Загрязнение атмосферы выбросами транспорта - реферат. Загрязняющие вещества от выхлопов газа автомобильного транспорта Методика выбросов от автотранспорта

Одним из мощных источников загрязнения городской воздушной среды является автомобильный транспорт, увеличение численности которого привело к насыщению городов легковыми автомобилями и переключению на них большей части пассажирских перевозок. Это резко ухудшает санитарные условия проживания в крупных городах: автомобиль не только загрязняет воздушную среду и создает шум, но, перевозя небольшое число пассажиров и работая на наиболее ценных видах топлива, использует его недостаточно эффективно. В связи с этим возникла необходимость разработки ряда мероприятий, позволяющих предотвратить загрязнение окружающей среды от автотранспорта.

С целью снижения негативного воздействия автотранспорта на атмосферный воздух в рамках представленной классификационной схемы (рис. 3) предусмотрены организационные (архитектурно-планировочные), технологические и специальные инженерно-экологические мероприятия.

Организационные мероприятия включают специальные приемы застройки и озеленение автомагистралей, размещение жилой застройки по принципу зонирования (в первом эшелоне застройки - от магистрали - размешаются здания пониженной этажности, затем - дома повышенной этажности и в глубине застройки - детские и лечебно-оздоровительные учреждения. Тротуары, жилые, торговые и общественные здания изолируются от проезжей части улиц с напряженным движением многорядными древесно-кустарниковыми посадками). Важное значение имеют сооружение транс-портных развязок, кольцевых дорог, использование подземного пространства для размещения гаражей и автостоянок.

Наибольший выброс выхлопных газов имеет место при задержках машин у светофоров, при стоянке с не выключенным двигателем в ожидании зеленого света, при трогании с места и форсировании работы мотора. Поэтому в целях снижения выбросов необходимо устранить препятствия на пути свободного движения потока автомашин. В частности, сооружают специальные автомагистрали, не пересекающиеся на одном уровне с движением машин или пешеходов, специальные переходы для пешеходов на всех пунктах скопления машин, а также эстакады или тоннели для разгрузки перекрывающихся потоков транспорта.

Для снижения загазованности воздушной среды необходимо ограничить количество вредных веществ, выделяемых каждым автомобилем, т.е. установить нормы выброса токсичных веществ с выхлопными газами. Соответствие автомобилей указанным стандартам (в частности, по содержанию оксида углерода и углеводородов в выхлопных газах) проверяют инспектора ГИБДД.

В качестве технологических мероприятий, которые могут резко снизить токсичность выхлопных газов, можно выделить следующие:

Регулировка двигателей;

Изменение состава топлива;

Использование энергии торможения;

Перевод автомобилей на сжиженный газ;

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания;

Применение альтернативных видов топлива;

Внедрение гибридных двигателей;

Внедрение в эксплуатацию электромобилей, солнечных автомобилей, а также применение электрического транспорта и др.

Изменение состава топлива. Известно, что в целях предотвращения детонации горючего в двигателях автомашин в него добавляют тетраэтилсвинец , который делает выхлопные газы особо токсичными. Поэтому большие усилия были затрачены на замену указанного вещества на менее опасные, а также на получение стойкого к детонации бензина. При введении в топливо т.н. присадок можно существенно уменьшить количество некоторых токсичных веществ: сажи, альдегидов , оксида углерода и других. Так, для карбюраторных, двигателей самым эффективным оказались смеси различных спиртов.

Использование энергии торможения. Заметного сокращения расхода энергии, а значит, количества сжигаемого топлива и уменьшения загрязнения воздушной среды можно достичь, если использовать энергию, затрачиваемую на торможение. Указанная рекуперация была впервые успешно реализована на электрическом транспорте. Ныне были построены и успешно использованы на автобусах маховичный и гидропневматический рекуператоры. При этом экономия топлива составила 27-40%. объем выхлопных газов снизился на 39-49%.

Перевод автомобилей на сжиженный газ приводит к тому, что в выхлопе газобаллонных автомобилей содержится в 3-4 раза меньше оксида углерода, нежели в выхлопе бензиновых двигателей. При загрузке в баллоны 300 л сжиженного газа автобус способен пройти без заправки до 500 км. Если добавить к этому, что газ дешевле бензина, то достоинства газобаллонного автомобиля становятся еще более наглядными.

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания. Например, в США разработан карбюратор с раздельным смесеобразованием. Он позволяет кроме обычной смеси получать обогащенную, которая подается в специальную предкамеру со свечой зажигания. Благодаря этому происходит полное сгорание рабочей смеси, что, в свою очередь, позволяет свести до минимума содержание оксида углерода и углеводородов в выхлопных газах. Создан карбюратор, благодаря которому возможно использовать низкооктановые сорта бензина без антидетонационных добавок. В этом устройстве, со-стоящем из теплообменника, смесителя и реактора, бензин не только распыляется, но и расщепляется с помощью катализатора на более простые газы, например метан .

Во многих странах мира разрабатываются новые, более совершенные двигатели, которые можно устанавливать на серийных автомобилях. В частности, указывают на перспективность роторно-поршневого двигателя Ванкеля, который компактнее поршневых двигателей: объем в среднем на 30%, а масса на 11 % меньше.

Альтернативное топливо. Весьма перспективным заменителем традиционного топлива для автомобилей является водород. Двигатель, работающий на жидком водороде , не дает никаких запахов, не выделяет таких токсичных веществ, как свинец, оксиды азота, углерода. Жидкий водород почти в десять раз легче бензина. На одном из международных автомобильных конкурсов первое место занял «Фольксваген», для которого топливом служил водород. Интересно, что его отработанные газы были чище городского воздуха, который засасывался в карбюратор.

Признаётся перспективным автомобиль с размещенным на его шасси химическим реактором, в котором вырабатывается водород из углеводородов. Расчеты показали, что иметь такой реактор на машине экономичнее, нежели возить это топливо в специальных баллонах.

Преградами на пути широкого внедрения водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей является сложность получения его в достаточно больших количествах и необходимость обеспечения высокого уровня безопасности при осуществлении процесса горения водорода.

К другим видам альтернативного топлива можно отнести этиловый и метиловый спирты и их смеси. В США создан двигатель, в котором вместо бензина используется жидкий азот. Бак с охлажденным до жидкого состояния азотом соединен с испарителем, окруженным «рубашкой», в которой циркулирует воздух. Жидкий азот , попадая в испаритель, превращается вследствие быстрого повышения температуры в газ, который выходит под большим давлением из испарителя и приводит в действие электрогенератор. Вырабатываемый последним ток после выпрямления подается для питания электродвигателей, установленных на колесах. Выхлопные газы такого автомобиля состоят из чистого азота, который, естественно, не загрязняет атмосферу.

Перспективно широкое внедрение так называемых гибридных двигателей: в городе при относительно небольших скоростях должен использоваться только электромотор, питающийся от небольших батарей и обеспечивающий запас хода на 40-50 км, а при выезде за город должен включаться обычный двигатель. Одновременно электромотор может быть использован как генератор для подзарядки аккумулятора.

Электромобили. Весьма перспективным является проект массового перехода от автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями на электромобили, которые действуют от батарей - аккумуляторов, подзаряжаемых на станциях.

Электромобили бездымны, бесшумны, их выделения нетоксичны, они просты в управлений, а эксплуатация значительно экономичнее, особенно в городах. Этому способствует относительно небольшой среднесуточный пробег автомобилей в городе, ограничение скорости и возможность организации сети зарядных станций для батарей - аккумуляторов. Сейчас в мире эксплуатируется сотни тысяч электромобилей различного назначения, и парк их непрерывно растет.

Дальнейшие успехи в разработке электромобилей в основном, будут зависеть от решения ряда технических проблем (создания компактных, недорогих и легких аккумуляторов, разработка быстродействующих зарядных устройств). Укажем также на необходимость резкого уве-личения резервных мощностей электростанций, поскольку они недостаточны, если потребуется в перспективе ежедневная подза-рядка многих миллионов электромобилей.

Солнечный автомобиль использует солнечную (или световую) энергию, которая улавливается при помощи специальных солнечных батарей . Электромобиль на спиральных гидридно-никелевых батареях прошел несколько лет назад без подзарядки 601 км.

Как же побыстрее и подешевле создать массовый экологически чистый автомобиль? Прежде всего, считают специалисты, необходимо усовершенствовать существующие конструкции: постараться уменьшить расход топлива, само топливо сделать, более приемлемым с точки зрения чистоты выхлопов, добиться снижения сопротивления воздуха, так как оно при больших скоростях современных автомобилей отбирает большую долю энергии. Можно ис-пользовать новые, например, керамические материалы для двигателей, чтобы повысить их КПД (из-за достижения более высоких температур), что приведет к снижению потребления топлива и, соответственно, к уменьшению загрязнения атмосферного воздуха. Начиная с 1998 г. компании «Дженерал моторе», «Форд» и «Крайслер» начали реализовывать программу выпуска экологичных автомобилей.

Улучшению качества атмосферного воздуха в сочетании со снижением шума способствует применение электрического транспорта (трамвая, троллейбуса).

Специальными инженерно-техническими мероприятиями, снижающими выбросы токсичных веществ от автотранспорта как основного передвижного источника, дающего наибольший вклад в загрязнение атмосферы, является применение нейтрализаторов, катализаторов.

Нейтрализаторы выхлопных газов. К настоящему времени выпускаются нейтрализаторы следующих видов: каталитические (используются твердые катализаторы), пламенные (дожигание примесей в открытом пламени), термические (метод беспламенного окисления) и жидкостные (с помощью химического связывания примесей жидкими реагентами). При этом широкое распространение получили каталитические нейтрализаторы, которые превращают токсичный оксид углерода в малоопасный диоксид.

Экологические требования к современному автомобилю являются в настоящее время приоритетными. Экологическая безопасность - это свойство автомобиля снижать негативные последствия влияния эксплуатации автомобиля на участников движения и окружающую среду. Она направлена на снижение токсичности отработанных газов, уменьшение шума, снижение радиопомех при движении автомобиля. Несмотря на многочисленные попытки заменить двигатель внутреннего сгорания каким-либо другим, не выделяющим токсичные вещества, альтернативы ему пока нет. А если принципиально новый двигатель и появится, то переналадка производства для его крупносерийного выпуска потребует грандиозных капиталовложений и произойдет далеко не сразу. Вместе с тем уже сейчас человечество подошло к той черте, когда без экологически чистого автомобиля просто не обойтись. И выход пока видится один - надо если не полностью исключить, то во всяком случае свести к минимуму вредные выбросы ДВС.

Основными источниками загрязнения воздушной среды автомобилей являются отработавшие газы ДВС, картерные газы, топливные испарения.

Как образуются доставляющие всем столько хлопот вредные вещества в отработавших газах? Известно, что топливо сгорает в камере при взаимодействии с кислородом воздуха. Этот процесс сопровождается интенсивным выделением тепла, которое и преобразуется в работу. Теоретически для сгорания 1 кг бензина требуется 14,7 кг воздуха, однако на практике этого количества оказывается недостаточно. Дело в том, что воспламенение и сгорание бензино-воздушной смеси (ее еще называют горючей) длится тысячные доли секунды, и к такому быстрому процессу она недостаточно хорошо подготовлена. В смеси остаются газы от предыдущего цикла, препятствующие доступу кислорода к частицам топлива; кроме того, не удается добиться ее идеального перемешивания по объему цилиндра, особенно у непрогретого двигателя и на переходных режимах. В результате не все топливо окисляется до конечных продуктов, и для нормального протекания процесса сгорания его приходится добавлять. Если в горючей смеси количество топлива больше расчетного, смесь называется богатой, если меньше - бедной. При средних нагрузках главное внимание обращается на экономичность, поэтому в камеру сгорания подается несколько обедненная смесь. При небольшом обогащении смеси скорость ее сгорания увеличивается, в камере развиваются более высокие температура и давление. Для максимальных нагрузок или резкого перехода с малой нагрузки на большую требуется богатая смесь. Большое количество топлива подается в цилиндры и при пуске холодного двигателя, когда горючую смесь образуют только самые легкие фракции топлива. В этих случаях из-за недостатка кислорода топливо сгорает не полностью. Двигатель хотя и развивает большую мощность, но работает не экономично и выбрасывает в атмосферу токсичные продукты неполного сгорания.

Наиболее токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей являются: оксид углерода (СО), оксиды азота (NОx), углеводороды (СnHm), а в случае применения этилированного бензина - свинец. Состав выбросов дизельных двигателей отличается от бензиновых. В дизельном двигателе происходит более полное сгорание топлива. При этом образуется меньше окиси углерода и несгоревших углеводородов. Но, вместе с этим, за счет избытка воздуха в дизеле образуется большее количество оксидов азота. Дизельные двигатели, кроме всего прочего, выбрасывают твердые частицы (сажу). Сажа, содержащаяся в выхлопе, нетоксична, но она адсорбирует на поверхности своих частиц канцерогенные углеводороды. При сгорании низкокачественного дизельного топлива, содержащего серу, образуется сернистый ангидрид.

Как же эти вредные компоненты воздействуют на человека и окружающую среду? В обычных условиях СО - бесцветный газ без запаха, он легче воздуха и поэтому может легко распространятся в атмосфере. При действии на человека СО вызывает головную боль, головокружение, быструю утомляемость, раздражительность, сонливость, боли в области сердца. Оксид азота NO - бесцветный газ, диоксид азота NO2- газ красно-бурого цвета с характерным запахом. Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта. Воздействие NO2 способствует развитию заболеваний легких. Некоторые углеводороды СН являются сильнейшими канцерогенными веществами (например,бенз(а)пирен), переносчиками которых могут быть частички сажи, содержащиеся в отработавших газах.

В скопившихся над асфальтом облаках СН и NOx под воздействием света происходят химические реакции. Разложение оксидов азота приводит к образованию озона. Вообще-то озон не стоек и быстро распадается, но только не в присутствии углеводородов (СН) - они замедляют процесс распада озона, и он активно вступает в реакции с частичками влаги и другими соединениями. Образуется стойкое облако мутного смога. Озон разъедает глаза и легкие, а выбросы NОх участвуют в формировании кислотных дождей. Автотранспорт является одним из крупнейших загрязнителей атмосферного воздуха. В России на его долю в середине 90-х годов приходилось 80% выбросов свинца, 59% - оксида углерода, 32% - оксидов азота. К числу приоритетных загрязнителей атмосферы, поступающих в городскую атмосферу с отработавшими газами автомобилей, относятся свинец, бенз(а)пирен, летучие углеводороды. На долю первого из них приходится более 50% экономического ущерба от загрязнения атмосферы автотранспортом. Содержание бенз(а)пирена, одного из сильнейших канцерогенов, в атмосфере 17-ти (из 23 перечисленных в таблице 1 городов превышает предельно-допустимые нормы. Города с превалирующим вкладом выбросов автотранспорта в валовые выбросы более 50% при величине выбросов от автотранспорта не менее 50 тыс. тонн в год и загрязнение атмосферы. Таблица 1

Автотранспорт является мощным источником загрязнения природной среды. Из 35 млн.т вредных выбросов 89% приходится на выбросы предприятий автомобильного транспорта и дорожно-строительного комплекса, 8% - на железнодорожный транспорт, около 2% - на авиатранспорт и около 1% - на водный транспорт.

Расчет проводится для следующих загрязняющих веществ: оксида углерода (СО), углеводородов (СН), оксидов азота (в пересчете на NO 2) и соединений свинца. Для дизельных двигателей дополнительно рассчитываются выбросы сажи (С).

Выброс загрязняющих веществ определяется в момент “выезда-въезда” транспорта с территории гаража (автостоянки, автотранспортного предприятия и т.д.) за территорию предприятия.

Выброс i-го вещества одним автомобилем k-той группы в день при выезде с территории предприятия M’ik и возврате M’’ik рассчитывали по формуле:

M’ik = m прik *t пр +m Lik *L 1 + m xxik *t xx1 ;

M’’ik= m Lik *L 2 +m xxik *t xx2 ,

где m прik - удельный выброс i-го вещества при прогреве двигателя автомобиля k-й группы, г/мин;

m Lik - пробеговый выброс i-го вещества при движении автомобиля по территории с относительно постоянной скоростью, г/км;

m xxik - удельный выброс i-го компонента при работе двигателя на холостом ходу, г/мин;

t пр - время прогрева двигателя, мин;

L 1 , L 2 - пробег по территории предприятия автомобилей в день при въезде (выезде), км;

t xx1 , t xx2 - время работы двигателя на холостом ходу при выезде (возврате) на территорию, мин.

Скорость движения автомобилей по территории предприятия составляет 10-20 км/ч, нагрузка практически отсутствует. Значения m прik , m Lik , m xxik для различных групп автомобилей представлены в табл. 3.1 - 3.5. Эти значения отражают не только типы автомобилей, их грузоподъемность, но и период года.

Периоды года (холодный, переходный, теплый) условно определяются по величине среднемесячной температуры. Месяцы, в которых среднемесячная температура ниже -5 С, относятся к холодному периоду, выше +5 С - к теплому, с температурой от -5 С до +5 С - к переходному. Влияние периода года учитывается только для выезжающих автомобилей.

Пробег автомобиля по территории предприятия при въезде и выезде в данном случае L 1 =L 2 , км.

Время прогрева (t пр) - 4 мин (для закрытой стоянки), а на открытой стоянке - 12 мин в холодный период, 6 мин. в переходный и 4 мин. - в теплый.

Валовой (суммарный) выброс каждого (i-го) вещества расчитывается отдельно для каждого периода года по формуле:

Mi j =  В (M’ ik +M’’ ik)*N k *D j p *10 -3 , кг,

где  В - коэффициент выпуска в смену;

N k - количество автомобилей k-й группы на предприятии;

D j p - количество рабочих дней в расчетном периоде года;

j - период года (теплый (т), холодный (х), переходный (п)).

Количество рабочих дней в расчетном периоде зависит от режима работы предприятия и длительности периодов со средней температурой ниже -5 С, от -5 С до +5 С, выше +5 С.

Для определения годового суммарного выброса массы одноименных веществ по периодам суммируются:

М i = M т i + M х i + M п i , кг.

Максимальный разовый выброс i-го вещества (Gi) расчитывается по формуле:

Gi=((m прik *t пр +m Lik *L+m xx ik *t xx)a В N k) / 60t p , г/сек,

где t p - время разъезда автомобилей, принятое равным 120 мин.

Максимальный разовый выброс расчитывали для месяца с наиболее низкой среднемесячной температурой.

Приведем пример расчета выбросов загрязняющих веществ для грузовых автомобилей грузоподъемностью 3-6 т.

Количество автомашин - 4.(№ 4 не брать)

За последние шесть лет количество выбросов от автомобильного транспорта в атмосферу выросло на 14%. Однако прирост за прошлый год не так велик - 2,5%. В Минприроды говорят о стабилизации ситуации и предлагают расширять автопарк на газомоторном топливе. Эксперты отмечают, что в стране всё еще слишком много старых машин, не соответствующих современным экологическим стандартам.

В 2017 году количество выбросов от автотранспорта достигло почти 14,5 млн т, что на 14% больше, чем в 2012-м. Только за последний год прирост составил около 350 тыс. т, или 2,5%. Такие данные приводятся в Единой межведомственной информационно-статистической системе (ЕМИСС) со ссылкой на сведения Росприроднадзора.

Ситуация различается в зависимости от конкретных загрязнителей атмосферы. Например, оксида углерода, диоксида азота, сернистого ангидрида, аммиака и сажи с 2012 года стало больше на 9–16%. В то же время содержание метана сократилось вдвое.

По данным «Автостата», с 2012 года автомобилей в стране стало больше на 13%: на конец 2012 года было 44,7 млн единиц автотранспорта (легковые, грузовые машины и автобусы), а на конец 2017-го - 50,6 млн. Число легковых автомобилей выросло на 15%, а всех остальных - только на 5%.

Автотранспорт остается одним из основных загрязнителей воздуха в крупных городах России, отметили в Минприроды. Динамику объема выбросов в министерстве оценивают положительно.

Несмотря на рост автопарка, меры правительства позволили в последнее десятилетие удержать объем выбросов от автотранспорта на уровне 13–14 млн т, – сообщили «Известиям» в пресс-службе Минприроды.

Речь идет прежде всего о том, что с 1 января 2016-го в Россию разрешено ввозить только автомобили, соответствующие «Евро-5», а с 1 июля того же года стандарт распространяется и на весь производимый в стране бензин.

В Минприроды предлагают переводить автотранспорт на газомоторное топливо.

Россия на рынке природного газа в качестве моторного топлива занимает скромное 14-е место. Российский парк автомобилей, работающих на природном газе, оценивается примерно в 120 тыс. машин. Но, являясь мировым лидером по запасам и производству газа, Россия может лидировать и по объему его использования на транспорте, - отметили в ведомстве.

Еще один путь решения проблемы Минприроды видит в развитии системы общественного и личного транспорта на электричестве и распространении гибридных автомобилей.

Пока общественный электротранспорт переживает кризис. По данным Росстата, перевозки пассажиров трамваями и троллейбусами с 2012 по 2016 год сократились на 38%.

Сдерживающие факторы для широкого внедрения электромобилей - их высокая стоимость и отсутствие зарядных устройств на парковочных местах и автозаправках, пояснили «Известиям» в Минтрансе. В ведомстве отметили, что для нормативно-правового регулирования вопроса в России создается Национальный консорциум развития электротранспорта, а также прорабатываются меры господдержки проектов внедрения электромобилей.

Эксперты говорят, что внедрение стандарта «Евро-5» пока не сыграло весомую роль в экологической ситуации.

Вклад новых авто в загрязнение атмосферы невелик. Беда в том, что у нас эксплуатируется огромное количество старых машин, - пояснил «Известиям» директор Института экономики транспорта и транспортной политики НИУ ВШЭ Михаил Блинкин.

Из всех легковых машин стандартам «Евро-5» и выше соответствуют только 13%, рассказал «Известиям» руководитель пресс-службы «Автостата» Азат Тимерханов. Машины старше 10 лет составляют 54%.

Учет вредных выбросов от автотранспорта сейчас ведется на основании сжигания моторного топлива в двигателях внутреннего сгорания, отметил завкафедрой Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета Юрий Трофименко.

Образующиеся газообразные токсичные вещества, как правило, быстро рассеиваются, не создавая опасных для людей концентраций. Кроме мелкодисперсных частиц размером менее 10 мкм, которые адсорбируют на себе канцерогенные вещества, проникающие в легкие человека. В статистике ЕМИСС они представлены только сажей, но на самом деле в результате эксплуатации авто выбрасывается более 50 наименований таких частиц. Их концентрации в крупных городах мира часто превышают предельно допустимые. Основные источники - шины и дорожное покрытие. По словам эксперта, эту проблему решить трудно, но ученые занимаются исследованиями.

Угарный газ и оксиды азота, столь интенсивно выделяемые на первый взгляд невинным голубоватым дымком глушителя автомобиля – вот одна из основных причин головных болей, усталости, немотивированного раздражения, низкой трудоспособности. Сернистый газ способен воздействовать на генетический аппарат, способствуя бесплодию и врожденным уродствам, а все вместе эти факторы ведут к стрессам, нервным проявлениям, стремлению к уединению, безразличию к самым близким людям. В больших городах также более широко распространены заболевания органов кровообращения и дыхания, инфаркты, гипертония и новообразования. По расчетам специалистов, «вклад» автомобильного транспорта в атмосферу составляет до 90% по оксиду углерода и 70 % по оксиду азота. Автомобиль также добавляет в почву и воздух тяжелые металлы и другие вредные вещества.

Основными источниками загрязнения воздушной среды автомобилей являются отработавшие газы ДВС, картерные газы, топливные испарения.

Двигатель внутреннего сгорания – это тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива преобразуется в механическую работу. По виду применяемого топлива ДВС подразделяют на двигатели, работающие на

бензине, газе и дизельном топливе. По способу воспламенения горючие смеси ДВС бывают с воспламенением от сжатия (дизели) и с воспламенением от искровой свечи зажигания.

Дизельное топливо представляет собой смесь углеводородов нефти с температурами кипения от 200 до 3500С. Дизельное топливо должно иметь определенную вязкость и самовоспламеняемость, быть химически стабильным, при сгорании иметь минимальную дымность и токсичность. Для улучшения этих свойств в топлива вводят присадки, антидымные или многофункциональные.

Образование токсичных веществ – продуктов неполного сгорания и оксидов азота в цилиндре двигателя в процессе сгорания происходит принципиально различными путями. Первая группа токсичных веществ связана с химическими реакциями окисления топлива, протекающими как в предпламенный период, так и в процессе сгорания – расширения. Вторая группа токсичных веществ образуется при соединении азота и избыточного кислорода в продуктах сгорания. Реакция образования оксидов азота носит термический характер и не связана непосредственно с реакциями окисления топлива. Поэтому рассмотрение механизма образования данных токсичных веществ целесообразно вести раздельно.

К основным токсичным выбросам автомобиля относятся:

отработавшие газы (ОГ), картерные газы и топливные испарения. Отработавшие газы, выбрасываемые двигателем, содержат оксид углерода (СО), углеводороды (СХHY), оксиды азота (NOX), бенз(а)пирен, альдегиды и сажу. Картерные газы – это смесь части отработавших газов, проникшей

через неплотности поршневых колец в картер двигателя, с парами моторного масла. Топливные испарения поступают в окружающую среду из системы питания двигателя: стыков, шлангов и т.д. Распределение основных компонентов выбросов у карбюраторного двигателя следующее: отработавшие газы содержат 95 % СО, 55 % СХHY и 98 % NOX, картерные газы по – 5 % СХHY, 2 % NOX, а топливные испарения – до 40 % СХHY.

внутреннего сгорания представлено в табл.3.1.

Таблица 3.1

Компоненты	Доля токсичного компонента в ОГ ДВС
	Карбюраторные		Дизельные
		топлива, кг		топлива, кг
Бенз(а)пирен		до 10 мкг/м3
Альдегиды
	до 0,04 г/м3

В общем случае в составе отработавших газов двигателей могут содержаться следующие нетоксичные и токсичные компоненты: О, О2, О3, С, СО, СО2, СН4, CnHm, CnHmО, NO, NO2, N, N2, NH3, HNO3, HCN, H, H2, OH, H2O.

Основными токсичными веществами – продуктами неполного сгорания

являются сажа, оксид углерода, углеводороды, альдегиды.

Вредные токсичные выбросы можно разделить на регламентированные и нерегламентированные. Они действуют на организм человека по-разному. Вредные токсичные выбросы: СО, NOX, CXHY, RXCHO, SO2, сажа, дым.

СО (оксид углерода) – этот газ без цвета и запаха, более легкий, чем воздух. Образуется на поверхности поршня и на стенке цилиндра, в котором активация не происходит вследствие интенсивного теплоотвода стенки,

плохого распыления топлива и диссоциации СО2 на СО и О2 при высоких температурах.

Во время работы дизеля концентрация СО незначительна (0,1…0,2 %).

У карбюраторных двигателей при работе на холостом ходу и малых нагрузках содержание СО достигает 5…8 % из-за работы на обогащенных

смесях. Это достигается для того, чтобы при плохих условиях смесеобразование обеспечить требуемое для воспламенения и сгорания

число испарившихся молекул.

NOX (оксиды азота) – самый токсичный газ из ОГ.

N2 (азот) – инертный газ при нормальных условиях. Активно реагирует

с кислородом при высоких температурах.

Выброс с ОГ зависит от температуры среды. Чем больше нагрузка двигателя, тем выше температура в камере сгорания, и соответственно

увеличивается выброс оксидов азота.

Кроме того, температура в зоне горения (камера сгорания) во многом зависит от состава смеси. Слишком обедненная или обогащенная смесь при горении выделяет меньшее количество теплоты, процесс сгорания

замедляется и сопровождается большими потерями теплоты в стенке, т.е. в таких условиях выделяется меньшее количество NOx, а выбросы растут, когда состав смеси близок к стехиометрическому (1 кг топлива к 15 кг воздуха). Для дизельных двигателей состав NOx зависит от угла опережения впрыска топлива и периода задержки воспламенения топлива. С увеличением угла опережения впрыска топлива удлиняется период задержки воспламенения, улучшается однородность топливовоздушной смеси, большее количество топлива испаряется, и при сгорании резко (в 3 раза) увеличивается температура, т.е. увеличивается количество NOx.

Кроме того, с уменьшением угла опережения впрыска топлива можно

существенно снизить выделение оксидов азота, но при этом значительно ухудшаются мощностные и экономические показатели.

Углеводороды (СxНy) – этан, метан, бензол, ацетилен и др. токсичные элементы. ОГ содержат около 200 разных углеводородов.

В дизельных двигателях СxНy образуются в камере сгорания из-за гетерогенной смеси, т.е. пламя гаснет в очень богатой смеси, где не хватает воздуха за счет неправильной турбулентности, низкой температуры, плохого распыления.

ДВС выбрасывает большее количество СxНy, когда работает в режиме холостого хода, за счет плохой турбулентности и уменьшения скорости сгорания.

Дым – непрозрачный газ. Дым может быть белым, синим, черным.

Цвет зависит от состояния ОГ.

Белый и синий дым – это смесь капли топлива с микроскопическим количеством пара; образуется из-за неполного сгорания и последующей

конденсации.

Белый дым образуется, когда двигатель находится в холодном состоянии, а потом исчезает из-за нагрева. Отличие белого дыма от синего определяется размером капли: если диаметр капли больше длины волны

синего цвета, то глаз воспринимает дым как белый.

К факторам, определяющим возникновение белого и синего дыма, а также его запах в ОГ, относятся температура двигателя, метод образования

смеси, топливные характеристики (цвет капли зависит от температуры ее образования: при увеличении температуры топлива дым приобретает синий цвет, т.е. уменьшается размер капли).

Кроме того, бывает синий дым от масла.

Наличие дыма показывает, что температура недостаточна для полного сгорания топлива.

Черный дым состоит из сажи.

Дым отрицательно влияет на организм человека, животных и растительность.

Сажа – представляет собой бесформенное тело без кристаллической решетки; в ОГ дизельного двигателя сажа состоит из неопределенных частице с размерами 0,3...100 мкм.

Причина образования сажи заключается в том, что энергетические

условия в цилиндре дизельного двигателя оказываются достаточными, чтобы молекула топлива разрушилась полностью. Более легкие атомы водорода диффундируют в богатый кислородом слой, вступают с ним в реакцию и как бы изолируют углеводородные атомы от контакта с кислородом.

Образование сажи зависит от температуры, давления в камере сгорания, типа топлива, отношения топливо-воздух.

Количество сажи зависит от температуры в зоне сгорания.

Существуют другие факторы образования сажи – зоны обогащенной смеси и зоны контакта топлива с холодной стенкой, а также неправильная

турбулизация смеси.

Скорость сжигания сажи зависит от размера частиц, например, сажа сжигается полностью при размере частиц меньше 0,01 мкм.

SO2 (оксид серы) – образуется во время работы двигателя из топлива, получаемого из сернистой нефти (особенно в дизелях); эти выбросы раздражают глаза, органы дыхания.

SO2,H2S – очень опасны для растительности.

Главным загрязнителем атмосферного воздуха свинцом в Российской

Федерации в настоящее время является автотранспорт, использующий этилированный бензин: от 70 до 87 % общей эмиссии свинца по различным

оценкам. РbО (оксиды свинца) – возникают в ОГ карбюраторных двигателей, когда используется этилированный бензин, чтобы увеличить октановое число для уменьшения детонации (это очень быстрое, взрывное сгорание

отдельных участков рабочей смеси в цилиндрах двигателя со скоростью распространения пламени до 3000 м/с, сопровождающееся значительным повышением давления газов). При сжигании одной тонны этилированного бензина в атмосферу выбрасывается приблизительно 0,5...0,85 кг оксидов

свинца. По предварительным данным, проблема загрязнения окружающей среды свинцом от выбросов автотранспорта становится значимой в городах с населением свыше 100 000 человек и для локальных участков вдоль

автотрасс с интенсивным движением. Радикальный метод борьбы с загрязнением окружающей среды свинцом выбросами автомобильного транспорта – отказ от использования этилированных бензинов. По данным

1995г. 9 из 25 нефтеперерабатывающих заводов России перешли на выпуск

неэтилированных бензинов. В 1997 году доля неэтилированного бензина в общем объеме производства составила 68%. Однако, из-за финансовых и организационных трудностей полный отказ от производства этилированных бензинов в стране задерживается.

Альдегиды (RxCHO) – образуются, когда топливо сжигается при низких температурах или смесь очень бедная, а также из-за окисления тонкого слоя масла в стенке цилиндра.

При сжигании топлива при высоких температурах альдегиды исчезают.

Загрязнение воздуха идет по трем каналам: 1) ОГ, выбрасываемые через выхлопную трубу (65 %); 2) картерные газы (20 %); 3) углеводороды в

результате испарения топлива из бака, карбюратора и трубопроводов (15 %).

Каждый автомобиль выбрасывает в атмосферу с отработавшими газами около 200 различных компонентов. Самая большая группа соединений –

углеводороды. Эффект падения концентраций атмосферных загрязнений, то есть приближение к нормальному состоянию, связан не только с

разбавлением выхлопных газов воздухом, но и со способностью самоочищения атмосферы. В основе самоочищения лежат различные физические, физико-химические и химические процессы. Выпадение

тяжелых взвешенных частиц (седиментация) быстро освобождает атмосферу только от грубых частиц. Процессы нейтрализации и связывания газов в атмосфере проходят гораздо медленнее. Значительную роль в этом играет

зеленая растительность, поскольку между растениями идет интенсивный газообмен. Скорость газообмена между растительным миром в 25…30 раз превышает скорость газообмена между человеком и ОС в расчете на единицу массы активно функционирующих органов. Количество атмосферных

осадков оказывает сильное влияние на процесс восстановления. Они растворяют газы, соли, адсорбируют и осаждают на земную поверхность пылевидные частицы.

Автомобильные выбросы распространяются и трансформируются в атмосфере по определенным закономерностям.

Так, твердые частицы размером более 0,1 мм оседают на

подстилающих поверхностях в основном из-за действия гравитационных сил.

Частицы, размер которых менее 0,1 мм, a также газовые примеси в виде CO, СХНУ, NOX, SOX распространяются в атмосфере под воздействием процессов диффузии. Они вступают в процессы физико-химического взаимодействия между собой и с компонентами атмосферы, и их действие проявляется на локальных территориях в пределах определенных регионов.

В этом случае рассеивание примесей в атмосфере является неотъемлемой частью процесса загрязнения и зависит от многих факторов.

Степень загрязнения атмосферного воздуха выбросами объектов АТК

зависит от возможности переноса рассматриваемых загрязняющих веществ на значительные расстояния, уровня их химической активности,

метеорологических условий распространения.

Компоненты вредных выбросов с повышенной реакционной способностью, попадая в свободную атмосферу, взаимодействуют между

собой и компонентами атмосферного воздуха. При этом различают физическое, химическое и фотохимическое взаимодействия.

Примеры физического реагирования: конденсация паров кислот во влажном воздухе с образованием аэрозоля, уменьшение размеров капель жидкости в результате испарения в сухом теплом воздухе. Жидкие и твердые

частицы могут объединяться, адсорбировать или растворять газообразные вещества.

Реакции синтеза и распада, окисления и восстановления осуществляются между газообразными компонентами загрязняющих веществ

и атмосферным воздухом. Некоторые процессы химических преобразований начинаются непосредственно с момента поступления выбросов в атмосферу, другие – при появлении для этого благоприятных условий – необходимых

реагентов, солнечного излучения, других факторов.

При выполнении транспортной работы существенным является выброс соединений углерода в виде CO и СХНУ.

Моноксид углерода в атмосфере быстро диффундирует и обычно не создает высокой концентрации. Его интенсивно поглощают почвенные микроорганизмы; в атмосфере он может окисляться до СО2 при наличии примесей - сильных окислителей (О,О3), перекисных соединений и свободных радикалов.

Углеводороды в атмосфере подвергаются различным превращениям (окислению, полимеризации), взаимодействуя с другими атмосферными загрязнениями, прежде всего под действием солнечной радиации. В результате этих реакций образуются перекиси, свободные радикалы, соединения с оксидами азота и серы.

В свободной атмосфере сернистый газ (SО2) через некоторое время окисляется до сернистого ангидрида (SО3) или вступает во взаимодействие с другими соединениями, в частности углеводородами. Окисление сернистого ангидрида в серный происходит в свободной атмосфере при фотохимических и каталитических реакциях. В обоих случаях конечным продуктом является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде.

B сухом воздухе окисление сернистого газа происходит крайне медленно. В темноте окисления SO2 не наблюдается. При наличии в воздухе оксидов азота скорость окисления сернистого ангидрида увеличивается независимо от влажности воздуха.

Сероводород и сероуглерод при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются в свободной атмосфере медленному окислению до серного ангидрида. Сернистый ангидрид может адсорбироваться на поверхности твердых частиц из оксидов металлов, гидрооксидов или карбонатов и окисляться до сульфата.

Соединения азота, поступающие в атмосферу от объектов АТК, представлены в основном NO и NO2. Выделяемый в атмосферу моноксид азота под воздействием солнечного света интенсивно окисляется атмосферным кислородом до диоксида азота. Кинетика дальнейших превращений диоксида азота определяется его способностью поглощать

ультрафиолетовые лучи и диссоциировать на моноксид азота и атомарный кислород в процессах фотохимического смога.

Фотохимический смог – это комплексная смесь, образующаяся при воздействии солнечного света из двух основных компонентов выбросов автомобильных двигателей – NO и углеводородных соединений. Другие

вещества (SO2), твердые частицы также могут участвовать в смоге, но не являются основными носителями высокого уровня окислительной активности, характерной для смога. Стабильные метеорологические условия благоприятствуют развитию смога:

Городские эмиссии удерживаются в атмосфере в результате инверсии,

Служащей своеобразной крышкой на сосуде с реактивами,

Увеличивая продолжительность контакта и реакции,

Препятствуя рассеиванию (новые эмиссии и реакции добавляются к первоначальным).

Рис.3.1. Фотохимический смог

Формирование смога и образование оксиданта обычно останавливается при прекращении солнечной радиации в темное время суток и дисперсии реагентов и продуктов реакции.

В Москве при обычных условиях концентрация тропосферного озона,

который является предвестником образования фотохимического смога, достаточно низкая. Оценки показывают, что генерация озона из оксидов азота и углеводородных соединений вследствие переноса воздушных масс и повышение его концентрации, и следовательно, неблагоприятное воздействие происходит на расстоянии 300…500 км от Москвы (в районе Нижнего Новгорода).

Помимо метеорологических факторов самоочищения атмосферы

некоторые компоненты вредных выбросов автомобильного транспорта участвуют в процессах взаимодействия с компонентами воздушной среды, результатом которых является возникновение новых вредных веществ (вторичные атмосферные загрязнители). Загрязнители вступают с компонентами атмосферного воздуха в физическое, химическое и фотохимическое взаимодействия.

Многообразие продуктов выхлопов автомобильных двигателей может быть классифицировано по группам, сходным по характеру воздействия на организмы или химической структуре и свойствам:

1) нетоксичные вещества: азот, кислород, водород, водяной пар и углекислый газ, содержание которых в атмосфере в обычных условиях не достигает уровня, вредного для человека;

2) моноксид углерода, наличие которого характерно для выхлопов бензиновых двигателей;

3) оксиды азота (~98 % NО, ~2 % NO2), которые по мере пребывания в атмосфере соединяются с кислородом;

4) углеводороды (алкаин, алкены, алкадиены, цикланы, ароматические соединения);

5) альдегиды;

7) соединения свинца.

8) серистый ангидрид.

Чувствительность населения к действию загрязнения атмосферы зависит от большого числа факторов, в том числе от возраста, пола, общего состояния здоровья, питания, температуры и влажности и т.д. Лица пожилого

возраста, дети, больные, курильщики, страдающие хроническим бронхитом,

коронарной недостаточностью, астмой, являются более уязвимыми.

Общая схема реакции организма на воздействие загрязнителей ОС по данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) представлена на

рис.3.2.

Рис. 3.2. Реакция организма на воздействие загрязнителей воздуха:

1 – смертность; 2 – заболеваемость; 3 – физиологические признаки заболевания; 4 – сдвиги жизнедеятельности организма неизвестного

назначения; 5 – накопление загрязнений в органах и тканях.

Проблема состава атмосферного воздуха и его загрязнения от выбросов автотранспорта становится все более актуальной. Это можно проследить уже

на примере Москвы. В 1982 г. вклад автотранспортных средств в суммарное загрязнение атмосферы составлял 69 %, в 1990 г. – 74,6 %, в 1993 г. – 79,6 % и т.д.

Среди факторов прямого действия (все, кроме загрязнения окружающей среды) загрязнение воздуха занимает, безусловно, первое

место, поскольку воздух – продукт непрерывного потребления организма.

Дыхательная система человека имеет ряд механизмов, помогающих защитить организм от воздействия загрязнителей воздуха. Волоски в носу отфильтровывают крупные частицы. Липкая слизистая оболочка в верхней

части дыхательного тракта захватывает мелкие частицы и растворяет некоторые газовые загрязнители. Механизм непроизвольного чихания и кашля удаляет загрязненные воздух и слизь при раздражении дыхательной

Тонкие частицы представляют наибольшую опасность для здоровья человека, так как способны пройти через естественную защитную оболочку в

легкие. Вдыхание озона вызывает кашель, одышку, повреждает легочные ткани и ослабляет иммунную систему.

Влияние загрязнения воздуха на здоровье населения состоит в

следующем.

Взвешенные частицы. Частицы пыли размером от 0,01 до 100 мкм классифицируются следующим образом: более 100 мкм – осаждающиеся,

менее 5 мкм – практически неосаждающиеся.

Частицы первого типа безвредны, поскольку быстро осаждаются либо на поверхности земли, любо в верхних дыхательных путях. Частицы второго типа попадают глубоко в легкие. Установлено присутствие соединений

углерода, углеводорода, парафина, ароматических веществ, мышьяка, ртути и др. в легких вследствие проникновения пыли, a также связь с частотой заболевания раком, хроническим заболеванием дыхательных путей, астмой,

бронхитом, эмфиземой легких. Резкое увеличение частоты хронических бронхитов начинается с концентрации 150 – 200 мг/м3. При попадании в дыхательные пути сажи, возникают хронические заболевания (размеры твердых частиц 0.5…2 мкм), ухудшается видимость, а также сажа абсорбирует на своей поверхности сильнейшие канцерогенные вещества (бенз(а)пирен), что опасно для человеческого организма. Норма сажи в ОГ составляет 0.8 г/м3.

Сернистый ангидрид. Оказывает пагубное влияние на слизистую оболочку верхних дыхательных путей, вызывает бронхиальную закупорку. Начиная с 500 мг/м3 у больных бронхитом наблюдаются осложнения, 200 мг/м3 вызывает увеличение приступов у астматиков.

Оксиды азота. Диоксид азота и фитохимические производные являются побочными продуктами нефтехимических производств и рабочих процессов дизельных двигателей. Оказывают влияние на легкие и на органы зрения. Начиная с 150 мг/м3, при длительных воздействиях происходит нарушение дыхательных функций Оксиды азота раздражают слизистую оболочку глаз и носа, разрушают легкие. В дыхательных путях оксиды азота реагируют с

влагой, которая находится в этом месте. Оксиды азота способствуют разрушению озонового слоя.

Считается, что токсичность NOx больше в 10 раз, чем СО. N2O

действует как наркотик. Норма NOx в воздухе – 0,1 мг/м3.

Озон. Повышение концентрации оксидов азота и углеводородов под

действием солнечной радиации порождает фотохимический смог (озон, ПАН и др.) Фоновая концентрация озона в природе 20…40 мг/м3. При 200 мг/м3 наблюдается заметное негативное воздействие на организм человека.

Моноксид углерода. При сжигании топлива в условиях недостатка

воздуха, CO генерируется в процессе работы автомобильных двигателей. Соединяясь с гемоглобином (Нb), из вдыхаемого воздуха попадает в кровь, препятствуя насыщению крови кислородом, а следовательно, и тканей, мышц, мозга. При концентрации 20…40 мг/м3 в течение 1 часа содержание НbСО в крови повышается на 2…3 %, что вызывает ослабление зрения, ориентации в пространстве, реакций. СО вызывает нарушение нервной системы, головную боль, похудение, рвоту.

Диспансерные исследования Института экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина РАМН показали, что длительное вдыхание воздуха, содержащего моноксид углерода в концентрациях 3…6

ПДК и диоксид азота 2…3 ПДК, вызывает в детском организме ряд ответных реакций. Установлены удлинение времени латентного периода зрительно –

моторной реакции, хронический тонзиллит, хронический ринит, гипертрофия миндалин, снижение жизненной емкости легких.

Основными представителями альдегидов, поступающих в атмосферный воздух с выбросами автомобилей, являются формальдегид и

акролеин. Действие формальдегида характеризуется раздражающим эффектом по отношению к нервной системе. Он поражает внутренние органы и анактивирует ферменты, нарушает обменные процессы в клетке путем

подавления цитоплазматического и ядерного синтеза. Именно RxCHO

определяют запах ОГ.

Биологическое действие фотооксидантов (смесь озона, диоксида азота и формальдегида) на клеточном уровне подобно действию радиации,

вызывает цепную реакцию клеточных повреждений.

Углеводороды (СxНy) имеют неприятные запахи. СxНy раздражают глаза, нос и очень вредны для флоры и фауны. СxНy от паров бензина также токсичные, допускается 1,5 мг/м3 в день.

Оксиды свинца накапливаются в организме человека, попадая в него через животную и растительную пищу. Свинец и его соединения относятся к классу высокотоксичных веществ, способных причинить ощутимый вред здоровью человека. Свинец влияет на нервную систему, что приводит к снижению интеллекта, а также вызывает изменения физической активности, координации, слуха, воздействует на сердечно-сосудистую систему, приводя к заболеваниям сердца. Свинцовое отравление (сатурнизм) занимает первое место среди профессиональных интоксикаций.

от расстояния растения до дороги. Норма Рb в Европе – 10 мг Рb в 1 кг травы.

Современные исследования в области влияния состояния атмосферного воздуха на здоровье населения можно характеризовать табл.3.2.

Влияние кратности превышения ПДК на здоровье людей

Таблица 3.2

Кратность превышения	Ответ состояния здоровья населения
	Нет изменений в состоянии здоровья
	Изменение состояния здоровья по некоторым
	Выраженные функциональные сдвиги
	Рост специфической и неспецифической заболеваемости
	Острые отравления
	Летальные отравления

Значительная масса вредных выбросов, рассеянных в атмосфере,

является результатом работы автомобиле.

Вредные выбросы – это вещества, поступившие в атмосферу из агрегатов и систем автомобиля. В атмосферу поступают вещества из систем двигателя: картерные выбросы из системы смазки и вентиляции картера, топливные испарения из системы питания топливом, отработавшие газы – смесь газов с примесью взвешенных частиц, удаляемых из цилиндров или камер сгорания через систему выпуска, а также топливный бак и агрегаты трансмиссии.

Они характеризуются токсичностью вредных выбросов (ВВ) и дымностью отработавших газов(ОГ).

Токсичность выбросов двигателя – способность выбросов оказывать

вредное воздействие на людей и животный мир. Вредное воздействие оказывают оксид углерода СО, углеводороды СН и оксиды азота NOх.

Дымность отработавших газов двигателя - показатель,

характеризующий степень поглощения светового потока, просвечивающего отработавшие газы. Нормируемым параметром дымности является оптическая плотность отработавших газов количество поглощенного света частицами сажи и другими светопоглощающими дисперсными частицами отработавших газов автотракторных дизелей, определяемое по шкале измерительного прибора.

В США, например, доля выбросов токсичных соединений в атмосферу автомобилей составляет 60 %, а в странах Западной Европы – до 40 %.

Отработавшие газы, смешиваясь с туманом, образуют плотную завесу смога, против которого не найдено еще средств. В дни смога резко

увеличивается число аллергических заболеваний, инсультов, нервных припадков.

Под действием солнечных лучей углеводороды и оксиды азота, содержащиеся в атмосфере, вступают в фотохимическую реакцию, образуя соединения, вызывающие резь в глазах. Особенно велик уровень загазованности в местах скопления автомобилей (тракторов).

Следует отметить, что в настоящее время по дорогам мира движутся более 300 млн автомобилей, которые потребляют около 3,5 млрд кг топлива

на каждые 100 км пробега, а при сгорании 1 кг топлива в двигателе выделяется 446 г СО и около 16 г оксидов азота.

Доля загрязнения воздуха отработавшими газами составляет 65 %,

газами, выделяемыми из картера двигателя, 20 %, из карбюратора 9 % и из топливного бака 6 %.

Проблема защиты окружающей среды от отрицательного воздействия

автомобилей связана прежде всего со снижением выбросов токсичных веществ ДВС.

Предельные концентрации вредных и токсичных веществ в воздухе

устанавливают в качестве гигиенических норм. Однако большой вред здоровью человека наносит длительное воздействие вредных веществ малых концентраций и нескольких токсичных компонентов.

Особенно опасны для здоровья человека оксид углерода и оксиды азота. Воздействие оксидов азота нельзя ослабить никакими нейтрализующими веществами. Не полностью сгоревшие углеводороды – это

несколько сотен химических соединений. Эта смесь является причиной многих хронических заболеваний. Наиболее опасным соединением считается бенз(а)пирен, обладающий также канцерогенными свойствами. Некоторые ароматические углеводороды являются сильными отравляющими

веществами, они воздействуют на системы кровообращения, центральную нервную и мышечную. Диоксид серы также оказывает вредное воздействие на кроветворные органы (костный мозг и селезенку) человека, его слизистую

оболочку, вызывает бессонницу. Сильными токсичными веществами являются свинец и его соединения. Они содержатся в этилированном бензине. Попадая в организм, они вызывают нарушения обмена веществ.

Загрязнение окружающей среды токсичными веществами отработавших газов приводит к существенным отрицательным последствиям. Грунтовые и поверхностные воды в большой степени подвержены опасности

загрязнения топливом, маслами, смазочными материалами и другими специальными жидкостями. Даже минимальное количество этих веществ может сильно изменить качество воды. Пленка из углеводородов на поверхности воды затрудняет процессы окисления, что отрицательно влияет

на живые организмы. Особенно опасным для лесов и лесопарков является диоксид серы, разрушающий хлорофилл. Установлено, что растения чувствительны даже к очень малым концентрациям SO2 в воздухе.

Точно определить количество выбросов вредных веществ в атмосферу двигателями практически невозможно. Величина этих выбросов зависит от многих факторов: типа двигателя, его конструктивных параметров, процесса

подготовки и сгорания смеси топлива и воздуха, режима работы,

технического состояния и др.

В настоящее время строго регламентируются предельные значения выбросов вредных веществ (ВВ) и дымности отработавших газов (ОГ).

Для их определения проводят испытания. Процедура испытаний

включает 3 различных цикла: ESC и ETC, предназначенные для определения выбросов ВВ, и ELR – для определения дымности отработавших газов (ОГ).

Цикл ESC по принципу построения близок к «старому» 13-и ступенчатому европейскому циклу. При испытаниях по циклу ESC

проверяется содержание NОХ в трех дополнительных «случайных» точках, лежащих в области режимов работы двигателя, заданной по нагрузке и частоте вращения коленчатого вала. Увеличение содержания NОХ в этих

«случайных» точках по сравнению с результатами, полученными при испытаниях в соответствующих близлежащих точках цикла, не должно превосходить 10 %. Это требование введено с целью исключения «обхода»

цикла, когда заданные экологические показатели достигаются только на регламентированных режимах цикла, а на всех остальных режимах остаются вне контроля или устанавливаются заведомо завышенными для обеспечения

наилучших мощностных, экономических и эксплуатационных показателей, что на двигателях с электронными системами управления не представляет никакого труда.

ETC – это цикл с непрерывным (посекундным) изменением нагрузки и частоты вращения двигателя. Цикл состоит из трех фаз, имитирующих движение в условиях города, пригорода и автострады.

ELR – цикл для определения дымности ОГ – представляет собой цикл

динамического нагружения. Испытания проводятся на тех же скоростных режимах, что в цикле ESC, а также на одном дополнительном «случайном» режиме, выбираемом Технической службой, проводящей испытания.

Испытания проводятся следующим образом. Первоначально двигатель paботает на заданном скоростном режиме с нагрузкой 10 %. Затем регулятор подачи топлива быстро выводится в положение, соответствующее

максимальной подаче топлива, закон нагружения при этом обеспечивает поддержание заданной постоянной частоты вращения коленвала двигателя. Дымность двигателя определяется как среднее значение дымности на

заданных скоростных режимах.

Предполагается следующий порядок применения испытательных циклов:

Для испытания «обычных» дизелей, включая двигатели с

электронным управлением топливоподачей, системой рециркуляции ОГ,

окислительными нейтрализаторами, применяются циклы ESC и ELR;

Для испытаний двигателей, оснащенных такими средствами уменьшения выбросов, как, например, восстановительные нейтрализаторы

NОХ и уловители частиц, применяются все указанные циклы - ESC, ELR, ETC;

Газовые двигатели испытываются только по циклу ETC.

Европейские требования по предельным значениям содержания ВВ в ОГ к автомобилям категорий M1 и N1 с бензиновыми, газовыми и дизельными двигателями приведены в табл.3.3.

Таблица 3.3

		масса автомо- биля, кг	углерода (СО), г/км		Углеводо		азота (NOX) г/км		Углеводо роды + ок- сиды азота г/км		тицы г/км

(1) Кроме автомобилей, максимальная масса которых превышает 2500 кг.

(2) Включая автомобили категории М, указанные в примечании 1

Для автотранспортных средств (АТС) категорий М1 полной массой более 3500 кг, М2, М3, N1, N2, N3 c дизельными и газовыми двигателями нормативные требования к вредным выбросам представлены в табл. 3.4 и 3.5.

Таблица 3.4

Предельные величины содержания ВВ и ОГ при выполнении ESC и

углерода Углеводород Азота (NOX) г/кВт.ч Дымность м -1 Евро-3 2000г. Евро-4 2005г. Евро-5 2008г.

(1) – Для двигателей с рабочим объёмом менее 0,75дм3 на цилиндр и номинальной частотой вращения более 3000 мин-1.

(2) – «Форсированные» добровольные требования.

Таблица 3.5

Предельные величины содержания ВВ и ОГ при выполнении

ЕТС цикла

	углерода (СО), г/кВт·ч	Неметановые углеводороды (NMCH) г/кВт·ч	Метан (СН4)(1) г/кВт·ч	азота (NOX) г/кВт·ч	Частицы(2)

(1) – Только для двигателей, работающих на природном газе.

(2) – Не применяется по отношению к двигателям, работающим на газе.

(3) – Для двигателей с рабочим объёмом менее 0,75дм3 на цилиндр и номинальной частотой вращения более 3000 мин-1.

В России к выбросам вредных веществ (ВВ) АТС категорий М1 полной массой более 3500 кг, М2, М3, N1, N2, N3 c дизельными и газовыми двигателями действуют требования Евро-2. К этих же АТС с бензиновыми двигателями применяются требования, представленные в табл.3.6.

Предельные величины содержания ВВ

Таблица 3.6

В отношении АТС категорий M1 и N1 применяются требования, соответствующие уровню Евро-2 для пассажирских автомобилей (М1) и Евро-1 для грузовых (N1). Эти требования представлены в табл.3.7.

Таблица 3.7.

Предельно-допустимые величины содержания ВВ

	Полная масса автомобиля, (m), кг	углерода		Общая масса углеводородов и оксидов азота (СН+NOX) г/км
	13051760

Полный переход (100 % выпускаемых АТС) России на уровень

Европейских требований состоялся: Евро-2 - 2004 год; Евро-3, 4 -2008 год.

Уровень загазованности может быть снижен рядом конструктивных и эксплуатационных мероприятий, направленных не только на снижение

объема выбросов, но и их токсичности. Среди мероприятий конструктивного характера можно отметить следующие:

применение устройств нейтрализации и очистки выбросов от токсичных компонентов;

применение устройств, оптимизирующих дозирование,

смесеобразование топлива, а также рабочий процесс (электронные и электромеханические системы впрыска топлива, транзисторные системы

зажигания, форкамерно-факельные дожигатели, рециркуляция выхлопа,

термостатирование воздуха и пр.);

применение нетрадиционных видов топлива (газовое топливо, водород,

синтетический бензин, спирт);

создание новых силовых установок.

Значительное уменьшение выброса СО может быть достигнуто равномерным распределением смеси путем непосредственного впрыска топлива или улучшения условий испарения топлива в карбюраторе и во впускном трубопроводе; обеспечение состава и качества образуемой смеси нагрузке и частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Для снижения выброса углеводородов СnНm, двигатель внутреннего сгорания переводят на работу на бедных смесях, стремясь достичь большей однородности смеси и равномерности ее распределения по цилиндрам. Кроме того, стараются уменьшить долю остаточных газов в смеси при работе двигателя на частичных нагрузках правильным выбором формы и размеров камеры сгорания. Значительно сократить выбросы СО и СnНm с отработавшими газами можно использованием для питания двигателя водорода или газообразного топлива, а также послойным смесеобразованием.

Уменьшение выброса NOх у карбюраторных двигателей достигается снижением максимальной температуры цикла, обогащением смеси или сокращением продолжительности реакций, при которых происходит образование соединений азота. На практике наряду с обогащением смеси и уменьшением угла опережения зажигания понижают степень сжатия, увеличивают частоту вращения коленчатого вала двигателя, впрыскивают воду во впускной трубопровод или осуществляют частичную рециркуляцию отработавших газов.

Все применяемые в настоящее время способы уменьшения токсичности выбросов по всем основным компонентам (СО, СnНm, NOх) основаны на комбинации рассмотренных выше способов. Чаще всего это достигается следующим образом:

уменьшением выброса СО и СnНm, обеднением смеси и изменением угла опережения зажигания. Эти параметры подбирают для каждого режима работы двигателя. Устойчивая работа на обедненных смесях достигается улучшением качества смесеобразования и увеличением энергии искры на электродах свечи, для чего применяют непосредственное впрыскивание топлива и тиристорное зажигание. Для уменьшения выброса NOх используют частичную рециркуляцию отработавших газов. При использовании системы непосредственного впрыскивания топлива с электронным управлением, отрегулированной на экономичный состав смеси (в зависимости от разрежения во впускном трубопроводе, частоты вращения вала и теплового режима двигателя), удается снизить концентрацию токсичных веществ и уменьшить расход топлива на 8...10 %;

переводом двигателя на газообразное топливо с одновременной его регулировкой для работы на обедненных смесях. При этом достигается значительное уменьшение выброса продуктов неполного сгорания, т. е. СО и СnНm. Одновременно для уменьшения выброса NOx применяют, например, частичную рециркуляцию отработавших газов.

В карбюраторных двигателях во всех случаях используют специальные устройства для подачи дополнительного воздуха во впускной трубопровод на режимах разгона и торможения колесной машины. Широко применяют устройства, предотвращающие выброс в атмосферу паров углеводородов из картера двигателя и топливной системы.

Рециркуляцию газов для уменьшения выброса оксидов азота осуществляют все шире как в двигателях с искровым зажиганием, так и в дизелях. При этом понижают температуру процесса сгорания в результате уменьшения количества топлива, поступающего в цилиндры, и большей теплоемкости продуктов сгорания по сравнению с теплоемкостью воздуха. При рециркуляции 5 % отработавших газов концентрация NOх уменьшается примерно на 47 %, а при рециркуляции 15 % газов – на 84 %. Одновременно наблюдаются небольшое уменьшение выброса СnНm и некоторое увеличение выброса СО, а в дизелях – увеличение дымности. При рециркуляции газов более 10 % происходит заметное падение мощности двигателя,

увеличивается расход топлива и ухудшаются динамические характеристики автомобиля (трактора).

Такие компоненты отработавших газов, как оксид углерода и углеводороды, могут быть нейтрализованы в выпускной системе двигателя. Для этого в поток горячих отработавших газов непосредственно за

выпускным клапаном подают воздух под давлением 0,05...0,06 МПа. Количество подаваемого воздуха зависит от коэффициента избытка воздуха. По мере обеднения смеси подачу воздуха прекращают.

Чем выше температура смеси отработавших газов с воздухом, тем

эффективнее процесс окисления в выпускной системе. Увеличивают температуру уменьшением угла опережения зажигания, использованием тепловой изоляции выпускного трубопровода, снижением потерь теплоты в камере сгорания, установкой в системе выпуска специальных реакционных камер. Однако при этом несколько снижается мощность двигателя (увеличивается сопротивление на выпуске) и повышается удельный расход топлива.

Каталитические нейтрализаторы служат для сжигания продуктов неполного сгорания (СО и СnHm) и разложения оксидов азота NOх. Их действие основано на беспламенном поверхностном окислении токсичных веществ в присутствии катализатора, ускоряющего химическую реакцию. Процесс окисления происходит во время прохождения отработавших газов через слой носителя с катализатором (например, платины). Скорость сгорания зависит от температуры носителя (достигает 800 °С).

Каталитические нейтрализаторы используются для очистки отработавших газов двигателей с искровым зажиганием и дизелей. Все нейтрализаторы, монтируемые в выпускной системе, увеличивают сопротивление прохождению газов и приводят к снижению мощности двигателя на 10...20 %. Основным их недостатком является неэффективная работа в диапазоне низких температур отработавших газов. В связи с этим разработаны устройства, состоящие из плазменного и каталитического нейтрализаторов. В плазменном газы разогреваются, а в каталитическом происходит основной процесс окисления. Такие устройства эффективно работают на всех режимах независимо от нагрузки и частоты вращения вала двигателя. Их недостатком являются относительная сложность конструкции и повышенный расход топлива.

Дальнейшее усовершенствование ДВС для уменьшения выброса токсичных компонентов без увеличения расхода топлива практически невозможно. В этом отношении заслуживают внимания силовые агрегаты,

например с газотурбинными двигателями и двигателями Стирлинга.

Значительное уменьшение выброса токсичных компонентов с уменьшением расхода топлива может быть достигнуто созданием

автомобилей с гибридными силовыми установками.