Сейчас, благодаря СМИ, под пристальным вниманием общественности находится Планеты, а именно ее насыщение и загрязнение выхлопными газами автомобилей. Особенно внимательно люди отслеживают и обсуждают такой растиражированный в прессе побочный результат повсеместной автомобилизации как «парниковый эффект» и вред выхлопных газов дизельных автомобилей.
Однако, как известно выхлопные газы, выхлопным газам - рознь, несмотря на то, что все они опасны для организма человека и других форм жизни на Земле. Так что делает их опасными? И что отличает их друг от друга? Посмотрим под микроскопом из чего состоит сизый смог вылетающий из выхлопной трубы. Углекислый газ, копоть, оксид азота и некоторые другие не менее опасные элементы.
Ученные отмечают, что экологическая обстановка во многих промышленно развитых и развивающихся странах значительной улучшилась за последние 25 лет. В основном это связано с постепенным, но неминуемым ужесточением экологических норм, а также переносом производств на другие континенты и в другие страны, в том числе в Восточную Азию. В России, Украине, и других странах СНГ, большое количество предприятий было закрыто из-за политических и экономических потрясений, что с одной стороны создало чрезвычайно сложную социально-экономическую обстановку, но в значительной мере улучшило экологические показатели этих стран.
Тем не менее, по данным ученных-исследователей, наибольшую опасность для нашей зеленой планеты представляют именно автомобили. Даже при поэтапном ужесточении норм выбросов вредных веществ в атмосферу, в связи с ростом количества автомобилей, результаты этой работы, увы, нивелируются.
Если сегментировать общую массу разнообразных транспортных средств присутствующих сейчас на планете, наиболее грязными остаются , особенно опасны автомобили с данным типом топлива превышением по оксиду азота. Несмотря на десятилетия разработок и заверения автопроизводителей о том, что они смогут сделать дизели чище, оксид азота и мелкие частицы сажи по-прежнему остаются главными врагами дизеля.
Именно в связи с данными проблемами, связанными с использованием дизельных двигателей, такие крупные немецкие города, как Штутгарт и Мюнхен в настоящее время обсуждают запрет на использование автомобилей, работающих на тяжелом топливе.
Вот исчерпывающий список вредных веществ, входящих в выхлопные газы и вред, наносимый здоровью человека при их вдыхании
Выхлопные газы
Отходящие газы - это газообразные отходы, возникающие в процессе преобразования жидкого углеводородного топлива в энергию на которой работает ДВС путем сгорания.
Бензол
Бензол содержится в небольших количествах в бензине. Бесцветная, прозрачная, легко подвижная жидкость.
Как только вы заполняете бак своего автомобиля бензином, первое с первым опасным для здоровья веществом, с которым вы будете контактировать, - это именно бензол, испаряющийся из бака. Но наиболее опасен бензол при сгорании топлива.
Бензол является одним из тех веществ, которые могут вызывать рак у человека. Тем не менее, решающее сокращение в воздухе опасного бензола было достигнуто много лет назад с помощью трехходового катализатора.
Мелкая пыль (твердые частицы)
Этот загрязнитель воздуха является неопределенным веществом. Лучше сказать, что это комплексная смесь веществ, которая может отличаться по происхождению, форме и своему химическому составу.
В автомобилях сверхмелкий абразив присутствует в любых формах эксплуатации, скажем, при износе шин и тормозных дисков. Но наибольшую опасность представляет сажа . Ранее этим неприятным моментом в эксплуатации страдали исключительно дизельные двигатели. Благодаря установке фильтров твердых частиц ситуация значительно улучшилась.
Теперь схожая проблема появилась и бензиновых моделей, поскольку они все чаще используют системы прямого впрыска топлива, что приводит к побочному производству еще более мелких твердых частиц, чем у дизельных двигателей.
Однако, по данным ученных исследующих природу проблемы, всего 15% мелкой пыли, осаждающейся в легких, производят автомобили, источником опасного явления может быть любая деятельность человека, от сельского хозяйства, до лазерных принтеров, каминов и конечно же сигарет.
Здоровье жителей мегаполисов
Фактическая нагрузка на организм человека от выхлопных газов зависит от объема трафика и погодных условий. Тот, кто живет на оживленной улице, подвергается воздействию оксидов азота или мелкой пыли значительно сильнее.
Выхлопные газы не одинаково опасны для всех жителей. Здоровые люди практически никак не почувствуют «газовую атаку», хотя интенсивность нагрузки от этого не снизиться, а вот состояние здоровья астматика или человека с сердечно-сосудистыми заболеваниями может значительно ухудшиться ввиду наличия выхлопных газов.
Углекислый газ (CO2)
Вредный для всего климата планеты газ неизбежно возникает при сжигании ископаемых видов топлива, таких как дизельное топливо или бензин. С точки зрения CO2 дизельные двигатели немного “чище”, чем бензиновые, потому что они в основном потребляют меньше топлива.
Для человека CO2 безвреден, но не является таковым для природы. Парниковый газ CO2 отвечает за большую часть глобального потепления. По данным Федерального Министерства окружающей среды Германии, в 2015 году доля углекислого газа в общем объеме выбросов парниковых газов составила 87,8 процента.
С 1990 года выбросы углекислого газа почти непрерывно сокращаются, в общей сложности уменьшившись на 24,3 процента. Однако, несмотря на производство все более экономичных двигателей, рост автомобилизации и увеличение грузового движения нивелирует попытки ученных и инженеров уменьшить вред. Ввиду чего выбросы углекислого газа остаются на высоком уровне.
Кстати: весь автотранспорт, скажем, Германии несет ответственность “только” за 18 процентов выбросов CO2. Более чем в два раза больше, 37 процентов, уходит на выбросы энергетики. В США картина противоположенная, там наиболее серьезный урон природе наносят именно автомобили.
Окись углерода (Co, угарный газ)
Чрезвычайно опасный побочный продукт горения. Монооксид углерода представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха. Соединение углерода и кислорода возникает при неполном сжигании углеродсодержащих веществ и является крайне опасным ядом. Поэтому качественная вентиляция в гаражах и подземных паркингах имеет важное значение для жизни их пользователей.
Даже небольшое количество окиси углерода приводит к повреждению организма, несколько минут проведенных в плохо проветриваемом гараже с работающим автомобилем может убить человека. Будьте предельно осторожны! Не прогревайте в закрытых боксах и помещениях без вентиляции!
Но насколько опасен оксид углерода на открытом воздухе? Проведённый в Баварии эксперимент показал, что в 2016 году средние значения, показанные измерительными станциями, оказались между 0,9-2,4 мг/м 3 , оказались значительно ниже предельных показателей.
Озон
Для обывателя озон не является каким-то опасным или токсичным газом. Однако, в реальности это не так.
Под воздействием солнечного света углеводороды и окись азота превращается в озон. Через дыхательные пути озон попадает в организм и приводит к повреждению клеток. Последствия, влияния озона: местное воспаление дыхательных путей, кашель и одышка. При небольших объемах озона никаких проблем с последующим восстановлением клеток организма не возникнет, но при больших концентрациях этот безобидный с виду газ может спокойно убить здорового человека. Не зря в России этот газ отнесен к самому высокому классу опасности.
С изменением климата повышается риск появления высоких концентраций озона. Ученые считают, что к 2050 году озоновая нагрузка должна резко возрасти. Для решения проблемы, окислы азота, выбрасываемые транспортом должны быть значительно сокращены. Кроме того, факторов влияния на распространение озона достаточно много, например, растворители в красках и лаках также активно способствуют возникновению проблемы.
Двуокись серы (SO2)
Это загрязняющее вещество возникает при сжигании в топливе серы. Она относится к классическим атмосферным загрязнителям, возникающим при процессе горения, на электростанциях и в промышленности. SO2 является одним из самых главных «ингредиентов» загрязняющих веществ образующих смог, также называемый “Лондон смог”.
В атмосфере диоксид серы подвергается ряду процессов преобразования, в результате чего могут возникнуть серная кислота, сульфиты и сульфаты. SO2 действует в первую очередь на слизистые оболочки глаза и верхних дыхательных путей. Что касается окружающей среды, диоксид серы может повреждать растения и вызывать окисление почвы.
Оксиды Азота (NOx)
Оксиды азота образуются, главным образом, в процессе сгорания в двигателях внутреннего сгорания. Дизельные автомобили считаются основным источником. Введение катализаторов и сажевых фильтров продолжает увеличиваться, так что выбросы будут заметно снижаться, но произойдет это только в будущем.
Они сопровождают нас практически повсюду – залетают к нам на кухню через форточку, преследуют в салоне автомобиля, на пешеходном переходе, в общественном транспорте… Выхлопные газы автомобилей – действительно ли они настолько опасны для человека, как это преподносят СМИ?
От общего к частному – загрязнение воздуха выхлопными газами
Периодически в крупных городах из-за нависшего смога не видно даже неба. Власти Парижа, например, в такие дни пытаются ограничить выезд автомобилей – сегодня едут владельцы машин с четными номерами, а завтра с нечетными… Но как только подует свежий ветер и разнесет скопившиеся газы, на дорогу снова выпускают всех, пока новая волна смога не накроет город так, что туристы не разглядят Эйфелеву башню. Во многих крупных городах именно автомобили являются главными загрязнителями воздуха, хотя в глобальном плане уступают лидерство промышленности. Только сфера производства энергии из нефтепродуктов и органики выбрасывает в атмосферу в два раза больше углекислого газа, чем все автомобили, вместе взятые.
Плюс ко всему, по подсчетам экологов, человечество вырубает ежегодно столько леса, сколько хватило бы на переработку всего СО 2 , попадающего в атмосферу из выхлопной трубы.
То есть, как ни крути, но загрязнение атмосферы выхлопными газами автомобилей – в глобальном масштабе лишь одно из звеньев губительной для нашей планеты системы потребления. Однако попробуем перейти от общего к частному – что ближе к нам, какой-то завод на краю географии, или автомобиль? «Железный конь» – по большому счету, наш персональный генератор выхлопных «прелестей», который вот здесь и сейчас продолжает это делать. Причем вредит он, прежде всего, нам самим. Многие водители жалуются на сонливость и ищут способ, даже не подозревая, что нехватка сил и бодрости происходит из-за вдыхания выхлопов!
Вред выхлопных газов – все настолько плохо?
Всего в выхлопных газах содержится более 200 разных химических формул. Это и безвредные для организма азот, кислород, вода и тот же углекислый газ, и токсичные канцерогены, увеличивающие риск заболевания серьезными недугами вплоть до образования злокачественных опухолей. Однако это в перспективе, самым же опасным веществом, которое способно повлиять на наше здоровье здесь и сейчас, является угарный газ CO, продукт неполного сгорания топлива. Этот газ мы не можем ощутить своими рецепторами, и он неслышно и невидимо создает нашему организму маленький Освенцим – яд ограничивает доступ кислорода к клеткам организма, что в свою очередь может вызвать как обычную головную боль, так и более серьезные симптомы отравления, вплоть до потери сознания и летального исхода.
Самое ужасное состоит в том, что наибольшему отравлению подвергаются именно дети – как раз на уровне их вдоха концентрируется наибольшее количество яда. Проводимые эксперименты, в которых учитывались всевозможные факторы, выявили закономерность – дети, регулярно подверженные воздействию угарного газа и прочих продуктов «выхлопа», попросту тупеют, не говоря уже об ослабленном иммунитете и «мелких» заболеваниях вроде частой простуды. И это только верхушка айсберга – стоит ли описывать воздействие на наш организм формальдегида, бензопирена и еще 190 различных соединений
? Прагматичные британцы подсчитали, что выхлопные газы ежегодно убивают больше людей, чем гибнет в автомобильных авариях!
Выхлопные газы автомобилей – как с ними бороться?
И снова перейдем от общего к частному – можно сколько угодно обвинять мировые правительства в бездеятельности, ругать промышленных магнатов всякий раз, когда вы или члены вашей семьи болеют, но вы и только вы можете сделать что-либо пусть не для полного отказа от автомобиля, но хотя бы для уменьшения выбросов. Конечно, все мы ограничены возможностями своего кошелька, однако из перечисленных в этой статье действий, наверняка, найдется хотя бы одно, которое подойдет к исполнению вам. Только давайте договоримся – исполнять вы начнете прямо сейчас, не откладывая на призрачное завтра.
Вполне возможно, что вы можете позволить себе переход на газобаллонные двигатели – сделайте это! Если нет такой возможности, отрегулируйте двигатель, проведите . Если с двигателем все в порядке, старайтесь выбирать наиболее рациональный режим его работы. Готово? Идем дальше – используйте нейтрализаторы отработанных газов! Не позволяет кошелек? Так сэкономьте на бензине деньги – почаще гуляйте пешком, ездите в магазин на велосипеде.
Стоимость топлива настолько высока, что всего за несколько недель такой экономии вы сможете позволить себе самый лучший нейтрализатор! Оптимизируйте поездки – старайтесь выполнять как можно больше дел за один заезд, совмещайте поездки с вашими соседями или коллегами. Действуя таким образом, выполняя хотя бы одно из перечисленных условий, вы лично можете быть собой довольны – загрязнение воздуха выхлопными газами благодаря вам уменьшилось! И не думайте, что это не результат – ваши действия подобны маленьким камешкам, которые влекут за собой лавину.
Небольшой ликбез для любителей подышать из выхлопной трубы.
Отработавшие газы ДВС содержат около 200 компонентов. Период их существования длится от нескольких минут до 4 -5 лет. По химическому составу и свойствам, а также характеру воздействия на организм человека их объединяют в группы.
Первая группа. В нее входят нетоксичные вещества (естественные компоненты атмосферного воздуха).
Вторая группа. К этой группе относят только одно вещество - оксид углерода, или угарный газ (СО). Продукт неполного сгорания нефтяных видов топлива не имеет цвета и запаха, легче воздуха. В кислороде и на воздухе оксид углерода горит голубоватым пламенем, выделяя много теплоты и превращаясь в углекислый газ.
Оксид углерода обладает выраженным отравляющим действием. Оно обусловлено его способностью вступать в реакцию с гемоглобином крови, приводя к образованию карбоксигемоглобина, который не связывает кислород. Вследствие этого нарушается газообмен в организме, появляется кислородное голодание и возникает нарушение функционирования всех систем организма. Отравлению угарным газом часто подвержены водители автотранспортных средств при ночевках в кабине с работающим двигателем или при прогреве двигателя в закрытом гараже. Характер отравления оксидом углерода зависит от его концентрации в воздухе, длительности воздействия и индивидуальной восприимчивости человека. Легкая степень отравления вызывает пульсацию в голове, потемнение в глазах, повышенное сердцебиение. При тяжелом отравлении сознание затуманивается, возрастает сонливость. При очень больших дозах угарного газа (свыше 1 %) наступают потеря сознания и смерть.
Третья группа. В ее составе оксиды азота, главным образом NO -оксид азота и NO 2 - диоксид азота. Это газы, образующиеся в камере сгорания ДВС при температуре 2800 °С и давлении около 10 кгс/см 2 . Оксид азота - бесцветный газ, не взаимодействует с водой и мало растворим в ней, не вступает в реакции с растворами кислот и щелочей. Легко окисляется кислородом воздуха и образует диоксид азота. При обычных атмосферных условиях NO полностью превращается в NO 2 -газ бурового цвета с характерным запахом. Он тяжелее воздуха, поэтому собирается в углублениях, канавах и представляет большую опасность при техническом обслуживании транспортных средств.
Для человеческого организма оксиды азота еще более вредны, чем угарный газ. Общий характер воздействия меняется в зависимости от содержания различных оксидов азота. При контакте диоксида азота с влажной поверхностью (слизистые оболочки глаз, носа, бронхов) образуются азотная и азотистая кислоты, раздражающие слизистые оболочки и поражающие альвеолярную ткань легких. При высоких концентрациях оксидов азота (0,004 - 0,008 %) возникают астматические проявления и отек легких. Вдыхая воздух, содержащий оксиды азота в высоких концентрациях, человек не имеет неприятных ощущений и не предполагает отрицательных последствий. При длительном воздействии оксидов азота в концентрациях, превышающих норму, люди заболевают хроническим бронхитом, воспалением слизистой желудочно-кишечного тракта, страдают сердечной слабостью, а также нервными расстройствами.
Вторичная реакция на воздействие оксидов азота проявляется в образовании в человеческом организме нитритов и всасывании их в кровь. Это вызывает превращение гемоглобина в метагемоглобин, что приводит к нарушению сердечной деятельности.
Оксиды азота оказывают отрицательное воздействие и на растительность, образуя на листовых пластинах растворы азотной и азотистой кислот. Этим же свойством обусловлено влияние оксидов азота на строительные материалы и металлические конструкции. Кроме того, они участвуют в фотохимической реакции образования смога.
Четвертая группа. В эту наиболее многочисленную по составу группу входят различные углеводороды, то есть соединения типа С x Н y . В отработавших газах содержатся углеводороды различных гомологических рядов: парафиновые (алканы), нафтеновые (цикланы) и ароматические (бензольные), всего около 160 компонентов. Они образуются в результате неполного сгорания топлива в двигателе.
Несгоревшие углеводороды являются одной из причин появления белого или голубого дыма. Это происходит при запаздывании воспламенения рабочей смеси в двигателе или при пониженных температурах в камере сгорания.
Углеводороды токсичны и оказывают неблагоприятное воздействие на сердечно-сосудистую систему человека. Углеводородные соединения отработавших газов, наряду с токсическими свойствами, обладают канцерогенным действием. Канцерогены - это вещества, способствующие возникновению и развитию злокачественных новообразований.
Особой канцерогенной активностью отличается ароматический углеводород бенз-а-пирен С 20 H 12 , содержащийся в отработавших газах бензиновых двигателей и дизелей. Он хорошо растворяется в маслах, жирах, сыворотке человеческой крови. Накапливаясь в организме человека до опасных концентраций, бенз-а-пирен стимулирует образование злокачественных опухолей.
Углеводороды под действием ультрафиолетового излучения Солнца вступают в реакцию с оксидами азота, в результате образуются новые токсичные продукты - фотооксиданты, являющиеся основой "смога".
Фотооксиданты биологически активны, оказывают вредное воздействие на живые организмы, ведут к росту легочных и бронхиальных заболеваний людей , разрушают резиновые изделия, ускоряют коррозию металлов, ухудшают условия видимости.
Пятая группа. Ее составляют альдегиды - органические соединения, содержащие альдегидную группу -СHO , связанную с углеводородным радикалом (СН 3 , С 6 Н 5 или др.).
В отработавших газах присутствуют в основном формальдегид, акролеин и уксусный альдегид.Наибольшее количество альдегидов образуется на режимах холостого хода и малых нагрузок , когда температуры сгорания в двигателе невысокие.
Формальдегид НСНО - бесцветный газ с неприятным запахом, тяжелее воздуха, легко растворимый в воде. Он раздражает слизистые оболочки человека, дыхательные пути, поражает центральную нервную систему. Обуславливает запах отработавших газов, особенно у дизелей.
Акролеин СН 2 =СН-СН=O, или альдегид акриловой кислоты, - бесцветный ядовитый газ с запахом подгоревших жиров. Оказывает воздействие на слизистые оболочки.
Уксусный альдегид СН 3 СНО - газ с резким запахом и токсичным действием на человеческий организм.
Шестая группа. В нее выделяют сажу и другие дисперсные частицы (продукты износа двигателей, аэрозоли, масла, нагар и др.). Сажа - частицы твердого углерода черного цвета, образующиеся при неполном сгорании и термическом разложении углеводородов топлива. Она не представляет непосредственной опасности для здоровья человека, но может раздражать дыхательные пути. Создавая дымный шлейф за транспортным средством, сажа ухудшает видимость на дорогах.Наибольший вред сажи заключается в адсорбировании на ее поверхности бенз-а-пирена , который в этом случае оказывает более сильное негативное воздействие на организм человека, чем в чистом виде.
Седьмая группа. Представляет собой сернистые соединения - такие неорганические газы, как сернистый ангидрид, сероводород, которые появляются в составе отработавших газов двигателей, если используется топливо с повышенным содержанием серы. Значительно больше серы присутствует в дизельных топливах по сравнению с другими видами топлив, используемых на транспорте.
Для отечественных месторождений нефти (особенно в восточных районах) характерен высокий процент присутствия серы и сернистых соединений. Поэтому и получаемое из нее дизельное топливо по устаревшим технологиям отличается более тяжелым фракционным составом и вместе с тем хуже очищено от сернистых и парафиновых соединений. Согласно европейским стандартам, введенным в действие в 1996 году, содержание серы в дизельном топливе не должно превышать 0,005 г/л, а по российскому стандарту - 1,7 г/л. Наличие серы усиливает токсичность отработавших газов дизелей и является причиной появления в них вредных сернистых соединений.
Сернистые соединения обладают резким запахом, тяжелее воздуха, растворяются в воде. Оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки горла, носа, глаз человека, могут привести к нарушению углеводного и белкового обмена и угнетению окислительных процессов, при высокой концентрации (свыше 0,01 %) - к отравлению организма. Сернистый ангидрид губительно воздействует и на растительный мир.
Восьмая группа. Компоненты этой группы - свинец и его соединения - встречаются в отработавших газах карбюраторных автомобилей только при использовании этилированного бензина, имеющего в своем составе присадку, повышающую октановое число. Оно определяет способность двигателя работать без детонации. Чем выше октановое число, тем более стоек бензин против детонации. Детонационное сгорание рабочей смеси протекает со сверхзвуковой скоростью, что в 100 раз быстрее нормального. Работа двигателя с детонацией опасна тем, что двигатель перегревается, мощность его падает, а срок службы резко сокращается. Увеличение октанового числа бензина способствует снижению возможности наступления детонации.
В качестве присадки, повышающей октановое число, используют антидетонатор - этиловую жидкость Р-9. Бензин с добавлением этиловой жидкости становится этилированным. В состав этиловой жидкости входят собственно антидетонатор - тетраэтилсвинец РЬ(С 2 Н 5) 4 , выноси-тель - бромистый этил (ВгС 2 Н 5) и α-монохлорнафталин (C 10 H 7 Cl), наполнитель - бензин Б-70, антиокислитель - параоксидифениламин и краситель. При сгорании этилированного бензина выноситель способствует удалению свинца и его оксидов из камеры сгорания, превращая их в парообразное состояние. Они вместе с отработавшими газами выбрасываются в окружающее пространство и оседают вблизи дорог.
В придорожном пространстве примерно 50 % выбросов свинца в виде микрочастиц сразу распределяются на прилегающей поверхности. Остальное количество в течение нескольких часов находится в воздухе в виде аэрозолей, а затем также осаждается на землю вблизи дорог. Накопление свинца в придорожной полосе приводит к загрязнению экосистем и делает близлежащие почвы непригодными к сельскохозяйственному использованию. Добавление к бензину присадки Р-9 делает его высокотоксичным. Разные марки бензина имеют различное процентное содержание присадки. Чтобы различать марки этилированного бензина, их окрашивают, добавляя в присадку разноцветные красители. Неэтилированный бензин поставляется без окрашивания (табл. 9).
В развитых странах мира применение этилированного бензина ограничивается или уже полностью прекращено. В России он еще находит широкое применение. Однако ставится задача отказаться от его использования. Крупные промышленные центры и курортные местности переходят на использование неэтилированных бензинов.
Негативное воздействие на экосистемы оказывают не только рассмотренные компоненты отработавших газов двигателей, выделенные в восемь групп, но и сами углеводородные топлива, масла и смазки. Обладая большой способностью к испарению, особенно при повышении температуры, пары топлив и масел распространяются в воздухе и отрицательно влияют на живые организмы.
В местах заправки транспортных средств топливом и маслом происходят случайные разливы и намеренные сливы отработанного масла прямо на землю или в водоемы. На месте масляного пятна длительное время не произрастает растительность. Нефтепродукты, попавшие в водоемы, губительно воздействуют на их флору и фауну.
Печатается с некоторыми сокращениями по книге Павлова Е. И. Экология транспорта. Подчеркивания и выделение - мои.
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.
8.2. Снижение выбросов двигателей внутреннего сгорания
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.
Выбросы выхлопных газов автомобилей являются одной из основных проблем современного мира, и особенно крупных городов. Состав этих выхлопов, их влияние на э...
От Masterweb
12.05.2018 23:00В результате работы двигателя внутреннего сгорания, которым оснащен каждый современный автомобиль, происходит сгорание гидрокарбонатного топлива, и в атмосферу выбрасывается огромное количество разнообразных химических соединений. Начиная с середины 60-х годов прошлого века выброс выхлопных газов стал волновать многих людей. С этого момента начинается борьба человечества за максимально возможное сокращение этих выбросов.
Проблема, связанная с парниковым эффектом
Климатические изменения на глобальном уровне являются одной из важных особенностей XXI века. Во многом эти изменения обусловлены деятельностью человечества, в частности, в последние десятилетия значительно увеличились выбросы парниковых газов в атмосферу. Основным источником выбросов являются выхлопные газы автомобилей, 30 % которых являются парниковыми.
Парниковые газы существуют в естественных условиях и призваны регулировать температуру нашей голубой планеты, однако даже незначительное увеличение их количества в атмосфере может привести к серьезным глобальным последствиям.
Самым опасным парниковым газом является CO2, или углекислый газ. На его долю приходятся около 80 % всех выбросов, большая часть которых связана с сжиганием топлива в двигателях автомобилей. Углекислый газ остается длительное время в атмосфере в активном состоянии, что увеличивает его опасность.
Автомобиль - главный загрязнитель атмосферы
Одним из основных источников углекислого газа являются выхлопы автомобилей. Помимо CO2 они выбрасывают в атмосферу угарный газ CO, остатки углеводородов, окислы азота, соединения серы и свинца, а также твердые частицы. Все эти соединения в огромных количествах попадают в воздух, приводят к глобальному увеличению температуры и появлению серьезных болезней у людей, живущих в крупных городах.
Кроме того, разные автомобили выбрасывают выхлопные газы различного состава, все зависит от типа используемого горючего, например бензин или дизельное топливо. Так, при сгорании бензина возникает целый букет химических соединений, которые состоят в основном из угарного газа, оксидов азота, углеводородов и соединений свинца. Выхлопы дизельных двигателей содержат сажу, которая приводит к образованию смога, несгоревшие углеводороды, окислы азота и серный ангидрид.
Таким образом, вред выхлопных газов для окружающей среды несомненен. В настоящее время ведется работа по уменьшению количества выбросов каждым авто, а также замена использования бензина альтернативными и более экологичными источниками энергии, например солнечной или ветровой энергией. Большое внимание уделяется водородному топливу, результатом сгорания которого является обычный водяной пар.
Влияние выбросов на здоровье человека
Вред, который наносят выхлопные газы здоровью человека, может быть очень серьезным.
В первую очередь опасен угарный газ, который вызывает потерю сознания и даже смерть, если его концентрация в атмосфере повышена. Помимо него вредны окислы серы и соединения свинца, которые вылетают в большом количестве из выхлопной трубы авто. Сера и свинец известны своим сильным отравляющим действием и могут оставаться в организме длительное время.
Углеводороды и частички сажи, которые также попадают в атмосферу в результате частичного сгорания топлива в двигателе, способны вызвать тяжелые заболевания дыхательной системы, включая развитие злокачественных опухолей.
Постоянное и продолжительное действие выхлопных газов на организм приводит к ослаблению иммунитета человека, бронхиту. Вред наносится кровеносным сосудам и нервной системе.
Выхлопные газы автомобилей
В настоящее время во всех странах мира автомобили проходят обязательную проверку на соответствие установленным экологическим стандартам. В большинстве случаев называют следующие выхлопные газы, вред экологии от которых является максимальным:
- монооксид углерода и углекислый газ;
- различные остатки углеводородов.
Однако современные стандарты развитых стран мира также предъявляют требования по уровню выбрасываемых в атмосферу окислов азота и к системе контроля процесса испарения горючего из топливного бака.
Углекислый газ (CO)
Из всех загрязнителей окружающей среды самым опасным является углекислый газ, поскольку он не обладает ни цветом, ни запахом. Вред для здоровья выхлопного газа автомобилей значителен, так, его концентрация в воздухе всего 0,5 % способна вызвать у человека потерю сознания и последующую смерть в течение 10-15 минут, а такая концентрация, как 0,04 %, приводит к возникновению головной боли.
Этот продукт работы двигателя внутреннего сгорания образуется в большом количестве, когда бензиновая смесь является богатой углеводородами и бедной кислородом. В этом случае происходит неполное сгорание топлива и образуется CO. Проблема может быть решена путем правильной настройки карбюратора, заменой или очисткой грязного воздушного фильтра, регулировкой клапанов, впрыскивающих горючую смесь, и некоторыми другими мера.
Выделяется большое количество CO в выхлопных газах в процессе прогрева автомобиля, поскольку его двигатель является холодным и сжигает частично бензиновую смесь. Поэтому прогрев автомобиля следует осуществлять в хорошо проветриваемом помещении либо на открытом воздухе.
Углеводороды и органические масла
Углеводороды, которые не догорают в двигателе, а также испарившиеся органические масла являются веществами, которые определяют основной вред выхлопных газов автомобилей для окружающей среды. Сами по себе эти химические соединения не представляют опасности, однако, попадая в атмосферу, они вступают в реакцию с другими веществами под действием солнечных лучей, и полученные соединения вызывают резь в глазах, затрудняют дыхание. Кроме того, углеводороды являются основной причиной смога в крупных городах.
Снижение количества углеводородов в выхлопных газах достигается путем настройки карбюратора так, чтобы он готовил и не бедную, и не богатую смесь, а также постоянным контролем надежности компрессионных колец в цилиндрах двигателя и регулировкой свечей зажигания. Полное сжигание углеводородов приводит к образованию углекислого газа и паров воды, которые являются безобидными веществами как для экологии, так и для человека.
Оксиды азота
Около 78 % атмосферного воздуха состоит из азота. Он является достаточно инертным газом, но при температурах сжигания топлива выше 1300 °C азот расщепляется на отдельные атомы и вступает в реакцию с кислородом, образуя различного типа оксиды.
Вред выхлопных газов для здоровья человека также связан с этими оксидами. В частности, сильнее всего страдает дыхательная система. При больших концентрациях и продолжительном действии оксиды азота могут вызвать головные боли и острый бронхит. Вредны оксиды и для окружающей среды. Попав в атмосферу, они образуют смог и разрушают озоновый слой.
Для снижения выбросов оксидов азота применяют в автомобилях специальную систему рециркуляции выбросов газов, принцип работы которой заключается в поддержании температуры двигателя ниже порога образования этих оксидов.
Испарение топлива
Простое испарение топлива из бака может стать одним из серьезных источников загрязнения окружающей среды. В связи с этим последние несколько десятилетий изготавливают специальные баки, конструкция которых призвана решать данную проблему.
Бак с топливом должен также "дышать". Для этого придумана специальная система, которая заключается в том, что сама полость бака соединена с помощью шлангов с резервуаром, который заполнен активированным углем. Этот уголь способен поглощать возникающие пары топлива, когда двигатель автомобиля не работает. Как только двигатель заводится, открывается соответствующее отверстие и в двигатель поступают поглощенные углем пары для их сжигания.
За работоспособностью всей этой системы из бака и шлангов нужно постоянно следить, поскольку в них может возникать утечка паров горючего, которые будут загрязнять окружающую среду.
Решение проблемы выбросов в крупных городах
В крупных современных городах сосредоточены десятки тысяч заводов, проживают миллионы людей и по улицам ездят сотни тысяч автомобилей. Все это сильно загрязняет атмосферу, что стало основной проблемой XXI века. Для ее решения городские власти вводят ряд административных и мер.
Так, в 2003 году в Лондоне был принят протокол против загрязнения автомобильным транспортом окружающей среды. Согласно этому протоколу с водителей, которые ездят через центральные районы города, взимается дополнительная плата в размере 10 фунтов стерлингов. В 2008 году лондонские власти утвердили новый закон, который стал более эффективно регулировать перемещение грузового транспорта, автобусов и личных авто по центральной части города, установив для них верхний скоростной порог. Эти меры привели к сокращению содержания вредных газов в атмосфере над Лондоном на 12 %.
Начиная с 2000-х годов подобные меры были приняты во многих городах-миллионниках. Среди них следующие:
- Токио;
- Берлин;
- Афины;
- Мадрид;
- Париж;
- Стокгольм;
- Брюссель и другие.
Противоположный эффект закона против загрязнения
Борьба с выхлопными газами автомобилей не является простой задачей, что ярко демонстрирует пример двух самых грязных городов на планете: Мехико и Пекина.
С 1989 года в столице Мексики действует закон, согласно которому запрещается использовать личный автомобиль по определенным дням недели. В первое время этот закон стал приносить положительные результаты и выбросы газов сократились, однако через некоторое время жители начали приобретать вторые подержанные автомобили, благодаря чему они стали ездить каждый день на личном транспорте, заменяя одно авто другим в течение недели. Такая ситуация ухудшила еще сильнее состояние городской атмосферы.
Подобная ситуация наблюдается и в столице Китая. По данным 2015 года, около 80 % жителей Пекина располагают несколькими автомобилями, позволяющими им перемещаться каждый день на них. Кроме того, в этом мегаполисе фиксируется огромное количество нарушений закона против загрязнения.
Улица Киевян, 16 0016 Армения, Ереван +374 11 233 255
