Во время осуществления магистральных перевозок грузов автомобильным транспортом необходимо соблюдать требования к режиму труда и отдыха водителей. Законодательством РФ разрешено в общем случае управление транспортным средством не более 9 часов в сутки, а отдыхать водитель должен не менее 11 часов, кроме того установлены требования к еженедельному отдыху [1]. Исходя из этого, водители грузовиков много времени проводят на стоянках. Кроме остановок, связанных с обеспечением требований к режиму труда и отдыха, при международных перевозках возникают достаточно длительные периоды вынужденных стоянок, связанных с очередями при пересечении границ. Во время стоянок водители могут пользоваться услугами мотелей и кафе, а могут находиться внутри или в непосредственной близости от своего автомобиля. В последнем случае для поддержания комфортного микроклимата в кабине зачастую используется штатная климатическая система, приводимая от основного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающего в эти промежутки времени на холостом ходу.
Работа большегрузных дизельных грузовиков на холостом ходу вносит существенный вклад как в потребление топлива, так и в выбросы загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу. По оценкам Агентства по охране окружающей среды США, американские грузовики на стоянках при работе на холостом ходу ежегодно потребляют более 3,5 млрд л дизельного топлива и выделяют более 10 млн т диоксида углерода (CO2) и примерно 200 тыс. т оксидов азота (NOx) [2, с. 2-3].
Рис. 1. Автопарк грузовых автомобилей в РФ за 2008-2016 гг. (данные ГИБДД в обработке авторов)
Количество грузовых автомобилей в России, в том числе и магистральных тягачей, с каждым годом увеличивается (рис. 1). С учётом ежегодного увеличения количества грузовых автомобилей, а также планируемого роста магистральных автомобильных перевозок в России [3], потребление топлива и выбросы загрязняющих веществ в атмосферу тоже увеличатся.
С другой стороны, Россия приняла Парижское соглашение об изменении климата [4], согласно которому должна прилагать все усилия по сдерживанию глобального потепления с определяемыми на национальном уровне вкладами стран по снижению выбросов парниковых газов.
Следовательно, необходимо искать и реализовывать мероприятия по сокращению выбросов парниковых газов в сфере автомобильного транспорта. Одним из таких мероприятий может стать набор организационных мер и технологических решений по уменьшению времени работы основного двигателя магистральных автопоездов на холостом ходу.
Цель исследования – изучение негативного экологического эффекта от работы основного двигателя магистральных автопоездов на холостом ходу при длительных стоянках и разработка мероприятий по уменьшению этого эффекта.
Материалы и методы исследования
Исследование проводилось на основе поиска, изучения и анализа информации в сети Интернет.
Результаты исследования и их обсуждение
Во время длительных стоянок магистральный автопоезд становится для водителя (экипажа) фактически вторым домом, поэтому автопроизводители стараются обеспечить его всем необходимым для максимального комфорта и удобства (рис. 2). Во время стоянок необходимо создать условия для отдыха, питания. Это обеспечивается вспомогательными приборами, к которым относятся:
− электроплитка;
− холодильник;
− телевизор или компьютер;
− микроволновая печь;
− электрочайник;
− осветительные приборы;
− вентилятор;
− система отопления и кондиционирования.
Для работы всех этих приборов необходима энергия, которая обычно вырабатывается штатным генератором при работе основного ДВС на холостом ходу.
Рис. 2. Кабина тягача Peterbilt 387 [5]
Агентство по охране окружающей среды США разработало программу испытаний магистральных тягачей на холостом ходу. Программа испытаний проводилась в течение двух лет в Абердинском испытательном центре армии США. После изучения 42-х уникальных тестовых сценариев, которые представляли собой реальные условия длительной работы магистрального автопоезда на холостом ходу, было определено, что в среднем типичный грузовик 1980…2001 модельного года, работающий на холостом ходу, выбрасывает 140 г/ч NOx и 8200 г/ч СО2 и потребляет около 3 л/ч дизельного топлива [2, с. 2-3].
Существует несколько типов проверенных методов и технологий для сокращения времени работы основного двигателя тягача на холостом ходу (рис. 3).
Рис. 3. Классификация методов сокращения времени работы основного двигателя тягача автопоезда на холостом ходу
Стационарные пункты отдыха водителей. Использование водителями стационарных пунктов отдыха (мотелей, кафе и т.п.) практически полностью исключает работу ДВС тягача автопоезда на холостом ходу, способно обеспечить комфортные условия отдыха, обеспечивают дополнительные рабочие места и налоговые поступления в местах их размещения и т.п., однако для строительства и функционирования этих стационарных объектов требуется определённое количество материалов и энергоресурсов.
Электрифицированные парковочные места (англ. truck stop electrification, TSE). Во время длительной стоянки магистральные автопоезда могут подключаться к внешней электросети (120 В, 20 А или 230 В, 30 А)) вместо того, чтобы работать на холостом ходу (рис. 4). При этом предполагается, что на борту грузовика есть собственные электрические системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Использование электрифицированных парковочных мест позволяет на 40…70 % сократить эксплуатационные расходы [6, с. 2-3], в том числе сэкономить до 100 % топлива, а также снизить на 90 % выбросы СО2 и NOx (на 24 т СО2 и на 0,34 т NOx на грузовик в год [7, с. 5-6]), а также обеспечивает более комфортный отдых для водителя за счёт отсутствия шума и вибрации в кабине. Как правило, электрифицированные паркинги оборудованы также и средствами для подключения полуприцепов-рефрижераторов к внешней электросети (англ. electric Transport Refrigeration Units, eTRU). Данное оборудование отличается более высоким напряжением и мощностью (460 В, 30 А).
Рис. 4. Оборудование для подключения автопоезда к электросети на паркинге Newell Travel Plaza, г. Ньютон, штат Канзас, США [8]
Паркинги с возможностью подключения к внешним климатическим установкам. В случае отсутствия на борту грузовика электрических систем отопления (например, при использовании тепла охлаждающей жидкости ДВС) могут использоваться внешние климатические системы, расположенные на подвесных порталах или больших постаментах, примыкающих к каждому парковочному месту. Водитель грузовика прикрепляет систему управления с вентиляционными воздуховодами к открытому боковому окну (рис. 5). Через воздуховоды в кабину поступает подогретый (или охлаждённый) воздух от внешней климатической системы. Такие системы не требуют модификации грузовика, но требуют дополнительной инфраструктуры на стоянке.
Рис. 5. Оборудование для подключения автопоезда к стационарной климатической установке IdleAir на паркинге, США [9]
Бортовые автономные обогреватели. Для решения проблемы обогрева кабины и экономии топлива, а, следовательно, уменьшения работы основного ДВС на холостом ходу, могут применяться автономные воздушные отопители (рис. 6).
Рис. 6. Автономные отопители воздуха Airtronic от фирмы Eberspächer [10]
Устройство, состоящее из горелки, вентилятора и теплообменника, нагревает воздух, который напрямую поступает в кабину грузовика. Расход топлива для моделей мощностью 2…8 кВт составляет порядка 20 г/ч, что значительно меньше расхода при работе основного двигателя на холостом ходу [10].
Автономные бортовые вспомогательные энергоустановки (англ. Auxiliary Power Unit, APU) состоят из различных комбинаций ДВС, генератора, аккумуляторной батареи (АКБ), топливного элемента (ТЭ) и электролизёра.
Для производства энергии в течение длительных стоянок может применяться дизельный генератор малой мощности. Он способен работать бесперебойно в течение длительного времени. Также он отличается высокой надёжностью и противопожарной безопасностью. Расход топлива и выбросы ЗВ дизель-генератора оказываются меньше, чем у основного ДВС на холостом ходу.
Вместо дизель-генератора может использоваться вспомогательная АКБ, заряжаемая во время движения автопоезда от штатного генератора грузовика, который, тем не менее, должен иметь более высокую мощность [11]. Поскольку это – безмоторная система, устройство обеспечивает комфортное кондиционирование воздуха без расхода топлива, шума на холостом ходу и связанных с этим выбросов ЗВ (рис. 7).
Рис. 7. Автономная бортовая климатическая система DClimate [11]
Электрохимические системы с ТЭ. В таких системах на первом этапе (во время движения автопоезда) за счёт избыточной электроэнергии (вырабатываемой штатным генератором или, например, солнечными панелями, установленными на крыше автопоезда и полуприцепа) осуществляется электролиз воды в системе с твёрдым полимерным электролитом с выработкой водорода, запасаемого в баллоне под давлением или в гидридном аккумуляторе. Хранение химической энергии в виде водорода значительно превосходит по своим ёмкостным показателям традиционные аккумуляторные батареи. На втором этапе (во время длительной стоянки) энергия водорода преобразуется в топливном элементе в электрическую энергию, используемую для работы климатической системы и остальных электропотребителей автопоезда.
Заключение
Анализ имеющейся информации показал, что для уменьшения продолжительности работы основного ДВС автопоезда на холостом ходу могут применяться различные организационные и технологические решения. Все они обладают своими преимуществами и недостатками. Выбор наилучшей комбинации мероприятий будет зависеть от конкретных условий их применения: размещения, наличия доступных энергоисточников, типа обслуживаемых грузовиков, климатических характеристик и т.п.