Автомобилизация и окружающая среда

К основным токсичным выбросам автомобиля относятся: отработавшие газы , картерные газы и топливные испарения. Отработавшие газы, выбрасываемые двигателем, содержат окись углерода (СО), углеводороды (С_ХH_Y), окислы азота (NO_X), бензапирен, 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% С_ХH_Y и 98% NO_X, картерные газы по – 5% С_ХH_Y, 2% NO_X, а топливные испарения – до 40% С_ХH_Y.

Содержание токсичных выбросов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания представлена в таблице.

 

Содержание токсичных выбросов в отработавших газах двигателей. 

Компоненты	Доля токсичного компонента в ОГ ДВС
	Карбюраторные		Дизельные
	В %	на 1000л топлива, кг	в %	на 1000л топлива, кг
CO	0,5-12,0	до 200	0,01-0,5	до 25
NOX	до 0,8	20	до 0,5	36
СХHY	0,2 – 3,0	25	0,009-0,5	8
Бенз(а)пирен	-	до 10 мкг/м3	-	-
Альдегиды	до 0,2мг/л	-	0,001-0,09мг/л	-
Сажа	до 0,04 г/м3	1	0,01-1,1г/м3	3

 

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

Основными токсичными веществами – продуктами неполного  сгорания являются сажа, окись углерода, углеводороды, альдегиды. Вредные токсичные выбросы можно разделить на регламентированные и нерегламентированные. Они действуют на организм человека по разному. Вредные токсичные выбросы: СО, NO_X, C_XH_Y, R_XCHO, 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.

NO_X (оксиды азота) – самый токсичный газ из ОГ. N – 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 NO_Х, а выбросы растут, когда состав смеси близок к стехиометрическому (1 кг топлива к 15 кг воздуха). Для дизельных двигателей состав NO_Х 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 NO_Х.

Кроме того, с уменьшением угла опережения впрыска  топлива можно существенно снизить  выделение оксидов азота, но при  этом значительно ухудшаются мощностные и экономические показатели.

Гидроводороды (С_ХН_У) - этан, метан, бензол, ацетилен и др. токсичные элементы. ОГ содержат около 200 разных гидроводородов.

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. Содержание сажи в ОГ уменьшается с увеличением угла опережения впрыска топлива, а при уменьшении угла опережения впрыска топлива, выделение сажи заметно возрастает. 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 турбуленция 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. РЬО (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 эти 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%).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Факторы отрицательного влияния автомобильного транспорта на человека и окружающую среду

 

 

Курсирующие на Земле более 500 млн. автомобилей  являются не только причиной ежегодной  гибели около 500 тысяч, 10 млн. раненых, но и причиной расшатывания здоровья миллиардов людей.

На сегодняшний  день российское автомобилестроение отстает  в техническом отношении от мирового уровня. В серийном производстве находятся  автомобили, которые проектировались 20-30 лет назад. Технологический уровень  производства не позволяет достичь  требуемой точности сборки и обработки  деталей. Свой вклад в загрязнение  ОС вносит низкое качество топлива: около 70% - этилированного бензина.

По оценкам  специалистов ежегодные суммарные  автомобильные выбросы в СНГ  составляют 400 млн. т., среди которых:

- 27 млн.т. окиси углерода;

- 2.5 млн.т. углеводородов;

- 9 млн.т. окислов азота;

- 200-230 млн.т. углекислого газа.

Среди всех видов транспорта автомобильный  наносит наибольший ущерб окружающей среде. В России в местах повышенного  загрязнения воздуха проживает  около 64 млн. человек, среднегодовые  концентрации загрязнителей воздуха  превышают предельно допустимые более чем в 600 городах России.

Государственные затраты на охрану природы составляют доли процента бюджета, что в десятки раз меньше аналогичного показателя для развитых стран. Несмотря на обвальное сокращение производства, состояние окружающей природной  среды Российской Федерации постоянно  ухудшается.

Наиболее  значимые факторы отрицательного влияния  автомобильного транспорта на человека и окружающую среду следующие:

• Загрязнение воздуха;
• Загрязнение окружающей среды;
• Шум, вибрация;
• Выделение тепла (рассеяние энергии).

В настоящее  время идет борьба с автомобильной  опасностью. Конструируются фильтры, разрабатываются  новые виды горючего, содержащие меньше свинца. Сокращением добавок и  переход к бессвинцовому бензину породит ряд технических проблем. Итак,  в перспективе можно устранить рассеивание свинца ДВС. Но останутся другие вредные компоненты ОГ – угарный газ, окислы азота, канцерогенный бензапирен  и т.п.

 

 

 

 

 

Влияние вредных  веществ на организм человека

 

 

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) монооксид 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;

6) сажа;

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) имеет следующий вид:

 

 

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%, наконец, в 1993 г. – 79,6 %.

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 системы. 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.