Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
UDK 504.4.054 Загрязнение вод
The article considers the necessity of studying the atmosphere and hydrosphere pollution due to the operation of marine transport engines and the introduction of relevant regulatory documents in the Russian Federation is substantiated. Today the problems of harmful emissions into the environment are considered haphazardly, there are few foreign authors studying the problem. Since 2016, the environmental characteristics of outboard motors in laboratory and scientific conditions have been studied at the Department of Water Transport Operation at the Astrakhan State Technical University. The results of practical measurements of harmful discharges into the hydrosphere from the Yanmar D2 outboard motor are presented. General characteristics of the Yanmar D2 engine are listed (rated power, rated speed, number of cylinders, fuel used, etc.), the general view of the outboard motor is illustrated. A detailed description of the laboratory equipment is given and the technical characteristics of control and measuring instruments (concentrator KN-3 and spectrophotometer PE-5400VI) are listed. It is pointed out that the small experimental pool of the laboratory has patents for a utility model; a schematic diagram of the pool is given. New data on discharges of film and dissolved petroleum products, phosphate ions and total phosphorus into the hydrosphere have been obtained, empirical formulas for calculating the expected level of discharges from a diesel outboard motor depending on its operation time have been developed.
problems of pollution of the hydrosphere, environmental characteristics, diesel outboard motor, small boat, carrying out the experiment
Введение
На частных некоммерческих маломерных судах в качестве главных двигателей чаще всего используются бензиновые двухтактные и четырехтактные подвесные лодочные моторы, однако для коммерческих маломерных судов, используемых, например, для рыбодобычи, в качестве транспорта для перевозки людей и грузов и других целей, применяются и дизельные моторы, которые обладают более высокой экономичностью по сравнению с бензиновыми. Такие страны, как США, Австралия, Новая Зеландия и другие, обладающие большим количеством маломерных судов, уже давно серьезно рассматривают не только экологические проблемы, связанные с вредными выбросами от подвесных лодочных моторов в атмосферу, но и проблемы загрязнения гидросферы, которое происходит от выхлопа отработавших газов подвесных моторов в воду. Подобные исследования в области изучения экологических характеристик современных подвесных моторов производили, в частности, Чарлз Келли из США [1] и греческие специалисты Анастасиос Карканис, Чаралампос Арапатсакос, Кристина Анастасиаду [2].
В России проблемы вредных сбросов в гидросферу от подвесных лодочных моторов пока не имеют надлежащего надзора и рассматриваются несистемно, также отмечается недостаток практических исследований с момента распада СССР. В ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет» на кафедре «Эксплуатация водного транспорта» с 2016 г. проводится изучение экологических характеристик подвесных лодочных моторов как в лабораторных, так и в натурных условиях, в результате которого было опубликовано несколько работ [3–7].
Объект исследования
В качестве объекта исследований был выбран дизельный подвесной лодочный мотор Yanmar D27 (рис. 1), который устанавливается на рыбодобывающих коммерческих маломерных судах при эксплуатации на реке Волге и в Каспийском море. Основные технические характеристики мотора Yanmar D27: номинальная мощность – 27 л. с. (19,9 кВт); номинальная частота вращения – 4 500 об/мин; четырехтактный; количество цилиндров – 4 шт.; подводная система выпуска отработанных газов; используемое топливо – дизельное топливо марки Л по ГОСТ 305-2013 «Топливо дизельное. Технические условия» [8].
Рис. 1. Общий вид подвесного лодочного мотора Yanmar D27
Fig. 1. General view of the Yanmar D27 outboard motor
Лабораторное оборудование и контрольно-измерительные приборы
Малый опытовый бассейн имеет патенты на полезную модель № 201293 от 08.12.2020, RU 196596 U1 от 06.03.2020 [9, 10]. Принципиальная схема (рис. 2) включает малый опытовый бассейн 1, обводную трубу 2, подвесной лодочный мотор 3, внешний транец 4, поворотную стрелу 5, стропу 6, крюк чалочного типа 7, лебедку 8, подвижный транец 9, крючкообразные ограничители 10, датчик упора винта 11, счетчик объема воды 12, уровнемер 13, теплообменный аппарат 14, тензометрический (весовой) датчик 15, расходную емкость 16, платформу со ступенями 17, газоанализатор 18, сифонный газоотвод 19, логистический контроллер упора винта 20, весовой логистический контроллер 21, логистический контроллер тахометра 22. Для обработки в программе «ТестМотор» (см. свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 20186185338), установленной на персональном компьютере 23, система дренирования 24, штуцер 25, термометр 26 с термопарами внутри емкости 27, вытяжная вентиляция 28, приточная вентиляция 29, поворотная штанга 30, шумомер 31, транспортир 32.
Рис. 2. Принципиальная схема малого опытового бассейна
Fig. 2. Schematic diagram of the small experimental pool
Для определения вредных сбросов в гидросферу применялись концентратомер КН-3 и спектрофотомер ПЭ-5400ВИ.
Концентратомер КН-3 предназначен для измерения массовых концентраций нефтепродуктов, жиров, неионогенных поверхностно-активных веществ в природных объектах, включая пробы питьевых, природных, сточных и очищенных сточных вод.
Технические характеристики концентратомера КН-3 в области измерений нефтепродуктов в воде:
– определяемые значения массовых концентраций веществ в природных объектах нефтепродуктов в водах: 0,02–1 000 мг/дм3;
– пределы допускаемой основной абсолютной погрешности прибора при соблюдении нормальных условий для нефтепродуктов: ±(0,5 + 0,05Сх) мг/дм3, где Сх – измеряемое значение массовой концентрации вещества в экстрагенте;
– объем измерительной кюветы: 2,8 мл.
Спектрофотомер ПЭ-5400ВИ используется для экологического контроля, в том числе контроля воды.
Технические характеристики спектрофотомера ПЭ-5400ВИ:
– спектральный диапазон: 315–1 000 нм;
– спектральная ширина щели: 4 нм;
– погрешность установки длины волны: не более ±1 нм;
– воспроизводимость установки длины волны: ±0,5 нм;
– пределы допускаемой абсолютной погрешности при измерении спектральных коэффициентов направленного пропускания: ±0,5 %;
– диапазон измерений: оптическая плотность – от 3,000 до 0,000; коэффициент направленного пропускания – от 0,0 до 100,0 %.
Для измерения частоты вращения коленчатого вала подвесного лодочного мотора использовался лазерный тахометр CEM AT-6.
Проведение эксперимента и его результаты
Перед проведением экспериментов в малом опытовом бассейне был осуществлен анализ контрольной пробы воды на содержание нефтепродуктов (пленочного и растворенного), фосфат-ионов и общего фосфора.
При проведении экспериментов подвесной лодочный мотор Yanmar 27D без перерыва проработал на следующих режимах работы:
– прогрев: 5 мин (частота вращения – 1 235 об/мин);
– холостой ход: 10 мин (частота вращения – 933 об/мин);
– малый ход: 10 мин (частота вращения – 1 280 об/мин);
– средний ход: 10 мин (частота вращения – 2 400 об/мин);
– полный ход: 3 мин (частота вращения – 4 640 об/мин);
– холостой ход: 3 мин (частота вращения – 930 об/мин);
– средний ход: 65 мин (частота вращения – 2 100 об/мин).
В итоге общее время испытаний насчитывает 106 мин.
Наиболее длительный режим работы составил 65 мин, при этом частота вращения поддерживалась на постоянном уровне – 2 100 об/мин, что соответствует наиболее характерному среднему режиму работы мотора при его реальной эксплуатации.
Результаты эксперимента приведены в таблице.
Результаты оценки вредных сбросов в воду от подвесного лодочного мотора Yanmar D27
Assessment results of harmful discharges to water from the outboard motor Yanmar D27
|
Параметр |
Величина |
|
Контроль параметров чистой воды |
|
|
Пленочный нефтепродукт, г/м2 |
0 |
|
Растворенный нефтепродукт, мг/дм3 |
0,007 |
|
Фосфат-ион, мг/дм3 |
0,08 |
|
Фосфат общий, мкг/дм3 |
28 |
|
Испытания подвесного мотора в течение 106 мин |
|
|
Пленочный нефтепродукт, г/м2 |
0,1347 |
|
Растворенный нефтепродукт, мг/дм3 |
2,206 |
|
Фосфат-ион, мг/дм3 |
0,16 |
|
Фосфат общий, мкг/дм3 |
56 |
Согласно данным таблицы сбросы в гидросферу увеличились в следующих объемах:
– пленочные нефтепродукты – на 0,1347 г/м2;
– растворенные нефтепродукты – на 2,199 мг/дм3 (в 315 раз);
– фосфат-ион – на 0,08 мг/дм3 (в 2 раза);
– фосфат общий – на 28 мкг/дм3 (в 2 раза).
Рассчитаем средние сбросы в воду от подвесного лодочного мотора Yanmar D27 в минуту (с учетом уже имеющихся в воде загрязнений перед экспериментами):
– пленочные нефтепродукты – 0,00127 г/м2 в мин;
– растворенные нефтепродукты – 0,02074 мг/дм3 в мин;
– фосфат-ион – на 75,47 · 10–5 мг/дм3 в мин;
– фосфат общий – на 0,26415 мкг/дм3 в мин.
Полученные результаты позволяют использовать их при расчете ожидаемых сбросов в воду от дизельного подвесного лодочного мотора Yanmar, в зависимости от времени работы, при допущении линейной зависимости накопления сбросов.
Предлагаемые формулы для расчета оценочных сбросов в воду дизельного подвесного лодочного мотора Yanmar D27 будут иметь следующий вид:
1. Пленочные нефтепродукты ПНр, г/м2:
ПНр = 0,00127t + ПНисх,
где ПНисх – исходное содержание пленочных нефтепродуктов в воде, г/м2; t – время работы подвесного мотора, мин.
2. Растворенные нефтепродукты РНр, мг/дм3:
РНр = 0,02074t + РНисх,
где РНисх – исходное содержание растворенных нефтепродуктов в воде, мг/дм3.
3. Фосфат-ион ФИр, мг/дм3:
ФИр = 75,47 · 10–5t + ФИисх,
где ФИисх – исходное содержание фосфат-ионов в воде, мг/дм3.
Фосфат общий ФОр, мкг/дм3:
ФОр = 0,26415t + ФОисх,
где ФОисх – исходное содержание общего фосфата в воде, мкг/дм3.
Выводы
1. Практические измерения вредных сбросов позволяют получить реальные данные по вредным сбросам от подвесных лодочных моторов в гидросферу.
2. Высокий рост загрязнений, полученный согласно результатам экспериментов, свидетельствует о необходимости введения норм для защиты гидросферы от подвесных лодочных моторов маломерных судов.
3. Получены расчетные формулы для оценки ожидаемых вредных сбросов в гидросферу от дизельных подвесных лодочных моторов с подводным выхлопом.
1. Kelly Ch. Analysis of the Underwater Emissions from Outboard Engines. Queensland University Technology, Brisbane, Australia. 2004. 207 p.
2. Karkanis A., Arapatsakos Ch., Anastasiadou Ch. Experimental measurement of load and exhaust gas emissions on an outboard engine. Advancesin Environmental Sciences, Development and Chemistry, 2014. Pp. 221-227.
3. Khmel'nitskaia A. A., Pokusaev M. N., Sibriaev K. O., Kovalev O. P., Bulgakov V. P. Eksperimental'naia otsenka zagriazneniia gidrosfery nefteproduktami podvesnym lodochnym motorom «Veterok-8M» [Experimental assessment of hydrosphere pollution with oil products by Veterok-8M outboard motor]. Vestnik Volzhskoi gosudarstvennoi akademii vodnogo transporta, 2019, no. 58, pp. 54-60.
4. Khmel'nitskaia A. A., Pokusaev M. N., Khmel'nitskii K. E. Razrabotka malogo opytovogo basseina dlia provedeniia ispytanii podvesnykh lodochnykh motorov malomernykh sudov [Development of small experimental pool for testing outboard motors of small boats]. Morskie intellektual'nye tekhnologii, 2018, no. 1 (39), pp. 129-134.
5. Khmel'nitskaia A. A., Pokusaev M. N., Il'ina E. G. Statistika i ekologicheskie narusheniia podvesnykh motorov malomernykh sudov na territorii Astrakhanskoi oblasti [Statistics and environmental violations of outboard motors of small boats in Astrakhan region]. Materialy 61-i Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii nauchno-pedagogicheskikh rabotnikov Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta (Astrakhan', 24-28 aprelia 2017 g.). Astrakhan', Izd-vo AGTU, 2017. P. 177. 1 CD-disk. Available at: http://www.astu.org/Content/Page/5833 (accessed: 19.05.2022). № gosudarstvennoi registratsii 0321702684.
6. Khmel'nitskaia A. A., Pokusaev M. N. Ispol'zovanie malykh opytovykh basseinov dlia otsenki vrednykh vybrosov podvesnykh lodochnykh motorov v gidrosferu. Vodnyi transport - perspektivy povysheniia konkurentosposobnosti [Use of small experimental pools to assess harmful emissions of outboard boat motors into hydrosphere. Water transport: prospects for increasing competitiveness]. Materialy Natsional'noi nauchno-prakticheskoi konferentsii (Novosibirsk, 24 aprelia 2019 g.). Novosibirsk, Izd-vo SGUVT, 2019. Pp. 150-152.
7. Khmel'nitskaia A. A., Pokusaev M. N. Kolichestvennaia otsenka zagriazneniia gidrosfery podvesnymi lodochnymi motorami. Tekhnicheskie nauki: problemy i resheniia [Quantitative assessment of pollution of hydrosphere by outboard boat motors. Engineering sciences: problems and solutions]. Sbornik statei XXII Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii (Moskva, 15 maia 2019 g.). Moscow, Internauka Publ., 2019. Pp. 126-131.
8. GOST 305-2013. Toplivo dizel'noe. Tekhnicheskie usloviia [GOST 305-2013. Diesel fuel. Specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 2019. 10 p.
9. Pokusaev M. N., Khmel'nitskii K. E., Khmel'nitskaia A. A. Malyi opytovyi bassein [Small experimental pool]. Patent RF № 2017140540; 01.08.2018.
10. Pokusaev M. N., Khmel'nitskii K. E., Khmel'nitskaia A. A. Malyi opytovyi bassein [Small experimental basin]. Patent RF № 2019130712; 06.03.2020.
