Подвесные моторы и чистота водной среды

Продолжая¹ знакомить читателей с зарубежными работами в области экологических аспектов эксплуатации малого флота, публикуем (с некоторым сокращением) обзорную лекцию И. П. ван Донкелаара — директора по экологическим вопросам крупнейшего в Европе завода по производству подвесных моторов «Аутборд Мэрин Бельгиум». Лекция читается в курсе «Экологические проблемы при эксплуатации малообъемных двух- и четырехтактных двигателей» в Технической академии в Эслингене (ФРГ).

Введение

Во введении к этому курсу говорится, что «двухколесные моторные наземные экипажи (мотоциклы, мотороллеры и т. п.) создают сверхпропорциональную нагрузку на окружающую среду, поскольку мощности их двигателей массированы во времени и пространстве, и что в равной степени это относится и к моторным лодкам». Но справедливо ли такое сопоставление? Ведь между двигателями мотоциклов и лодочными моторами (далее — ПМ), между движением по суше и по воде имеются существенные различия.

Мотолодки используются в летнее время, преимущественно в хорошую погоду. Средняя ежесуточная нагрузка на водоем составляет обычно от 4 до 40 (не более!) лодок на 1 км². Окружающая среда, в отличие от улиц больших городов, открытая, свободно продуваемая ветром. Поэтому в воздухе над водой оказывается столь незначительное содержание компонентов выхлопа, что они едва различимы на незагрязненном фоне.

Сошлемся на рисунок из брошюры Комитета по окружающей водной среде (IMEC), воспроизведенный в «КЯ» №63. Максимальный уровень загрязнения углеводородом над двумя небольшими озерами (под Берлином), интенсивно используемыми для отдыха на мотолодках, по крайней мере в 4 раза ниже, чем средний над городом. Среднегодовой уровень загрязнения окисью углерода над Берлином в 3—5 раз выше чем над этими озерами в конце недели.

Выброс отработавших газов в двигателях наземных машин осуществляется непосредственно в воздух, а у ПМ — в воду, где продукты сгорания попадают в кильватерную струю и, рассеянные во времени и пространстве, выходят на поверхность, в большинстве случаев, на удалении от других лодок.


Сухопутные экипажи часто оказываются причиной сильнейшего загрязнения воздуха, даже когда они стоят перед красным сигналом и водитель в нетерпении играет рукояткой газа. Когда же сигнал переключается на «зеленый», вся скопившаяся масса машин срывается с места; скорость при этом набирается на дистанции примерно 3 м, что сопровождается резким увеличением выброса продуктов сгорания. Лодки при переходе на полную нагрузку обычно проходят достаточно большое расстояние; наконец, большинство владельцев лодок предпочитает эксплуатировать свои ПМ на 2 3 полного «газа», что делает плавание более приятным и экономичным.

Двухтактные двигатели ПМ работают на заранее приготовленной смеси масла с бензином в соотношении на устаревших моделях от 1:10 до 1:18, на новых — 1:50 или даже 1:100. Горючая смесь распыляется в карбюраторе на очень мелкие частицы; после испарения бензина образуется туман из его паров и микрочастиц масла, поступающий в камеру сгорания. Несгоревшие остатки (в основном — масла) выбрасываются через выхлопной тракт и (на мощных моторах) — через полую ступицу гребного винта во взвихренную и богато аэрированную воду.

В новейших моделях масло вводится прямо в картер (рис. 1) в точной дозировке, соответствующей режиму работы от 1:50 при полном газе и до 1:150 на холостом ходу. Масло может смешиваться с бензином до карбюратора или впрыскиваться по отдельному трубопроводу, важно, что управление этим процессом осуществляется автоматически при помощи электроники либо иным путем (например, в системе VRO, применяемой на моторах «ОМС», для регулировки соотношения масла в смеси используется пульсация давления в картере).


Для ПМ используются в основном масла с очень низкой зольностью; имеются также эффективные средства на эфирной основе.

Наиболее экологически чистыми являются, таким образом, новейшие ПМ с регулируемым впрыскиванием масла, с использованием беззольных масел и выхлопом отработавших газов через полую ступицу гребного винта. Такими в основном и выпускаются все современные моторы большой мощности.

Эмиссионные характеристики

Выбросы ПМ исследуются уже в течение 20 лет рядом ученых, например Эбераном-Эберхорстом, 1964 г. [1], Австрия; Пфлаумом, Кемпфом и Людеманом, 1968 г. [2], ФРГ; Хейром и Спрингером, 1973 г. [3], США; Терье Алмасом, 1974 г. [4], Норвегия; Вебером, 1975 г. [5], США; Шнайдером, 1979 и 1982 гг. [6, 7], ФРГ. Опубликованы также результаты исследований Дорнье, 1973 г. [8], ФРГ, базировавшихся на методике Пфлаума и Рийнера, 1981 г. [9], Швейцария.

В большинстве случаев в упомянутых исследованиях выброс масел вместе с выхлопом выражается в граммах на 1 кг или на 1 л израсходованного горючего, иногда — в граммах на 1 кВт·ч работы ПМ. Результаты важнейших исследований, использующих различные методики, представлены в таблице. Следует отметить, что они хорошо согласуются между собой: выброс масла оценивается в количестве от 1 до 7 г/л.


Наиболее правильно было бы оценивать количество попадающего в воду масла на 1 км пройденного лодкой пути, как это делается при исследованиях выхлопа мотоциклов и автомобилей. Такой показатель лучше согласуется с характеристиками нагрузки на окружающую среду и с соотношением нагрузки к регенерационной способности экологической системы.

Исследовательским центром «ОМС» летом 1983 г. были проведены испытания нескольких ПМ по методу Шнайдера в широком диапазоне скоростей лодки при фактическом содержании масла в смеси 1:50 и 1:100. Выброс масла на 1 км пути оказался равным 0,3—1,7 г. Естественно, что моторы мощнее 10 л. с., работающие на 1%-ном содержании масла в горючем, дают и меньшую эмиссию масла (рис. 2).

Иммиссии

Нам известно, сколько выходит разных веществ из выхлопной системы ПМ. Теперь попытаемся установить, как эти вещества распределяются между водой и воздухом и что происходит с веществами, попавшими в воду? Как велика вероятность, что эти вещества в реальной среде вызовут какие-либо отрицательные эффекты?

Ограничимся рассмотрением углеводородов.

В 1980 г. в Брюгге проводились опыты, во время которых в кильватерную струю лодки через ступицу работающего гребного винта вводилось растворяющееся в воде и оставляющее след вещество — хлорид лития. Испытывалась лодка длиной 3,3 м с ПМ «Джонсон» мощностью 9,9 л. с. при скорости 10 км/ч. Благодаря этим опытам удалось получить профиль распределения иммиссий — поперечное сечение зоны загрязнения имело вид треугольника площадью около 3 м² с основанием (у поверхности воды) около 8 м и глубиной до 0,75 м.

Поскольку большинство выбрасываемых моторами углеводородов нерастворимо, подобный же тест повторили с силиконом — веществом нерастворимым и оставляющим след в воде. К тому же, силикон обладает свойствами, весьма близкими к свойствам масел, используемых в топливных смесях. Визуально было установлено, что легчайшие нерастворимые вещества тотчас же переносятся к поверхности, где они появляются в виде двух полос, расположенных на удалении примерно до 4 м по обе стороны от кильватерного следа. В течение первых 15 с до 50% нерастворимого вещества, выброшенного через выхлоп, интенсивно перемещаются из кильватерного следа, затем движение частиц замедляется; через 2—3 мин в центральной зоне остается не более 20% вещества.

Такая быстрота перемещения частиц вещества обусловлена интенсивной аэрацией кильватерной струи, хорошо видимой на кинокадрах. Расчеты показывают, что на каждый 1 г масла, вышедшего вместе с выхлопом, приходится примерно 1000 м² поверхности воздушных пузырьков, насыщающих кильватерный след. При равномерном распределении масла образовалась бы пленка толщиной 10^—9 м, т. е. меньше, чем размер молекулы. Однако такое незначительное количество масла, естественно, не может существовать в виде сплошной пленки, поэтому в воде присутствуют отдельные, далеко разнесенные одна от другой частички.


Подобно тому, как это происходит в обычных очистных установках, в кильватерной струе имеется возможность интенсивных контактов частичек масла со всеми обитающими в воде микроорганизмами. Новейшие исследования Бертрана [11] показывают, что эти начальные контакты являются важной предпосылкой для наступающего позже биологического распада.

На поверхности частички масла подвергаются физическому воздействию течений, ветра и волн.

Кроме масла в выхлопных газах содержатся более легкие фракции бензина. Большая часть их испаряется уже в двигателе, в виде пузырьков переносится к поверхности воды и далее попадает в атмосферу. Другая часть остается в жидком виде внутри пузырьков, но тотчас же испаряется по достижении ими поверхности. Лишь незначительная часть этих фракций задерживается в воде и несколько медленнее достигает поверхности в виде микропузырьков. Ничтожная часть легких углеводородов, которые долго остаются растворенными в воде, как показали исследования Дикса, легко распадаются.

Надо и Мак-Кей [12] разработали математическую модель испарения бензина в зависимости от его свойств, поверхностной концентрации и скорости ветра. Этот расчетный эксперимент, проделанный применительно к нормальному ПМ, свидетельствует о полном испарении остатков бензина в течение 1 с. Определяющим фактором при этом является не собственно время испарения, а перемешивание и перемещение бензина к поверхности.

Лабораторные исследования Вебера показывают, что время испарения растворимой в воде доли сильно сокращается при перемешивании и аэрации (рис. 3).

Образование аэрозолей

Интенсивная аэрация кильватерной струи дает еще один эффект: пузырьки на поверхности воды лопаются, компоненты продуктов сгорания выбрасываются из них в воздух в виде аэрозолей. Этот процесс был тщательно исследован Мак-Интайром на примере морской соли, которая под действием берегового прибоя выбрасывается в воздух и переносится на большие расстояния. Подобный же процесс может иметь существенное значение при выходе тяжелых углеводородистых веществ в воздух.


Органические вещества находятся в микрослое на поверхностях всех природных тел, находящихся в воде; некоторые из этих веществ являются углеводородами. В процессе аэрации воды при движении лодок с ПМ из нее удаляется некоторое количество таких углеводородов, имеющихся на поверхности тел. Одновременно с этим в воду выносится некоторое количество углеводородов вместе с выхлопом. При повторных пробегах лодки по тому же следу, можно легко выяснить, что концентрация углеводородов на поверхности при достаточно большом числе пробегов приближается к равновесной, при которой столько же вещества уходит в воздух, сколько вносится в воду. Если бы изначальное загрязнение углевородами было относительно велико, как это имеет место на иных внутренних водных путях в Европе, то интенсивная эксплуатация ПМ снизила бы уровень загрязнения. Если же изначальное содержание углеводородов в бассейне невелико, то эксплуатация на нем мотолодок повысила бы их количество. Но в любом случае содержание углеводородов получается меньше, чем это можно ожидать на основе расчетов эмиссии.

Биораспад и фотооксидация

На содержание углеводородов в воде оказывают влияние процессы биологического распада и фотооксидации.

Фотооксидация углеводородистых веществ стимулируется светом, причем наиболее эффективно воздействие ультрафиолетового излучения. Толщина пленки также влияет на скорость процесса. При этом выявляется оптимальная толщина, поскольку при толстых пленках свет проникает недостаточно глубоко, а при тонких пленках ультрафиолетовый свет хуже абсорбируется веществом. Фотооксидация ускоряет дальнейший биологический распад [13].

Многочисленные микроорганизмы используют углеводороды в качестве источника поглощаемого ими углерода и участвуют в их распаде. К ним относятся бактерии, дрожжевые и плесенные грибки, водоросли. Некоторые водные организмы разлагают соединения лишь частично, а остаток передают другим организмам. Природа хорошо отрегулирована на гибкую реакцию к различным количествам и видам углеводородистых веществ и условиям окружающей среды. При этом нерастворимые, образующие эмульсии и абсорбированные взвесями углеводороды распадаются быстрее. Благодаря наличию самых разнообразных организмов распад идет до конца и, в общем, с возрастающей скоростью.

Оптимальные с точки зрения экологии смазочные материалы, используемые для приготовления горючей смеси ПМ, должны быть как можно более близкими к биогенным углеводородам. Эти соображения еще более подкрепляются результатами мюнхенских натурных испытаний и долговременных экологических исследований.

Мюнхенские испытания

Концентрация углеводородов в воде после одного прохождения мотолодки столь низка (концентрация масла имеет величину порядка 0,00004÷0,00008 мг/л), что их нельзя обнаружить. Поэтому Вахе [14] в своих натурных испытаниях провел 600 пробегов лодки в одном и том же маленьком испытательном бассейне с размерами в плане 20X100 м и глубиной 3 м. Даже после этого величины концентрации все еще не превышали уровня фона и пределов точности измерений. Однако на поверхности при этом можно было установить характерную разницу, как пространственную, так и временную, и мы ограничимся поэтому здесь результатами измерений на поверхности.

Первая половина мюнхенских испытаний была проведена с хорошо распадающимся маслом, добавляемым в бензин в соотношении 1:100; вторая половина — с минеральным маслом, смешиваемым с бензином в соотношении 1:50.

Принимая во внимание, что 80% эмиссии масла устремляется к поверхности воды, можно было бы ожидать (по Шнайдеру) в первой части испытаний повышения содержания углеводородов над фоном (0,61 мг/м²) на 5,73 мг/м². Однако при замерах в средней части бассейна обнаружена лишь средняя величина 0,79 мг/м². Для второй половины испытаний можно было ожидать содержания углеводородов, равного 11,93 мг/м²; в действительности же оно оказалось в 3,5 раза ниже — 3,21 мг/м² (рис. 5.).

Едва ли можно утверждать, что выброшенное мотором масло испарилось — скорее всего оно ушло в атмосферу в виде аэрозолей с пузырьками воздуха. Примечательно, что кривая содержания синтетического масла в воде после 3—4 ч работы и 288 пробегов мотолодки снизилась практически до первоначального фонового уровня. Хотя концентрацию углеводородов из-за крайне малых значений измеряемых величин можно было замерить только приблизительно, ее снижение является явным свидетельством начала биологического распада. В процессе распада происходит внесение новых углеводородов. Адаптация среды к эфиру происходит быстрее, чем к минеральным маслам.

В естественных условиях доза углеводородов в реках и озерах часто оказывается выше, чем полученное в описанных выше экспериментах при многократных пробегах мотолодки по одному кильватерному следу.

Другие исследования

При долговременных экологических исследованиях, проведенных в США, ПМ эксплуатировались как в теплой, так и в холодной воде [15]; загрузка акватории была при этом в 3 раза выше, чем при обычном интенсивном движении мотолодок; ПМ эксплуатировались в течение более трех спортивных сезонов.

Несмотря на эту чрезвычайно высокую нагрузку не было обнаружено заметного влияния на экологическую систему.

Чтобы подчеркнуть основательность этих исследований, сошлемся на то, что 154 вида животного планктона были тщательно проанализированы путем 16-недельного взятия проб. Всего было проведено более 300000 отдельных опытов только для планктона.

В Ренселерском политехническом институте в США проводили исследования влияния ПМ на чистоту озера Лейк-Джордж — глубоководного озера длиной 50 км с холодной водой [10]. Результаты этой работы, проводившейся в течение целого сезона, представлены в виде изменения так называемого «биологического индекса отклонения», т. е. с учетом количества видов и отклонения в составе микроорганизмов в зависимости от продолжительности использования ПМ.

Принято считать воды в основном здоровыми, если многообразие видов оказывается велико при сравнительно небольшом числе индивидов. Замеры показали хорошее качество воды, особенно в местах с интенсивным движением лодок (рис. 6). Никакого вредного влияния на исследованные микроорганизмы обнаружено не было.

В Голландии — густонаселенной стране (413 чел. на 1 км²), где 10% населения занимаются водными видами спорта, а 7% — проводят отпуска на лодках во внутренних водах страны, правительство внимательно следит за воздействием прогулочного флота на чистоту воды. Особые рабочие группы министерства здравоохранения и гигиены окружающей среды контролируют их в 8 пунктах наиболее интенсивного движения прогулочного флота. Эти исследования длятся уже 4 года [16]. Одним из многих измеряемых параметров было содержание масла.

Проявление каких бы то ни было вредных воздействий масляной эмиссии обнаружено не было. Содержание углеводородов при пробах во всех этих 8 пунктах постоянно было менее 0,04 мг/л.

На основе этих результатов нидерландское правительство продолжает проводить активную стимуляционную политику в пользу водного спорта, который рассматривается как немаловажное средство укрепления здоровья.

Заключение

Мы увидели, каков порядок величин эмиссий ПМ. Мы установили, как эта эмиссия распределяется в виде иммиссий в воздух и в воду и какой «механизм» занят тем, чтобы в воде их оставалось как можно меньше (да и эти остатки подвергаются затем биологическому распаду).

Все сказанное свидетельствует, что лодочный мотор гораздо более дружественен окружающей среде, чем это предполагалось ранее. Эта дружественность к окружающей среде еще более улучшается новыми конструкциями моторов, причем оптимальны в этом смысле именно моторы большой мощности.

Натурные испытания до сих пор не смогли установить каких бы то ни было вредных влияний эмиссии ПМ на водную экологию. Это положение хорошо оправдывается, если не нарушается разумное сочетание относительно незначительной иммиссии и высокой регенеративной способности водоема.

Литература

• 1. Eberan-Eberhorst R., 1964. Der Aussenbordmotor. MTZ 25 Nr. 2. S. 41.
• 2. Pflaum W., Kempf Th. und Ludemann D., 1968. Der Aussenbord-motorbetrieb und die Gewasserverschmutzung. MTZ 29 Nr. 3, S. 84.
• 3. Hаг С. T. and Springer K. J., 1973. Exhaust emissions from uncontrolled vehicles and related equipment using internal combustion engines. Final Report Part 2. Outboard Motors. Southwest Research Institute.
• 4. Almas Т., 1974. Pollution from outboard engines. Report IF/R11 Institutt for Forbrenningsmotorer. Norges Tekniske Hogskole. Universitetet i Trondheim.
• 5. Weber Jr. W. J., 1975. Analysis of emissions from outboard two cycle marine engines. National Environmental Research Center. Michigan University.
• 6. Schneider A., 1979. Abgasemisshalge von Aussenbordmotoren. Fachhoch-schule Konstanz.
• 7. Sсhneideг A., 1981. Abgasemissionen von Aussenbordmotoren. Abschluss-bericht II. Fachhochschule Konstanz.
• 8. Dornier System., 1973. Bodenseebe-richt. Untersuchung uber die Oelver-schmutzung des Bodensees durch Sport — und Gewerweschiffahrt.
• 9. Rуhiner D. H., 1981. Schadstof-femissionen der motorisierten Schif fahrt auf dem Bodensee.
• 10. Shuster W. W.f 1974. Effects of exhaust from two cycle outboard engines. Rensselaer Polytechnic Institute. EPA— 670/2—74—063.
• 11.Bertrand J. C., Rambelо-arisоa E., Rontani J. F., Giusti G. and Mattei G., 1983. Microbial degradation of crude oil in sea water in continuous culture. Biotechnology Letters Vol. 5 Nr. 8, S. 567—572.
• 12. Nadeau J. S. und Mасkaу D., 1978. Evaporation rates of complex hydrocarbon mixtures under environmental conditions. Spill Technology Newsletter, March — April 1978.
• 13. Diсks B. und Вауlaу J. A., 1983. The fate of hydrocarbons in aquatic environments— outboard motor emissions to Lake Constance. Oil Pollution Research Unit. FSC/OPRU/18/83.
• 14. Waсhs B. und Wagner H., 1982. Konzentrationsverlauf der durch Bootsbetrieb emittierten Kohlenwasserstoffe im Gewasser. Experimentelle Freilandun-tersuchungen mit einem Zweitakter — Aussenbordmotor. Erdol und Kohle, EKEP — Synopse 8215.
• 15. Sсhenk J. E., Atkins P. F. Jr., Weitzel R. L., Simon P. B., Posner J. C. und Weber W. J., 1975. Effects of outboard marine engine exhaust on the aquatic environment. Prog, in Water Technology 7(34). 733—741.
• 16. Werkgroep Verontreiniging van Recreatiewateren door de Pleziervaart (WVR). 1981. Eindrapport. Bijlage 3. Paragraaf 2—3.

Примечания

1. См. №60 — «Лодочные моторы и окружающая среда», №63 — «Отдых на воде и окружающая среда» и №105 — «Подвесные моторы на Боденском озере».