M.N. Otchet o rezul'tatah eksperimenta po ocenke vrednyh vybrosov glavnogo dvigatelya malomernogo sudna na sootvetstvie rossijskim i mezhdunarodnym ekologicheskim trebovaniyam // Novaya nauka: ot idei k rezul'tatu. 2016. № 5-2 (84). S. 215-219.
9. Malomernye suda: spektr ih ispol'zovaniya i problemy / M.N. Pokusaev [i dr.] // Vestnik Astrahanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2023. № 2. S. 47-53.
10. Lozhkina O.V., Mal'chikov K.B. Analiz struktury flota odnopalubnyh progulochnyh teplohodov Sankt-Peterburga v kontekste kontrolya opasnogo vozdejstviya na okruzhayushchuyu sredu // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2022. № 2 (62). S. 123-134.
11. Aleksankov A.M., Kovaleva S.N., Mozokina S.L. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya yahtennogo turizma v Sankt-Peterburge // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo ekonomicheskogo universiteta. 2019. № 2 (116). S. 90-96.
12. Menshutkin V.V., Minina T.R. O razvitii turizma v Sankt-Peterburgskoj aglomeracii v sovremennyh usloviyah i sohranenii prirodnoj sredy // Problemy preobrazovaniya i regulirovaniya regional'nyh social'no-ekonomicheskih sistem. 2022. № 50. S. 100-112.
13. Hmel'nickaya A.A. Zagryaznenie okruzhayushchej sredy vyhlopnymi gazami malomernyh sudov: dis. … kand. tekhn. nauk. Astrahan': AGTU, 2019. 176 s.
14. Izmerenie ekologicheskih pokazatelej glavnogo dvigatelya sudna tipa «Yaroslavec» pri rabote na dizel'nom i pechnom toplivah / M.N. Pokusaev [i dr.] // Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2011. № 8 (81). S. 43-47.
15. Oficial'nyj internet-portal PAO «Avtodizel'» (Yaroslavskij motornyj zavod). URL: https://www.ymzmotor.ru/catalog/dvigateli/ymz-v8/euro-0/ymz-238gm2/ (data obrashcheniya: 29.05.2023).
16. Zhukov V.A., Sherban S.A. Izmeritel'nye pribory dlya opredeleniya sostava otrabotavshih gazov sudovyh dvigatelej vnutrennego sgoraniya // Vestnik AGTU. 2020. № 2. S. 100-110.
17. Lozhkina O.V., Mal'chikov K.B. Metod prognozirovaniya tekhnogennyh opasnostej na osnove opredeleniya soderzhaniya pollyutantov v otrabotavshih gazah lodochnyh motorov // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2023. № 1 (65). S. 127-138.
18. Vliyanie koefficienta izbytka vozduha na raskhod topliva dizel'nymi dvigatelyami vnutrennego sgoraniya / I.V. Karnauhova [i dr.] // Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2016. № 5 (53). S. 38-42.
19. Kamaltdinov V.G., Markov V.A. Issledovanie obrazovaniya oksidov azota v dizelyah i HCCI-dvigatelyah // Transport na al'ternativnom toplive. 2015. № 5 (47). S. 34-46.
20. Lozhkina O.V., Mal'chikov K.B. K voprosu o garmonizacii otechestvennyh i zarubezhnyh metodik ocenki i prognozirovaniya vybrosov malomernyh sudov // Tekhniko-tekhnologicheskie problemy servisa. 2022. № 2 (60). S. 37-43.
