Заданне 5.3.

Задание 5.3. Оценить уровень загрязнения приземного слоя атмосферы выбросами автотранспортных средств (по концентрации углерода) в микрорайоне учреждения образования (иного учреждения, организации).

Дата: ноябрь 2021 года – декабрь 2022 года

Участники: учащиеся VI-VII классов.

Ответственный педагогический работник: Цыбукова В. В., учитель географии.

Выполнение задания:

в результате подсчета количества автотранспортных средств на протяжении недели, используя специальную формулу, оценили уровень загрязнения приземного слоя атмосферы в микрорайоне школы.

К основным токсичным выбросам автомобиля относятся: отработавшие газы, картерные газы и топливные испарения. Отработавшие газы, выбрасываемые двигателем, содержат окись углерода (СО), углеводороды (СхНу), окислы азота (NOx), бензапирен, альдегиды и сажу. Распределение основных компонентов выбросов у карбюраторного двигателя следующее:

отработавшие газы содержат 95% СО, 55% СхНу и 98% NOx, картерные газы по - 5% СхНу, 2% NOx, а топливные испарения - до 40% CxHy.

Содержание токсичных выбросов в отработавших газах двигателей.

Основными токсичными веществами - продуктами неполного сгорания являются сажа, окись углерода, углеводороды, альдегиды.

Вредные токсичные выбросы можно разделить на два вида: регламентированные и нерегламентированные. Они действуют на организм человека по-разному. Вредные токсичные выбросы: СО, NOx, CxHy, RxCHO, S02, сажа, дым.

СО (оксид углерода) - этот газ без цвета и запаха, более легкий, чем воздух. Образуется на поверхности поршня и на стенке цилиндра, в котором активация не происходит вследствие интенсивного теплоотвода стенки, плохого распыления топлива и диссоциации СОг на СО и Ог при высоких температурах.

Во время работы дизеля концентрация СО незначительна (0,1... 0,2%). У карбюраторных двигателей при работе на холостом ходу и малых нагрузках содержание СО достигает 5...8% из-за работы на обогащенных смесях. Это достигается для того, чтобы при плохих условиях смесеобразование обеспечить требуемое для воспламенения и сгорания число испарившихся молекул.

NOx (оксиды азота) - самый токсичный газ из отработанных газов.

N2 - Инертный газ при нормальных условиях. Активно реагирует с кислородом при высоких температурах.

Выброс с отработанными газами зависит от температуры среды. Чем больше нагрузка двигателя, тем выше температура в камере сгорания, и соответственно увеличивается выброс оксидов азота.

Кроме того, температура в зоне горения (камера сгорания) во многом

зависит от состава смеси. Слишком обедненная или обогащенная смесь при горении выделяет меньшее количество теплоты, процесс сгорания замедляется и сопровождается большими потерями теплоты в стенке, т.е. в таких условиях выделяется меньшее количество NOx, а выбросы растут, когда состав смеси близок к стехиометрическому (1 кг топлива к 15 кг воздуха). Для дизельных двигателей состав N0* зависит от угла опережения впрыска топлива и периода задержки воспламенения топлива. С увеличением угла опережения впрыска топлива удлиняется период задержки воспламенения, улучшается однородность топливо воздушной смеси, большее количество топлива испаряется, и при сгорании резко (в 3 раза) увеличивается температура, т.е. увеличивается количество NOx.

Кроме того, с уменьшением угла опережения впрыска топлива можно существенно снизить выделение оксидов азота, но при этом значительно ухудшаются мощностные и экономические показатели.

Углеводороды (СхНу) - этан, метан, бензол, ацетилен и др. токсичные элементы. Отработанные газы содержат около 200 разных углеводородов.

В дизельных двигателях СхНу образуются в камере сгорания из-за ге­терогенной смеси, т.е. пламя гаснет в очень богатой смеси, где не хватает воздуха за счет неправильной турбулентности, низкой температуры, плохого распыления.

ДВС выбрасывает большее количество CxH_v, когда работает в режиме холостого хода, за счет плохой турбулентности и уменьшения скорости сгорания.

Дым - непрозрачный газ, белого, синего, черного цвета. Цвет зависит от состояния отработанных газов.

Белый и синий дым - это смесь капли топлива с микроскопическим количеством пара; образуется из-за неполного сгорания и последующей конденсации.

Белый дым образуется, когда двигатель находится в холодном состоянии, а потом исчезает из-за нагрева. Отличие белого дыма от синего определяется размером капли: если диаметр капли больше длины волны синего цвета, то глаз воспринимает дым как белый.

К факторам, определяющим возникновение белого и синего дыма, а также его запах в ОГ, относятся температура двигателя, метод образования смеси, топливные характеристики (цвет капли зависит от температуры ее образования: при увеличении температуры топлива дым приобретает синий цвет, т.е. уменьшается размер капли). Кроме того, бывает синий дым от масла. Наличие дыма показывает, что температура недостаточна для полного сгорания топлива. Черный дым состоит из сажи.

Дым отрицательно влияет на организм человека, животных и расти­тельность.

   

Сажа - представляет собой бесформенное тело без кристаллической решетки; в ОГ дизельного двигателя сажа состоит из неопределенных частице с размерами 0,3... 100 мкм.

Причина образования сажи заключается в том, что энергетические ус­ловия в цилиндре дизельного двигателя оказываются достаточными, чтобы молекула топлива разрушилась полностью. Более легкие атомы водорода диффундируют в богатый кислородом слой, вступают с ним в реакцию и как бы изолируют углеводородные атомы от контакта с кислородом.

Образование сажи зависит от температуры, давления в камере сгорания, типа топлива, отношения топливо-воздух.

Содержание сажи в ОГ уменьшается с увеличением угла опережения впрыска топлива, а при уменьшении угла опережения впрыска топлива выделение сажи заметно возрастает.

Количество сажи зависит от температуры в зоне сгорания.

Существуют другие факторы образования сажи - наличие зоны обогащенной смеси и зоны контакта топлива с холодной стенкой, а также неправильная турбуленция смеси.

Скорость сжигания сажи зависит от размера частиц, например, сажа сжигается полностью при размере частиц меньше 0,01 мкм.

(оксид серы) - образуется во время работы двигателя из топлива, получаемого из сернистой нефти (особенно в дизелях); эти выбросы раздражают глаза, органы дыхания.

и  H₂S - очень опасны для растительности.

Исследования состоянии воздушной среды улицы Пролетарской, д. 32 (участок дороги, прилегающий к школе, 300 м).

Исследования проводились на этом участке не случайно, так как дорога проходит рядом со школой. А также школа № 2 находится недалеко от автостанции и интенсивность движения транспорта велика.  Кроме того, возле школы ”установлены "лежачие полицейские". Мы поставили перед собой задачу, вычислить токсические продукты от работы транспорта.

 

Для обработки данных о токсичности продуктов от работы транспорта мы воспользовались таблицей среднестатистических данных о составе выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей.

Таблица 1. Состав выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей (г/мин).

Компоненты выхлопных газов	Бензиновые двигатели	Дизельные двигатели
Оксид углерода СО (И)	0,035	0,017
Оксид углерода СО2 (IV)	0,217	0,2
Оксид азота N02	0,002	0,001
Сажа	0,04	1,1

Таблица 2. Результаты измерений (n - число машин, t -время в минутах, k - число остановок перед "лежащим полицейским" и знаком СТОП).

Улица	Типы машин	t, мин	n	К	m СО	m СO2	m NO2	m сажи	М(кг)
Пролетарская	Легковые	60	145	145	0,035	0,217	0,002	0,04	370,9
Грузовые	60	13	13	0,035	0,217	0,002	0,04	3,0
Автобусы	60	10	10	0,035	0,217	0,002	0,04	1,8

Расчеты проводились по формуле: М= t*n*k*(m_co+ m_co2+ m_no2+m_сажи)

В ходе работы было выявлено, что в рабочие дни интенсивность движения автотранспорта возрастает с 8.00 до 10.00 ч. и к вечеру после 16.30. По выходным дням и в праздники количество легковых машин на улицах днем бывает больше, чем в рабочие. Количество автомобилей, проезжающих по улице в час, в среднем не превышает предельно допустимого количества (200 авт/час). Для школьников "лежачие полицейские" – это хорошо, т. к. уменьшается вероятность ДТП, но для окружающей среды – это плохо, т.к. при несоблюдении средней скорости 60 км/ч, то есть её уменьшении перед "лежачим полицейским" до минимума, вредные выбросы увеличиваются в 2 раза.

 

Дата выполнения: ноябрь - декабрь 2020  года.

Участники: учащиеся IX - X классов.

Ответственный педагогический работник: Цыбукова В.В., учитель географии.

Выполнение задания: 

К основным токсичным выбросам автомобиля относятся: отработавшие газы, картерные газы и топливные испарения. Отработавшие газы, выбрасываемые двигателем, содержат окись углерода (СО), углеводороды (СхНу), окислы азота (NOx), бензапирен, альдегиды и сажу. Распределение основных компонентов выбросов у карбюраторного двигателя следующее:

отработавшие газы содержат 95% СО, 55% СхНу и 98% NOx, картерные газы по - 5% СхНу, 2% NOx, а топливные испарения - до 40% CxHy.

Содержание токсичных выбросов в отработавших газах двигателей.

Основными токсичными веществами - продуктами неполного сгорания являются сажа, окись углерода, углеводороды, альдегиды.

Вредные токсичные выбросы можно разделить на два вида: регламентированные и нерегламентированные. Они действуют на организм человека по-разному. Вредные токсичные выбросы: СО, NOx, CxHy, RxCHO, S02, сажа, дым.

СО (оксид углерода) - этот газ без цвета и запаха, более легкий, чем воздух. Образуется на поверхности поршня и на стенке цилиндра, в котором активация не происходит вследствие интенсивного теплоотвода стенки, плохого распыления топлива и диссоциации СОг на СО и Ог при высоких температурах.

Во время работы дизеля концентрация СО незначительна (0,1... 0,2%). У карбюраторных двигателей при работе на холостом ходу и малых нагрузках содержание СО достигает 5...8% из-за работы на обогащенных смесях. Это достигается для того, чтобы при плохих условиях смесеобразование обеспечить требуемое для воспламенения и сгорания число испарившихся молекул.

NOx (оксиды азота) - самый токсичный газ из отработанных газов.

N2 - Инертный газ при нормальных условиях. Активно реагирует с кислородом при высоких температурах.

Выброс с отработанными газами зависит от температуры среды. Чем больше нагрузка двигателя, тем выше температура в камере сгорания, и соответственно увеличивается выброс оксидов азота.

Кроме того, температура в зоне горения (камера сгорания) во многом зависит от состава смеси. Слишком обедненная или обогащенная смесь при горении выделяет меньшее количество теплоты, процесс сгорания замедляется и сопровождается большими потерями теплоты в стенке, т.е. в таких условиях выделяется меньшее количество NOx, а выбросы растут, когда состав смеси близок к стехиометрическому (1 кг топлива к 15 кг воздуха). Для дизельных двигателей состав N0* зависит от угла опережения впрыска топлива и периода задержки воспламенения топлива. С увеличением угла опережения впрыска топлива удлиняется период задержки воспламенения, улучшается однородность топливо воздушной смеси, большее количество топлива испаряется, и при сгорании резко (в 3 раза) увеличивается температура, т.е. увеличивается количество NOx.

Кроме того, с уменьшением угла опережения впрыска топлива можно существенно снизить выделение оксидов азота, но при этом значительно ухудшаются мощностные и экономические показатели.

Углеводороды (СхНу) - этан, метан, бензол, ацетилен и др. токсичные элементы. Отработанные газы содержат около 200 разных углеводородов.

В дизельных двигателях СхНу образуются в камере сгорания из-за ге­терогенной смеси, т.е. пламя гаснет в очень богатой смеси, где не хватает воздуха за счет неправильной турбулентности, низкой температуры, плохого распыления.

ДВС выбрасывает большее количество CxH_v, когда работает в режиме холостого хода, за счет плохой турбулентности и уменьшения скорости сгорания.

Дым - непрозрачный газ, белого, синего, черного цвета. Цвет зависит от состояния отработанных газов.

Белый и синий дым - это смесь капли топлива с микроскопическим количеством пара; образуется из-за неполного сгорания и последующей конденсации.

Белый дым образуется, когда двигатель находится в холодном состоянии, а потом исчезает из-за нагрева. Отличие белого дыма от синего определяется размером капли: если диаметр капли больше длины волны синего цвета, то глаз воспринимает дым как белый.

К факторам, определяющим возникновение белого и синего дыма, а также его запах в ОГ, относятся температура двигателя, метод образования смеси, топливные характеристики (цвет капли зависит от температуры ее образования: при увеличении температуры топлива дым приобретает синий цвет, т.е. уменьшается размер капли). Кроме того, бывает синий дым от масла. Наличие дыма показывает, что температура недостаточна для полного сгорания топлива. Черный дым состоит из сажи.

Дым отрицательно влияет на организм человека, животных и расти­тельность.

Сажа - представляет собой бесформенное тело без кристаллической решетки; в ОГ дизельного двигателя сажа состоит из неопределенных частице с размерами 0,3... 100 мкм.

Причина образования сажи заключается в том, что энергетические ус­ловия в цилиндре дизельного двигателя оказываются достаточными, чтобы молекула топлива разрушилась полностью. Более легкие атомы водорода диффундируют в богатый кислородом слой, вступают с ним в реакцию и как бы изолируют углеводородные атомы от контакта с кислородом.

Образование сажи зависит от температуры, давления в камере сгорания, типа топлива, отношения топливо-воздух.

Содержание сажи в ОГ уменьшается с увеличением угла опережения впрыска топлива, а при уменьшении угла опережения впрыска топлива выделение сажи заметно возрастает.

Количество сажи зависит от температуры в зоне сгорания.

Существуют другие факторы образования сажи - наличие зоны обогащенной смеси и зоны контакта топлива с холодной стенкой, а также неправильная турбуленция смеси.

Скорость сжигания сажи зависит от размера частиц, например, сажа сжигается полностью при размере частиц меньше 0,01 мкм.

(оксид серы) - образуется во время работы двигателя из топлива, получаемого из сернистой нефти (особенно в дизелях); эти выбросы раздражают глаза, органы дыхания.

и  H₂S - очень опасны для растительности.

Исследования состоянии воздушной среды улицы Пролетарской, д. 32 (участок дороги, прилегающий к школе, 300 м).

Исследования проводились на этом участке не случайно, так как дорога проходит рядом со школой. А также школа № 2 находится недалеко от автостанции и интенсивность движения транспорта велика.  Кроме того, возле школы ”установлены "лежачие полицейские". Мы поставили перед собой задачу, вычислить токсические продукты от работы транспорта.

Для обработки данных о токсичности продуктов от работы транспорта мы воспользовались таблицей среднестатистических данных о составе выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей.

Таблица 1. Состав выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей (г/мин).

Компоненты выхлопных газов	Бензиновые двигатели	Дизельные двигатели
Оксид углерода СО (И)	0,035	0,017
Оксид углерода СО<sub>2</sub> (IV)	0,217	0,2
Оксид азота N02	0,002	0,001
Сажа	0,04	1,1

Таблица 2. Результаты измерений (n - число машин, t -время в минутах, k - число остановок перед "лежащим полицейским" и знаком СТОП).

Улица	Типы машин	t, мин	n	К	m СО	m СO<sub>2</sub>	m NO<sub>2</sub>	m сажи	М (кг)
Пролетарская	Легковые	60	145	145	0,035	0,217	0,002	0,04	370,9
Грузовые	60	13	13	0,035	0,217	0,002	0,04	3,0
Автобусы	60	10	10	0,035	0,217	0,002	0,04	1,8

Расчеты проводились по формуле: М= t*n*k*(m_co+ m_co₂+ m_no₂+m_сажи)

В ходе работы было выявлено, что в рабочие дни интенсивность движения автотранспорта возрастает с 8.00 до 10.00 ч. и к вечеру после 16.30. По выходным дням и в праздники количество легковых машин на улицах днем бывает больше, чем в рабочие. Количество автомобилей, проезжающих по улице в час, в среднем не превышает предельно допустимого количества (200 авт/час). Для школьников "лежачие полицейские" – это хорошо, т. к. уменьшается вероятность ДТП, но для окружающей среды – это плохо, т.к. при несоблюдении средней скорости 60 км/ч, то есть её уменьшении перед "лежачим полицейским" до минимума, вредные выбросы увеличиваются в 2 раза.