Согласно исследованиям экологов, в крупных городах практически 90% загрязнения атмосферы приходится на выхлопы транспорта. Сильнейшими загрязнителями являются автомобили, работающие на дизельном топливе. Также большую роль играет разновидность сжигаемого бензина. Например, сернистый бензин выделяет в атмосферу окиси серы, а – хлор, бром и свинец. Но самый распространенный состав выхлопных газов следующим образом:
Азот – 75%;
- кислород – 0.3-8.0%;
- вода – 3-5%;
- углекислый газ – 0-16%;
- угарный газ – 0.1-5.0%;
- оксиды азота – 0.8%;
- углеводороды – 0.1-2.5%;
- альдегиды – до 0.2%;
- сажа – до 0.04%;
- бензпирен – 0.0005%.
Продукт неполного сгорания бензина или дизельного топлива. Этот газ не имеет цвета , поэтому его присутствие в атмосфере человек ощутить не может. В этом и состоит его основная опасность. Угарный газ связывает гемоглобин и вызывает тканей и органов тела. Это приводит к головной боли, головокружению, потере сознания и даже к смерти.
Нередки случаи, когда прогрев машины в закрытом или даже открытом гараже приводил к летальному исходу владельца автомобиля. Не имея запаха и цвета, угарный газ приводит к потере сознания и смерти.
Желтовато-бурый газ с резким запахом. Ухудшает видимость, придает воздуху коричневатый оттенок. Очень токсичен, может вызывать бронхиты, существенно снижает сопротивляемость организма к простудам. Особенно негативно диоксид азота влияет на людей, страдающих хроническими заболеваниями дыхательных путей.
В присутствии оксидов азота и под воздействием ультрафиолета солнца, углеводороды окисляются, после чего образуют кислородсодержащие ядовитые вещества с резким запахом, так званый фотохимический смог. Циклические ароматические углеводороды также содержатся в смолах и саже, они являются сильнейшими канцерогенами. Некоторые из них способны вызывать мутации.
Бесцветный газ, обладает неприятным и резким запахом. В большом количестве раздражает дыхательные пути и глаза. Токсичен, вызывает поражение нервной системы, обладает мутагенным, аллергенным и канцерогенным действием.
Взвешенные частицы, размером не более 10 мкм. Могут вызывать заболевания органов дыхания и слизистых оболочек. Сажа является канцерогеном и может вызывать раковые заболевания.
Во время работы двигателя на стенках выхлопной системы накапливаются несгоревшие частички. Под влиянием давления газов они выбрасываются в атмосферу, загрязняя ее.
Одно из самых опасных веществ, которое содержит выхлопные газы. Является сильным канцерогеном, повышает вероятность возникновения раковых заболеваний.
В сущности бензин состоит из молекул углерода и кислорода. При сгорании бензина в цилиндрах двигателя углерод соединяется с кислородом, находящимся в воздухе, в результате чего образуется двуокись углерода (углекислый газ СО2), водород соединяется с кислородом, образуя воду (Н2О).
Из 1 л бензина получается примерно 0,9 л воды, которая обычно не видна, так как она выходит из системы выпуска отработавших газов в виде пара, в который превращается под воздействием высокой температуры. Только при холодном двигателе, особенно в холодное время года, видны белые облака отработавших газов, образованные сконденсированной водой.
Эти продукты горения образуются, когда воздух и топливо смешиваются в оптимальной пропорции (14,7:1). Но, к сожалению, это соотношение не всегда выдерживается, поэтому и присутствуют вредные вещества в отработавших газах.
Автомобиль Fiesta оборудован управляемым трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, дизельный двигатель - окислительным каталитическим нейтрализатором
Все без исключения автомобили оборудованы управляемым трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, автомобили с дизельными двигателями Endura-DE - окислительным каталитическим нейтрализатором. Управляемый каталитический нейтрализатор уменьшает содержание оксидов углерода примерно на 85%, углеводородов - на 80%, оксидов азота - на 70%.
Окислительные каталитические нейтрализаторы не оказывают никакого влияния на концентрацию оксидов азота. С увеличением пробега эффективность каталитического нейтрализатора снижается. Обозначение «управляемый» говорит о том, что при работе двигателя состав отработавших газов постоянно контролируется с помощью датчика концентрации кислорода и содержание вредных веществ в газах уменьшается до предписанных законодательством норм.
Функция датчика концентрации кислорода (лямбда-зонд)
Датчик концентрации кислорода (HO2S) на автомобиле Fiesta установлен перед каталитическим нейтрализатором в передней выхлопной трубе (рис. 11.4 ) и действует по принципу гальванического элемента с твердым электролитом в виде керамического материала, изготовленного из диоксида циркония и оксида иттрия. Керамический материал датчика подвергается снаружи воздействию отработавших газов, его внутренняя поверхность соединена с окружающим воздухом.
Для уменьшения времени приведения датчика в нормальный рабочий режим его оборудуют электрическим подогревом. Вследствие разницы в содержании кислорода в отработавших газах и окружающем воздухе в датчике возникает разность потенциалов, которая при определенном остаточном содержании кислорода в отработавших газах сильно увеличивается.
Этот скачок напряжения происходит точно при соотношении топлива и воздуха l=1. При недостатке кислорода (l<1), т.е. при богатой топливовоздушной смеси, напряжение составляет 0,9–1,1 В. При бедной смеси (l>1) напряжение уменьшается до 0,1 В.
Сигнал датчика концентрации кислорода передается блоку управления системой впрыска топлива. Блок обогащает или обедняет топливовоздушную смесь, чтобы поддерживать соотношение топлива и воздуха как можно ближе к оптимальному l=1.
Рабочая область каталитического нейтрализатора
Степень эффективности каталитического нейтрализатора является функцией рабочей температуры. Нейтрализатор начинает работать при температуре приблизительно 300 °С, которая достигается через 25–30 с движения. Рабочая температура в диапазоне 400–800 °С обеспечивает оптимальные условия для получения максимальной эффективности и большого срока службы нейтрализатора.
Керамический каталитический нейтрализатор восприимчив к сверхвысокой температуре. Если его температура превышает 900 °С, начинается процесс интенсивного старения, а при температурах свыше 1200 °С его работоспособность полностью нарушается.
Активный слой состоит из металлов, чувствительных к содержанию свинца в топливе, при отложении которого активность каталитического слоя быстро уменьшается. Поэтому двигатели с каталитическими нейтрализаторами следует эксплуатировать только на неэтилированном бензине.
Каталитический нейтрализатор имеет пористое керамическое основание, покрытое драгоценными металлами - платиной и родием и заключенное в оболочку из нержавеющей стали. Расположенное на проволочной сетке керамическое основание пронизано большим количеством параллельно расположенных каналов. На стенках каналов нанесен промежуточный слой для увеличения активной поверхности каталитического нейтрализатора (рис. 11.5 ).
Каталитический нейтрализатор содержит 2–3 г драгоценных металлов, причем платина способствует окислению, а родий - восстановлению окислов азота.
Каталитический нейтрализатор нейтрализует такие вредные вещества, как угарный газ, углеводород и оксиды азота (поэтому он называется трехкомпонентный каталитический нейтрализатор).
ПРАКТИЧЕСКИЙ СОВЕТ
Эксплуатация автомобилей с каталитическим нейтрализатором
Если двигатель автомобиля Fiesta не пускается из-за разрядки аккумуляторной батареи, не пытайтесь пустить двигатель, толкая или буксируя автомобиль. В каталитический нейтрализатор попадет очень много несгоревшего топлива, которое со временем приведет его в негодность.
При перебоях в зажигании или пропусках зажигания необходимо сразу же проверить систему зажигания и при дальнейшем движении избегать высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Перед нанесением защитной мастики на днище кузова тщательно закройте каталитический нейтрализатор, иначе возможно возгорание.
При каждом подъеме автомобиля обязательно проверяйте теплозащитные пластины.
Негерметичность системы выпуска отработавших газов (прогоревшая прокладка, трещина от высокой температуры и т.д.) перед датчиком концентрации кислорода приводит к неправильным результатам измерения (высокая доля содержания кислорода). Поэтому электронный блок управления двигателем будет обогащать смесь, что приведет к увеличению расхода топлива и преждевременному износу каталитического нейтрализатора.
ТЕХНИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ
Состав отработавших газов
Оксид углерода (угарный газ - СО).
Чем богаче топливовоздушная смесь, тем больше образуется угарного газа. Точное управление количеством впрыскиваемого топлива, правильно установленный момент зажигания и равномерное распределение смеси в камере сгорания уменьшают содержание угарного газа в отработавших газах.
Никогда не измеряйте содержание оксида углерода в закрытых помещениях, так как угарный газ ядовит и даже небольшая его концентрация в закрытых помещениях может быть смертельна. В воздухе угарный газ относительно быстро соединяется с кислородом и образует углекислый газ. Несмотря на то что углекислый газ не ядовит, он участвует в образовании «парникового» эффекта.
Углеводороды (СН).
Соединения углеводородов объединены в одну группу. Содержание СН зависит от конструкции двигателя (неизменяемая величина). Слишком богатая или слишком бедная топливовоздушная смесь также увеличивает долю содержания СН в отработавших газах. Некоторые из них безопасны, другие могут вызывать раковые заболевания. Все соединения углеводородов совместно с оксидами азота (NOx) образуют смог (тяжело растворимые туманные облака отработавших газов).
Оксиды азота (NOx или NO) —
образуются, прежде всего, из-за наличия азота в воздухе, поступающего в камеру сгорания (свыше 3/4). Их концентрация особенно высока в конструкциях двигателей с низким расходом топлива и малым содержанием СО и СН в отработавших газах. Для этих двигателей характерны высокая температура сгорания и бедная топливовоздушная смесь. При сильной концентрации оксиды азота могут повредить органы дыхания. При соединении с водой образуются кислотные дожди.
Углекислый газ (СО2).
Образуется при сгорании топлива, содержащего углерод, при соединении с кислородом воздуха. Углекислый газ уменьшает полезное воздействие озонового слоя Земли, защищающего от вредного ультрафиолетового излучения Солнца.
Ядовитые вещества, содержащиеся в отработавших газах дизельных двигателей.
При работе дизельного двигателя образуется незначительное количество СО и СН. Из-за более высокой компрессии дизельный двигатель выбрасывает меньше оксидов азота. Но для дизельного двигателя характерны другие вредные вещества в продуктах сгорания. Например, сажа - типичная составная часть отработавших газов дизеля. Сажа состоит из несгоревших углеродов и золы.
Частицы сажи при попадании в органы дыхания становятся возбудителями рака. Двуокись серы (SO2) также образуется при наличии серы, прежде всего, в дизельном топливе. Способствует появлению серной или сернистой кислоты в дожде (кислотные дожди). Автомобили с дизельными двигателями становятся причиной 3% кислотных осадков.
Углекислый газ образуется при сгорании дизельного топлива только при более высоких концентрациях.
Выбросы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) делятся на выбросы от карбюраторных и дизельных двигателей. Такое разделение связано с тем, что карбюраторные двигатели (КД) работают с однородными топливновоздушными смесями, в то время как дизельные двигатели (ДД) – с гетерогенными смесями.
Выбросы загрязнений от двигателей внутреннего сгорания карбюраторного типа включают углеводороды, оксиды углерода, оксиды азота и нерегулярные выбросы. Загрязнения возникают вследствие реакций и в процессе горения в объеме и на поверхностях. Прорыв газов через поршневые кольца и выхлоп из цилиндров являются менее интенсивным источником выбросов загрязнений.
В 1980 г. 4 % выпускаемых в мире легковых и грузовых автомобилей было оснащено дизелями, а к концу 80-х годов этот показатель возрос до 25 %. Основные выбросы загрязнений дизельных двигателей те же самые, что и карбюраторных двигателей (углеводороды, оксид углерода, оксиды азота, нерегулярные выбросы), но к ним добавляются частицы углерода (сажевый аэрозоль).
Легковой автомобиль выбрасывает оксида углерода СО до 3 м3 /ч, грузовой - до 6 м3 /ч (3…6 кг/ч).
О составе выхлопных газов автомобилей с различными типами двигателей можно судить по данным, приведенным в табл. 8.1.
Таблица 8.1. |
|||
Примерный состав выхлопных газов автомобилей |
|||
Компоненты |
|||
карбюраторный |
дизельный дви- |
||
двигатель |
|||
H2 О (пары) |
|||
СО2 |
|||
Оксиды азота |
2. 10-3 -0,5 |
||
Углеводороды |
1. 10-3 -0,5 |
||
Альдегиды |
1 . 10 - 3 -9 .10 -3 |
||
0-0,4 г/м3 |
0,01-1,1 г/м3 |
|
Бензапирен |
(10-20). 10-6 , г/м3 |
до1 . 10-5 г/м3 |
Выбросы оксида углерода и углеводородов у карбюраторных двигателей существенно выше, чем у дизельных двигателей.
Повышение экологических показателей автомобиля возможно за счет проведения комплекса мероприятий по совершенствованию его конструкции и режима эксплуатации. К улучшению экологических показателей автомобиля приводят: повышение его экономичности; замена бензиновых ДВС на дизельные; перевод ДВС на использование альтернативных топлив (сжатый или сжиженный газ, этанол, метанол, водород и др.); применение нейтрализаторов отработавших газов ДВС; совершенствование режима работы ДВС и технического обслуживания автомобиля.
Известны и применяются ряд методов снижения токсичности выхлопных газов. Среди них работа автомобиля в условиях, когда двигатель выделяет наименьшее количество токсичных веществ (уменьшение торможения, равномерное движение с определенной скоростью и т. д.); применение специальных присадок к топливу, увеличивающих полноту его сгорания и уменьшающих выброс СО (спирты, другие соединения); пламенное дожигание некоторых вредных компонентов.
В карбюраторных двигателях соотношение между воздухом и топливом влияет на содержание углеводородов и оксида углерода в выхлопе. Так, например, выбросы увеличиваются при увеличении обогащения смеси. Содержание СО увеличивается из-за неполного сгорания, вызванного недостатком кислорода в смеси. Увеличение содержания углеводородов проистекает в первую очередь из-за увеличения адсорбции топлива и усиления механизма неполного сгорания топлива. Бедные смеси создают более низкие концентрации Сn Нm и СО в выбросе в результате их более полного сгорания.
В дизельных двигателях мощность изменяется при изменении количества впрыскиваемого топлива. В результате изменяется распределение струи топлива, количество топлива, ударяющегося о стенку, давление в цилиндре, температура, а также продолжительность впрыскивания.
Специалисты считают, что для заметного снижения вредных выбросов необходимо сократить потребление бензина с 8 литров (на 100 км пробега – до 2…3 л. Это требует совершенствование устройства двигателя и качества топлива; перехода на неэтилизированный бензин; применения каталитического дожига для уменьшения выброса СО; внедрения электрон-
ной системы управления процессов горения топлива; и другие меры, в частности применения глушителей шума в системе выхлопа.
Повышение топливной экономичности автомобиля достигается главным образом за счет совершенствования процесса сгорания в ДВС: послойное сжигание топлива; форкамерно-факельное сжигание; применение подогрева и испарения топлива во впускном тракте; использование электронного зажигания. Дополнительными резервами повышения экономичности автомобиля являются:
- снижение массы автомобиля за счет усовершенствования его конструкции и применения неметаллических и высокопрочных материалов;
- улучшение аэродинамических показателей кузова (последние модели легковых автомобилей обладают, как правило, на 30…40 % меньшим коэффициентом лобового сопротивления);
- снижения сопротивления воздушных фильтров и глушителей, отключения вспомогательных агрегатов, например вентилятора и т. п.;
- снижения массы перевозимого топлива (неполное заполнение баков) и массы инструментов.
Современные модели легковых автомобилей существенно отличаются по топливной экономичности от предшествующих моделей.
Перспективные марки легковых автомобилей будут обладать расходом бензина 3,5 л/100 км и менее. Повышение экономичности автобусов и грузовых автомобилей достигается прежде всего применением дизельных ДВС. Они обладают экологическими преимуществами по сравнению с бензиновыми ДВС, поскольку имеют меньший на 25…30 % удельный расход топлива; кроме того, состав отработавших газов у дизельного ДВС менее токсичен (см. табл. 8.1).
Экологическими преимуществами по сравнению с бензиновыми ДВС обладают двигатели, работающие на альтернативных топливах. Общее представление о снижении токсичности ДВС при переходе на альтернативное топливо можно получить из данных, приведенных в табл. 8.2.
Таблица 8.2 Токсичность выбросов ДВС на различных топливах
Многие ученые видят частичное решение экологической проблемы в переводе автомобилей на газообразное топливо. Так, содержание окиси уг-
лерода в выхлопах газомобилей меньше на 25…40 %; окиси азота на 25…30 %; сажи на 40…50 %. При использовании в автомобильных двигателях сжиженного или сжатого газа выхлопные газы почти не содержат оксида углерода. Решением проблемы явилось бы широкое применение электромобиля. Выпускаемые электромобили имеют ограниченный радиус действия из-за ограниченной емкости и большой массы батарей. Сейчас ведутся широкие исследования в этой области. Некоторые положительные результаты уже достигнуты. Снижение токсичности выбросов может быть достигнуто уменьшением содержания соединений свинца в бензине без ухудшения его энергетических качеств.
Перевод на газовое топливо не предусматривает значительных изменений в конструкции ДВС, однако сдерживается отсутствием станций заправки и необходимого количества автомобилей, переоборудованных для работы на газе. Кроме того, автомобиль, переоборудованный для работы на газовом топливе, теряет грузоподъемность из-за наличия баллонов и запас хода приблизительно в 2 раза (200 км против 400…500 км у бензинового автомобиля). Эти недостатки частично устранимы при переводе автомобиля на сжиженный природный газ.
Применение метанола и этанола требует изменений конструкции ДВС, так как спирты более химически активны к резинам, полимерам, медным сплавам. В конструкцию ДВС необходимо вводить дополнительный подогреватель для запуска двигателя в холодный период года (при t< -25 °С); необходима перерегулировка карбюратора, так как изменяется стехиометрическое отношение расхода воздуха к расходу топлива. У бензиновых ДВС оно равно 14,7; у двигателей на метаноле - 6,45, а на этаноле - 9. За рубежом (Бразилия) применяют смеси бензина и этанола в пропорции 12:10, что позволяет использовать бензиновые ДВС с незначительными изменениями их конструкции, несколько повышая при этом экологические показатели двигателя.
Несмотря на то, что выбросы токсичных веществ (Сn Нm и СО) из картера и топливной системы двигателя по крайней мере на порядок ниже выбросов выхлопных газов, в настоящее время разрабатываются методы сжигания картерных газов ДВС. Известна замкнутая схема нейтрализации картерных газов с подачей их во впускной трубопровод двигателя с последующим дожиганием. Замкнутая система вентиляции картера с возвращением картерных газов до карбюратора уменьшает выделение в атмосферу углеводородов на 10…30 %, оксидов азота на 5…25 %, но при этом увеличивается выброс оксида углерода на 10…35 %. При возвращении картерных газов после карбюратора снижается выброс Cn Hm на 10…40 %, СО на 10…25 %, но возрастает выброс NOx на 10…40 %.
Для предотвращения выбросов паров бензина из топливной системы, основная часть которых поступает в атмосферу, когда двигатель не работает, на автомобилях устанавливают систему обезвреживания испарений топлива из карбюратора и топливного бака, состоящую из трех основных узлов (рис. 8.1): герметичного топливного бака 1 со специальной емкостью 2 для компенсации теплового расширения топлива; крышки 3 топливно-за- правочной горловины бака с двусторонним предохранительным клапаном для предотвращения чрезмерного давления или разрежения в баке; адсорбера 4 для поглощения паров топлива при выключенном двигателе с системой возврата паров во впускной тракт двигателя во время его работы. В качестве адсорбента используют активированный уголь.
Рис. 8.1. Схема улавливания паров топлива бензинового ДВС
Соблюдение регламента технического обслуживания и контроль состава отработанных газов (ОГ) ДВС позволяет значительно сократить токсичные выбросы в атмосферу. Известно, что при 160 тыс. км пробега и при отсутствии контроля выбросы СО возрастают в 3,3 раза, а Сп Нт - в 2,5 раза.
Повышение экологических показателей газотурбинной двигательной установки (ГТДУ) на самолетах достигается совершенствованием процесса сгорания топлива, применением альтернативного топлива (сжиженный газ, водород и др.), рациональной организацией движения в аэропортах.
Увеличение времени пребывания продуктов сгорания в камере сгорания ГТДУ сопровождается увеличением полноты сгорания (уменьшение содержания СО и Cn Hm в продуктах сгорания) и содержания в них оксидов азота. Поэтому, изменяя время пребывания газа в камере сгорания, можно достичь лишь минимальной токсичности продуктов сгорания, а не устранить ее полностью.
Более эффективным средством снижения токсичности ГТДУ является применение способов подачи топлива, обеспечивающих более равномерное смешение топлива и воздуха. К ним относятся устройства с предварительным испарением топлива, форсунки с аэрацией топлива и др. Испытания на модельных камерах свидетельствуют о том, что такими способами можно снизить содержание в продуктах сгорания Сn Нm более чем на порядок, СО - в несколько раз, обеспечить бездымный выхлоп и уменьшить содержание NOx .
Существенное снижение содержания NOx в продуктах сгорания ГТДУ достигается при стадийном процессе сгорания топлива в двухзонных камерах сгорания. В таких камерах основная часть топлива на режимах большой тяги сжигается в виде предварительно подготовленной бедной смеси. Меньшая часть топлива (~25 %) сжигается в виде богатой смеси, где и образуются в основном оксиды азота. Опыты показывают, что при таком сгорании можно снизить содержание NOx в 2 раза.
Решение экологических проблем, связанных с применением ракетной техники, основано на использовании экологически безопасного топлива и прежде всего кислорода и водорода.
8.3. Нейтрализация выхлопов двигателей внутреннего сгорания
Улучшение экологических характеристик автомобилей возможно за счет комплекса мероприятий по совершенствованию их конструкций и режимов эксплуатации. К ним относятся повышение экономичности работы двигателей, замена их бензиновых версий на дизельные, использование альтернативных топлив (сжатый или сжиженный газ, этанол, метанол, водород и др.), применение нейтрализаторов отработанных газов, оптимизация режима работы двигателей и технического обслуживания автомобилей.
Значительное снижение токсичности ДВС достигается при использовании нейтрализаторов отработавших газов (ОГ). Известны жидкостные, каталитические, термические и комбинированные нейтрализаторы. Наиболее эффективными из них являются каталитические конструкции. Оснащение ими автомобилей началось в 1975 г. в США и в 1986 г. - в Европе. С тех пор загрязнение атмосферы выхлопами резко снизилось - соответственно на 98,96 и 90% по углеводородам, СО и NOх .
Нейтрализатор - это дополнительное устройство, которое вводится в выпускную систему двигателя для снижения токсичности ОГ. Известны жидкостные, каталитические, термические и комбинированные нейтрализаторы.
Принцип действия жидкостных нейтрализаторов основан на растворении или химическом взаимодействии токсичных компонентов ОГ при пропускании их через жидкость определенного состава: вода, водный раствор сульфита натрия, водный раствор двууглекислой соды.
На рис. 8.2 представлена схема жидкостного нейтрализатора, применяемого с двухтактным дизельным двигателем. Отработавшие газы поступают в нейтрализатор по трубе 1 и через коллектор 2 попадают в бак 3, где вступают в реакцию с рабочей жидкостью. Очищенные газы проходят через фильтр 4, сепаратор 5 и выбрасываются в атмосферу. По мере испарения жидкость доливают в рабочий бак из дополнительного бака 6.
Рис. 8.2. Схема жидкостного нейтрализатора
Пропускание отработавших газов дизелей через воду приводит к уменьшению запаха, альдегиды поглощаются с эффективностью 0,5, а эффективность очистки от сажи достигает 0,60…0,80. При этом несколько уменьшается содержание бенз(а)пирена в отработанных газах дизелей. Температура газов после жидкостной очистки составляет 40…80 °С, примерно до этой же температуры нагревается и рабочая жидкость. При снижении температуры процесс очистки идет интенсивнее.
Жидкостные нейтрализаторы не требуют времени для выхода на рабочий режим после пуска холодного двигателя. Недостатки жидкостных нейтрализаторов: большая масса и габариты; необходимость частой смены рабочего раствора; неэффективность по отношению к СО; малая эффективность (0,3) по отношению к NOx ; интенсивное испарение жидкости. Однако использование жидкостных нейтрализаторов в комбинированных системах очистки может быть рациональным, особенно для установок, отработавшие газы которых должны иметь низкую температуру при поступлении в атмосферу.
В ходе развития человечества, сопровождающегося увеличением населения и его потребительских нужд, развитием легкой и особенно тяжелой промышленности, а также автотранспорта, в окружающую человека атмосферу происходит большой выброс самых разнообразных химических веществ. Выхлопные газы от работающих автомобилей составляют порядка 90% от общего объема загрязнений.
Выхлопные газы автомобилей – это сочетание двухсот-трехсот химических соединений, которые считаются достаточно вредными. Они получаются при сгорании различного автомобильного топлива и отходят в открытую атмосферу.
По статистике, в среднем один легковой автомобиль выбрасывает в атмосферу за день около одного килограмма разных токсичных и канцерогенных веществ. Причем подобные вещества способны аккумулироваться и находиться в окружающей среде до 5 лет. Выхлопные газы приносят очевидный вред здоровью человека, растительности, животным, а также почве и водным ресурсам.
Выхлопные газы оказывают самое большое отрицательное влияние на организм людей в больших городах, особенно при нахождении в многочасовых пробках, в районах магистралей и крупных дорожных развязок.
Когда физические и химические характеристики таких выбросов в воздух превышают допустимые концентрации, то такие выхлопные газы оказывают существенное отрицательное воздействие на самочувствие человека. В группе повышенного риска находятся водители, особенно работающие на маршрутках и такси, а также люди, которые очень часто стоят в многокилометровых автомобильных пробках на дорогах во время часов пик движения транспорта.
Большее вредное влияние оказывают машины, двигатели которых работают на дизеле, нежели на бензине или газе, при этом вырабатывается большее количество сажи.
Выхлопные выбросы действуют сразу непосредственно на внутренние органы дыхания, причем у детей младшего возраста намного значительнее, чем у взрослых. Это объясняется тем, что самая большая концентрация выбросов находится на уровне лица маленьких детей.
В составе выхлопных газов разных видов топлива, могут быть такие вредные элементы:
Согласно статистике, грузовые машины и автобусы вырабатывают больше выхлопных газов, нежели легковые автомобили. Этот факт напрямую связан с режимом работы и объемами двигателей внутреннего сгорания автомобилей.
Так, например, легковая машина дает за сутки порядка 220 мг/м 3 угарного газа, автобус 230 мг/м 3 , а небольшой грузовик целых 500 мг/м 3 . Легковушка дает 45 мг/м 3 оксида азота, автобус 18 мг/м 3 , а небольшой грузовик – 70 мг/м 3 . Также автобус, в отличие от легковушки, постоянно выбрасывает в воздух оксиды серы и углерода, а также соединения свинца.
Важно помнить, что выхлопные газы от автомобилей – это почти 90% загрязнения всего объема воздуха окружающего человека. Один автомобиль способен всего лишь за сутки поставить в воздух до одного килограмма таких вредных соединений.
Вследствие содержания в выхлопных газах автомобилей вредных и даже ядовитых веществ, а также при постоянном действии таких элементов на органы человека, они способны вызывать развитие острых и хронических болезней.
Для органов дыхания характерные следующие заболевания:
Для сердечно-сосудистой системы свойственны такие заболевания:
Для нервных клеток характерно развитие таких нарушений:
Химические соединения, что есть в составе выхлопных газов, в особенности тяжелые металлы, характеризуются свойством накапливаться в организме. Вследствие чего начинается зашлаковывание организма с последующим развитием серьезных заболеваний.
Наибольший объем токсинов присутствует в выхлопных газах, когда двигатель работает на холостом ходу и на сниженных скоростях. При таких режимах происходит плохое выгорание топлива и отход несгоревших элементов топлива в количестве более чем в десять раз превышающем выхлопы при стандартном режиме автомобиля.
По степени действия на человека, составляющие выхлопных газов можно разбить на пять групп:
Развитие науки и техники, которые позволяют повысить комфортность жизни людей, помимо благ, приносит и вред, как, например, выхлопные газы от автотранспорта. Смерть от выхлопных газов встречается нечасто и считается результатом неправильного обращения с автомобилем.
Основными источниками выбросов автомобиля являются двигатель внутреннего сгорания, испарение топлива через систему вентиляции топливного бака, а также ходовая часть: в результате трения шин о дорожное покрытие, износа тормозных колодок и коррозии металлических деталей независимо от выбросов двигателя образуются частицы мелкодисперсной пыли. При эрозии катализатора выделяются платина, палладий и родий, а при износе накладок сцепления также выделяются токсичные вещества, такие как свинец, медь и сурьма. Для этих вторичных выбросов автомобилей также должны быть установлены предельные значения.
Рис. Состав выхлопных газов
Состав отработавших (выхлопных) газов автомобиля включает множество веществ или групп веществ. Преобладающей частью компонентов ОГ являются неядовитые, содержащиеся в обычном воздухе газы. Как показано на рисунке, лишь небольшая часть ОГ является вредной для окружающей среды и здоровья людей. Несмотря на это, необходимо дальнейшее снижение концентрации токсичных компонентов ОГ. Хотя современные автомобили сегодня дают очень чистый выхлоп (у автомобилей Евро-5 он в некоторых аспектах даже чище всасываемого воздуха), огромное число эксплуатируемых автомобилей, которых только в Германии насчитывается около 56 млн единиц, выбрасывает значительное количество ядовитых и вредных для здоровья веществ. Исправить ситуацию призваны новые технологии и введение более жестких требований к экологичности ОГ.
Оксид углерода (угарный газ) СО - газ без цвета и запаха. Это яд для дыхательной системы, нарушающий функцию центральной нервной и сердечно-сосудистой систем. В человеческом организме он связывает красные кровяные тельца и вызывает кислородное голодание, которое за короткое время приводит к смерти от удушья. Уже при концентрации в воздухе 0,3% по объему угарный газ в очень короткое время убивает человека. Действие зависит от концентрации СО в воздухе, от длительности и глубины вдыхания. Лишь в среде с нулевой концентрацией СО он может быть выведен из организма через легкие.
Оксид углерода всегда возникает при недостатке кислорода и при неполном сгорании.
Углеводороды выбрасываются в атмосферу в виде несгоревшего топлива. Они оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки и органы дыхания человека. Дальнейшая оптимизация рабочего процесса двигателя возможна лишь путем совершенствования производственных технологий и углубления знаний о процессах сгорания.
Углеводородные соединения возникают в виде парафинов, олефинов, ароматов, альдегидов (особенно формальдегидов) и полициклических соединений. Экспериментально доказаны канцерогенные и мутагенные свойства более 20 полициклических ароматических углеводородов, которые в силу своего малого размера способны проникать до легочных пузырьков. Самыми опасными углеводородными соединениями считаются бензол (С6Н6), толуол (метилбензол) и ксилол (диметилбензол, общая формула С6Н4 (СН3)2). К примеру, бензол может вызвать у человека изменения картины крови и привести к возникновению рака крови (лейкемии).
Причиной выбросо углеводородов в атмосферу всегда является неполное сгорание топлива, недостаток кислорода, а при очень обедненной смеси - слишком медленное сгорание топлива.
При высокой температуре сгорания (более 1100°С) содержащийся в воздухе реакционно инертный азот активируется и вступает в реакции со свободным кислородом в камере сгорания, образуя окислы. Они очень вредны для окружающей среды: становятся причинами образования смога, гибели лесов, выпадения кислотных дождей; также окислы азота являются переходными веществами для образования озона. Они - яд для крови, вызывают рак. В процессе сгорания возникают различные окислы азота - NO, NO2, N2O, N2O5- имеющие общее обозначение NOx. При соединении их с водой возникают азотная (HNO3) и азотистая (HNO2) кислоты. Диоксид азота (NO2) - красно-коричневый ядовитый газ с едким запахом, раздражающий органы дыхания и образующий соединения с гемоглобином крови.
Это самый проблематичный из всех окислов азота и в перспективе для него будут действовать отдельные нормы по допустимой концентрации. Доля NO2 в общих выбросах оксидов азота в будущем должна будет составлять менее 20%. В директиве 1999/30/EG с 2010 года предельно допустимая концентрация N02 установлена на уровне 40 мкг/м Соблюдение этой предельной концентрации предъявляет особые требования к защите от вредных выбросов.
Самые благоприятные условия для образования окислов азота - высокая температура сгорания обедненной топливовоздушной смеси. Системы рециркуляции ОГ позволяют снизить долю окислов азота в выхлопе автомобилей.
Оксиды серы образуются из содержащейся в топливе серы. В процессе сгорания сера реагирует с кислородом и водой, образуя оксиды серы, серную (H2SO4) и сернистую (H2SO3) кислоты. Оксид серы - основная составляющая кислотных дождей и причина гибели лесов. Это водорастворимый едкий газ, воздействие которого на организм человека проявляется в покраснении, опухании и усилении секреции влажных слизистых оболочек глаз и верхних дыхательных путей. Диоксид серы воздействует на слизистые носоглотки, бронхов и глаз. Наиболее часто местом «атаки» диоксида серы являются бронхи. Сильное раздражающее воздействие на дыхательные пути объясняется образованием сернистой кислоты во влажной среде. Вглубь дыхательных путей попадают взвешенный в мелкодисперсной пыли диоксид серы SO2 и аэрозоль серной кислоты. Наиболее чувствительно реагируют на растущую концентрацию диоксида серы в воздухе астматики и маленькие дети. Высокое содержание серы в топливе сокращает срок службы катализаторов бензиновых зельных двигателей.
Снижение выбросов диоксида серы реализуется путем ограничения содержания серы в топливе. Цель - топливо, не содержащее серы.
Последствия воздействия этого газа на органическую жизнь пока не совсем ясны науке, однако известно, что у человека он способен вызвать тяжелые отравления. В тяжелых случаях возникает угроза удушья, потеря сознания и паралич центральной нервной системы. При хроническом отравлении отмечается раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей. Запах сероводорода ощущается уже при концентрации его в воздухе в количестве 0,025 мл/м3.
Сероводород в выхлопных газах возникает при определенных условиях, причем, несмотря даже на наличие катализатора, и зависит от содержания серы в топливе.
Вдыхание аммиака приводит к раздражению дыхательных путей, кашлю, одышке и удушью. Также аммиак вызывает воспаляющиеся покраснения на коже. Прямое отравление аммиаком случается редко, так как даже большие его количества быстро превращаются в мочевину. При прямом вдыхании большого количества аммиака функции легких зачастую нарушаются на долгие годы. Особенно опасен этот газ для глаз. При сильном воздействии аммиака на глаза могут наступить помутнение роговицы и слепота.
При определенных условиях аммиак может образоваться даже в катализаторе. В то же время аммиак оказывается полезен в качестве восстановителя для катализаторов SCR.
Сажа - это чистый углерод и нежелательный продукт неполного сгорания углеводородов. Причиной образования сажи является недостаток кислорода при сгорании или преждевременное охлаждение сжигаемых газов. Частицы сажи часто связываются с несгоревшими остатками топлива и моторного масла, а также воды, продуктов износа деталей двигателя, сульфатов и пепла. Частицы сильно отличаются друг от друга по форме и размеру.
Таблица. Классификация частиц
В таблице показана классификация и размеры частиц. Наиболее часто при работе двигателя образуются частицы диаметром около 100 нанометров (0,0000001 м или 0,1 мкм); такие частицы способны естественным путем попадать в легкие человека. При агглютинации (склеивании) частичек сажи друг с другом и другими компонентами масса, количество и распределение частиц в воздухе могут значительно меняться. Основные компоненты частиц представлены на рисунке.
Рис. Основные компоненты частиц
Благодаря своей губчатой структуре частички сажи могут захватывать как органические, так и неорганические вещества, образующиеся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя. В результате масса частичек сажи может возрасти в три раза. Это будут уже не отдельные частички углерода, а правильной формы агломераты, образующиеся вследствие молекулярного притяжения. Размер таких агломератов может достигать 1 мкм. Выбросы сажи и других частиц особенно активно происходят при сгорании дизельного топлива. Эти выбросы считаются канцерогенными. Опасные наночастицы представляют количественно большую долю частиц, но по массе составляют лишь небольшой процент. По этой причине предлагается ограничивать содержание частиц в ОГ не по массе, а по количеству и распределению. В перспективе предусмотрено дифференцирование между размером частиц и их распределением.
Рис. Состав частиц
Выбросы частиц при работе бензиновых двигателей на два-три порядка ниже, чем при работе дизельных двигателей. Тем не менее, данные частицы обнаруживаются даже в выхлопе бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. Поэтому есть предложения по ограничению предельного содержания частиц в отработавших газах автомобилей. Сублимация - непосредственный переход вещества из твердого состояния в газообразное, и наоборот. Сублиматом называют твердый осадок газа при его охлаждении.
При работе двигателей внутреннего сгорания образуются также особо мелкие частицы - пыль. Она состоит главным образом из частиц полициклических углеводородов, тяжелых металлов и соединений серы. Часть фракций пыли способна проникать в легкие, другие фракции в легкие не проникают. Фракции размером более 7 мкм менее опасны, так как отфильтровываются собственной системой фильтрации человеческого организма.
Различный процент более мелких фракций (менее 7 мкм) проникают в бронхи и легочные пузырьки (альвеолы), вызывая локальное раздражение. В области легочных пузырьков растворимые компоненты попадают в кровь. Собственная система фильтрации организма справляется не со всеми фракциями мелкой пыли. Атмосферные пылевые загрязнения называют также аэрозолями. Они могут быть в твердом или жидком состоянии и в зависимости- от размеров могут иметь различный период существования. При движении мельчайшие частички могут соединяться в более крупные с относительно стабильным периодом существования в атмосфере. Такими свойствами в основном обладают частицы диаметром от 0,1 мкм до 1 мкм.
При оценке образования мелкой пыли в результате работы автомобильного двигателя следует отличать эту пыль от пыли, образующейся естественным путем: пыльцы растений, дорожной пыли, песка и многих других веществ. Нельзя недооценивать и такие источники мелкой пыли в городах, как износ тормозных колодок и шин. Так что выхлопы дизельных двигателей - не единственный «источник» пыли в атмосфере.
Синий дым возникает во время работы дизельного двигателя при температуре ниже 180°С из-за мельчайших конденсирующихся капелек масла. При температуре выше 180°С эти капельки испаряются. Несгоревшие углеводородные компоненты топлива участвуют в образовании синего дыма и при температурах от 70°С до 100°С. Большое количество синего дыма указывает на большой износ цилиндропоршневой группы, стержней и направляющих втулок клапанов. Слишком поздно выставленное начало подачи топлива также может быть причиной образования синего дыма.
Белый дым состоит из водяного пара, возникающего во время сгорания топлива и становящегося заметным при температуре ниже 70°С. Особенно характерно появление белого дыма у форкамерных и вихрекамерных дизелей после холодного запуска. Причиной белого дыма являются также несгоревшие углеводородные компоненты и конденсаты.
Углекислый газ - это бесцветный, негорючий, кисловатый на вкус газ. Иногда его ошибочно называют угольной кислотой. Плотность СO2 примерно в 1,5 раза выше плотности воздуха. Углекислый газ является составной частью выдыхаемого человеком воздуха (3-4%) При вдыхании воздуха, содержащего 4-6% СO2, у человека возникают головные боли, шум в ушах и учащение сердцебиения, а при более высоких концентрациях СO2 (8-10%) наступают приступы удушья, потеря сознания и остановка дыхания. При концентрации более 12 % наступает смерть от кислородного голодания. К примеру, горящая свеча тухнет при концентрации СO2 8-10% по объему. Хоть углекислый газ и относится к удушающим веществам, но как компонент выхлопа двигателя не считается ядовитым. Проблема в том, что углекислый газ, как показано на рисунке, значительно способствует глобальному парниковому эффекту.
Рис. Доля газов в парниковом эффекте
Вместе с ним развитию парникового эффекта способствуют метан, закись азота (веселящий газ, оксид диазота), фторуглеводороды и гексафторид серы. Углекислый газ, водяной пар и микрогазы влияют на радиационный баланс Земли. Газы пропускают видимый свет, но поглощают тепло, отражаемое от земной поверхности. Без этой теплозадерживающей способности средняя температура на поверхности Земли была бы около -15°С.
Это называется природным парниковым эффектом. При увеличении концентрации микрогазов в атмосфере растет доля поглощаемого теплового излучения и возникает дополнительный парниковый эффект. По оценкам экспертов, к 2050 году средняя температура на Земле вырастет на +4°С. Это может привести к повышению уровня моря более чем на 30 см, вследствие чего начнут таять горные ледники и полярные ледяные «шапки», изменится направление морских течений (в том числе Гольфстрима), изменятся воздушные потоки, а моря затопят огромные пространства суши. Вот к чему может привести парниковые газы, образующиеся при деятельности людей.
Суммарные антропогенные выбросы СO2 составляют 27,5 млрд т в год. При этом Германия относится к крупнейшим источникам СO2 в мире. Энергетически обусловленные выбросы СO2 составляют в среднем около миллиарда тонн в год. Это около 5% всего производимого в мире СO2. Средняя семья из 3 человек в Германии производит в год 32,1 т СO2. Выбросы СO2 можно уменьшить только путем снижения расхода энергии и топлива. Пока энергия добывается путем сжигания ископаемых носителей проблема образования чрезмерного количества углекислого газа будет сохраняться. Поэтому срочно необходим поиск альтернативных источников энергии. Автопромышленность интенсивно работает над решением этой проблемы. Однако бороться с парниковым эффектом можно только в глобальном масштабе. Даже если в пределах ЕС будет достигнут большой прогресс в снижении выбросов углекислого газа, в других странах в ближайшие годы может, напротив, произойти значительный рост количества выбросов. США с большим отрывом лидируют в производстве парниковых газов, как в абсолютном выражении, так и в пересчете на душу населения. Имея долю в населении Земли всего 4,6%, они производят 24% мировых выбросов углекислого газа. Это примерно вдвое больше, чем в Китае, доля которого в населении Земли составляет 20,6%. 130 миллионов автомобилей в США (это меньше 20% от общего числа автомобилей на планете) производят столько же углекислого газа, сколько вся промышленность Японии - четвертой страны в мире по выбросам СО2.
Без дополнительных мер по защите климата глобальные выбросы СО2 вырастут к 2020 году на 39% (относительно 2004 г.) и составят 32,4 млрд т в год. Выбросы углекислого газа в США в ближайшие 15 лет увеличатся на 13% и превысят 6 млрд т. В Китае следует ожидать увеличения выбросов СO2 на 58%, до 5,99 млрд т, а в Индии - на 107%, до 2,29 млрд т. В странах ЕС, напротив, прирост составит лишь около одного процента.
