Вредные вещества попадающие в атмосферу от автотранспорта. Уменьшение загрязнения атмосферы от автотранспорта

Вследствие загрязнения среды обитания вредными веществами отработавших газов двигателей внутреннего сгорания зоной экологического бедствия для населения становятся целые регионы, в особенности крупные города. Проблема дальнейшего снижения вредных выбросов двигателей все более обостряется ввиду непрерывного увеличения парка эксплуатируемых автотранспортных средств, уплотнения автотранспортных потоков, нестабильности показателей самих мероприятий по снижению вредных веществ в процессе эксплуатации. В денежном исчислении величина ежегодного экологического ущерба (загрязнение атмосферы, шум, воздействие на климат) от функционирования автотранспортного комплекса Российской Федерации достигает 2-3 % валового национального продукта при общих экологических потерях 10 % и затратах на природоохранные мероприятия не более 1 %. Основная доля ущерба от автотранспорта (78 %) связана с загрязнением атмосферного воздуха выбросами вредных веществ (что во многом объясняется низким качеством отечественных топлив в сравнении с европейскими стандартами), 16 % ущерба приходится на последствия шумового воздействия транспорта на население.

Общее количество загрязняющих веществ, поступивших в атмосферный воздух на территории Российской Федерации от выхлопов газа автомобильного транспорта, в 2000 г. составило 11 824,2 тыс. т.

Принцип работы автомобильных двигателей основан на превращении химической энергии жидких и газообразных топлив нефтяного происхождения в тепловую, а затем – в механическую энергию. Жидкие топлива в основном состоят из углеводородов, газообразные, наряду с углеводородами, содержат негорючие газы, такие как азот и углекислый газ. При сгорании топлива в цилиндрах двигателей образуются нетоксичные (водяной пар, углекислый газ) и токсичные вещества. Последние являются продуктами сгорания или побочных реакций, протекающих при высоких температурах. К ним относятся окись углерода СО, углеводороды C m H n , окислы азота (NO и NO 2) обычно обозначаемые NO X . Кроме перечисленных веществ вредное воздействие на организм человека оказывают выделяемые при работе двигателей соединения свинца, канцерогенные вещества, сажа и альдегиды. В таблице 1 приведено содержание основных токсичных веществ в отработавших газах бензиновых двигателей.

Таблица 1.

Основным токсичным компонентом отработавших газов, выделяющихся при работе бензиновых двигателей, является окись углерода. Она образуется при неполном окислении углерода топлива из-за недостатка кислорода во всем объеме цилиндра двигателя или в отдельных его частях.

Основным источником токсичных веществ, выделяющихся при работе дизелей, являются отработавшие газы. Картерные газы дизеля содержат значительно меньшее количество углеводородов по сравнению с бензиновым двигателем в связи с тем, что в дизеле сжимается чистый воздух, а прорвавшиеся в процессе расширения газы содержат небольшое количество углеводородных соединений, являющихся источником загрязнений атмосферы.

Таблица 2.

Загрязнение воздуха автомобильным транспортом происходит в результате сжигания топлива. Химический состав выбросов зависит от вида и качества топлива, технологии производства, способа сжигания в двигателе и его технического состояния.

Наиболее неблагоприятными режимами работы являются малые скорости и «холостой ход» двигателя, когда в атмосферу выбрасываются загрязняющие вещества в количествах, значительно превышающих выброс на нагрузочных режимах. Техническое состояние двигателя непосредственно влияет на экологические показатели выбросов. Отработавшие газы бензинового двигателя с неправильно отрегулированными зажиганием и карбюратором содержат оксид углерода в количестве, превышающем норму в 2-3 раза.

Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания 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: азот, кислород, водород, водяной пар, углекислый газ и другие естественные компоненты атмосферного воздуха. В этой группе заслуживает внимания углекислый газ (СО 2), содержание которого в отработавших газах в настоящее время не нормируется, однако вопрос об этом ставится в связи с особой ролью СО 2 в «парниковом эффекте».

Вторая группа. К этой группе относят только одно вещество – оксид углерода, или угарный газ (СО). Продукт неполного сгорания нефтяных видов топлива, он 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 нарушается функционирование 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.

Третья группа. В ее составе оксиды азота, главным образом, NO – оксид азота и NO 2 – диоксид азота. Это газы, образующиеся в камере сгорания двигателя при температуре 2800°С и давлении около 1 МПа. 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 бурого цвета с характерным запахом. Он тяжелее воздуха, поэтому собирается в углублениях, канавах и представляет большую опасность при техническом обслуживании транспортных средств.

Четвертая группа. В эту наиболее многочисленную по составу группу входят различные углеводороды, то есть соединения типа С Х Н У – этан, метан, бензол, ацетилен и др. токсичные вещества. 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 под действием ультрафиолетового излучения Солнца вступают в реакцию с оксидами азота, в результате образуются новые токсичные продукты – фотооксиданты, являющиеся основой «смога» (от англ, smoke – дым и fog – туман).

Главным токсичным компонентом смога является озон. К фотооксидантам также относятся угарный газ, соединения азота, перекиси и др. 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 С, 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. Обусловливает запах отработавших газов, особенно у дизелей.

Акролеин СН 2 =СН-СН=О, 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 входят взвешенные твердые вещества (сажа и другие дисперсные частицы (продукты износа двигателей, аэрозоли, масла, нагар и др.)), которые состоят из мелкодисперсных частиц (диаметром менее 1 мкм), способные находиться во взвешенном состоянии в течение суток. Они состоят из разных материалов, включая неорганическую золу, кислые сульфаты или нитраты, дым, содержащий полициклические ароматические углеводороды, тонкодисперсную пыль, остатки свинца и асбеста.

Проблема загрязнения воздуха городов мира взвешенными частицами диаметром менее 10 мкм, называемые обычно РМ-10, признана одной из важнейших.

В России внимание этой проблеме начинает уделяться только сейчас. На сети мониторинга загрязнения атмосферы в России измеряются концентрации лишь суммы взвешенных веществ. Для развития сети станций, измеряющих концентрации мелкодисперсных взвешенных частиц диаметром менее 10 мкм недостаточно финансовых ресурсов.

Полициклические ароматические углеводороды относятся к большому числу органических соединений, химическая структура которых состоит из двух и более бензольных колец. Наиболее широко известное соединение – бенз(а)пирен.

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 проявляется в адсорбировании на ее поверхности бенз(а)пирена, который в этом случае оказывает более сильное негативное воздействие на организм человека, чем в чистом виде. Поэтому уменьшение ее выбросов – весьма актуальная задача, от решения которой зависят как экологические показатели воздушного бассейна, так и развитие дизельного транспорта в целом. В настоящее время для очистки отработавших газов дизелей от сажевых (твердых) частиц во многих странах находят применение сажевые фильтры.

По данным работы, диаметр первичных сажевых частиц составляет 0,02-0,17 мкм. В отработавших газах сажа находится в виде образований неправильной формы размером 0,3-100 мкм. Наибольшее количество частиц сажи имеет размеры до 0,5 мкм.

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 г., 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. Они 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.

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, выноситель – бромистый этил (ВгС 2 Н 5) и амонохлорнафталин, 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. 3).

Таблица 3.

Некоторые показатели физико-химических свойств автомобильных бензинов по ГОСТ 2084 – 77 и ОСТ 38.01.9 – 75

Показатели качества
Октановое число, не менее: По моторному методу По исследовательскому методу
Содержание (масса) свинца, г/кг бензина, не более
Содержание (массовая доля) серы, %, не более
Цвет этилированного бензина		Оранжевый

В развитых странах мира применение этилированного бензина ограничивается или уже полностью прекращено не только по причине высокой токсичности присадки Р-9, но и из-за его несовместимости с каталитическими нейтрализаторами отработавших газов. Достаточно одной заправки этилированным бензином, чтобы вывести из строя активный слой дорогостоящего нейтрализатора и датчика свободного кислорода (Х-зонда), т.е. лишить автомобиль инструментов подавления СО, СН, NO X и стехиометрического дозирования топлива с последующими непредсказуемыми последствиями, вплоть до возгорания автомобиля.

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 атмосферный воздух.



ВВЕДЕНИЕ. 3

1 ЗАДАНИЕ. 4

1.1 Механический цех. 5

1.2 Цеха и участки сварки и резки металлов. 5

1.3 Гальванический цех. 6

1.4 Выбросы от автотранспорта предприятия. 7

1.5 Расчет выбросов вредных веществ при сжигании топлива в котлах производительностью до 30 т/ч. 9

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 16

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время резко обострилась проблема загрязнения окружающей среды, постепенно она перерастает в реальную угрозу глобальной экологической катастрофы всего человечества. Проблемы экологического бедствия уже охватило более половины земного шара, резкий экологический дискомфорт ощущает население многих городов Казахстана, в том числе Алматы, Усть-Каменогорска, Тараза, Шымкента и других городов. Всё это с особой остротой ставит на повестку дня вопрос об охране окружающей среды и о труде человека в биосфере Земли.

Темпы потребления органических топлив уже сегодня во много раз превышают темпы их естественного синтеза. В свою очередь, окружающая среда в глобальном масштабе начинает воздействовать на энергетику, вынуждая учитывать возможность потребления, того или иного вида топливно-энергетических ресурсов и изыскивать новые виды ресурсов.

Данная расчетно-графическая работа будет рассматривать одно из основных направлений в области охраны окружающей среды – выброс вредных веществ в атмосферу. На примере предприятия в состав, которого входит: механический цех, сварочный цех, гальванический цех, гараж и котельная, будет представлен расчет категории опасности производства по цехам и по предприятию в целом.

ЗАДАНИЕ

На предприятии размещены следующие цеха и производства:

Котельная, гальванический, механический цеха, сварочный участок и гараж.

Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Исходные данные(вариант 51)

Цех	Наименование станка	Количество
Механический	Круглошлифовальные
Заточные
Токарные
	Время работы
Сва-роч-ный	Марка электродов	Масса расходуемого материала, кг/год
ИОНИ-13/45
Гальваничес-кий	Общ. площадь ванн при процессе обезжиривания, м 2
Орг. Растворителей
Электрохимическое
Время работы
Гараж	Пробег, км
Грузовые с бензиновым ДВС
Автобусы с бензиновым ДВС
Автобусы дизельные
Служебные легковые
Котельная	Расход натурального топлива
Марка топлива	БЗ
Коэффициент очистки воздуха ЗУ
Вид топки	Шахтная
К NO2	0.25

СОСТАВ И КОЛИЧЕСТВО ПЛАНИРУЕМЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ РАСЧЕТОМ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА.

При механической обработке металлов выделяются пыль, туман и пары масел и смазочно-охлаждающих жидкостей, различные газообразные вещества. Валовое выделение вредных веществ определяется исходя из нормо-часов работы станочного парка. Расчет выбросов при механической обработке производится по формуле (т/год):

M = 3600 . q . t . N . 10 -6 , (1)

где q – удельное выделение пыли (г/с);

t – число часов работы в день, час;

N – число рабочих дней в году.

Выбросы пыли для круглошлифовальных станков в количестве 100 экземпляров диаметром 350 мм:

M = 3600 . 0.170 . 16 . 260 . 10 -6 . 100= 254.592 (т/год).

Выбросы для заточных станков в количестве 20 экземпляров диаметром 200 мм:

M = 3600 . 0.085 . 16 . 260 . 10 -6 . 20 =25.459 (т/год).

И того общее количество выбросов пыли при механической обработке равно:

ΣМ = 280.051 (т/год).

Выбросы аэрозольных веществ для токарных станков средних размеров в количестве 50 экземпляров при охлаждении маслом:

M = 3600 . 2.5 . 16 . 260 . 10 -6 . 50 = 1872 (т/год).

ЦЕХА И УЧАСТКИ СВАРКИ И РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ

Расчет выбросов производится по формуле (т/год):

Mi = qi . m . 10 -6 , (2)

где q – удельное выделение вредного вещества (г/кг);

m – масса расходуемого материала.

Для электрода ИОНИ-13/45 выброс сварочной аэрозоли:

Mi = 14.0 . 1000 . 10 -6 = 0.014 (т/год)

Для электрода ИОНИ-13/45 выбросы марганца и его оксидов:

Mi = 0.51 . 1000 . 10 -6 = 0.00051 (т/год)

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЦЕХ

При расчете количества вредных веществ, выделяющихся при гальванической обработке, принят удельный показатель q, отнесенный к площади поверхности гальванической ванны. Количество загрязняющего вещества (т/год), отходящего от единицы технологического оборудования определяется по формуле:

M = 10 -6 . q . T . F . K 3 . K y , (3)

где F – площадь зеркала ванны (м 2);

K y – коэффициент укрытия ванны: при наличие в составе поверхностных активных веществ (ПАВ) K y = 0.5; при отсутствии ПАВ K y = 1;

K 3 – коэффициент загрузки ванны 0.8 – 0.6.

Таблица 2 – Удельное количество вредных веществ, выделяющихся с поверхности гальванических ванн при различных технологических процессах

Рассчитаем количество загрязненного вещества при обезжиривании органическими растворителями:

Для бензина

M = 10 -6 . 4530 . 4300 . 80 . 0.8 . 1 = 1274 (т/г);

Для керосина

M = 10 -6 . 1560 . 4300 . 80 . 0.8 . 1 = 429.312 (т/г);

Для Уайт-спирта

M = 10 -6 . 5800 . 4300 . 80 . 0.8 . 1 = 1596 (т/г);

Для бензола

M = 10 -6 . 2970 . 4300 . 80 . 0.8 . 1 = 817.344 (т/г);

Для трихлорэтилена

M = 10 -6 . 3940 . 4300 . 80 . 0.8 . 1 = 1084 (т/г);

Для тетрахлорэтилена

M = 10 -6 . 4200 . 4300 . 80 . 0.8 . 1 = 1156 (т/г);

Для трифтортрихлорэтана

M = 10 -6 . 14910 . 4300 . 80 . 0.8 . 1 = 4103 (т/г).

Рассчитаем количество загрязненного вещества при электрохимическом обезжиривании едкой щелочью:

M = 10 -6 . 39.6 . 4300 . 80 . 0.8 . 1 = 10.898 (т/г).

ВЫБРОСЫ ОТ АВТОТРАНСПОРТА ПРЕДПРИЯТИЯ

Масса выброшенного за расчетный период i-того вредного вещества при наличие в группе автомобилей с различными двигателями внутреннего сгорания (бензиновые, дизельные, газовые) определяется по формуле (т/г):

Mi = qi . τ . n . R . 10 -6 , (4)

где qi – удельный выброс i-того вредного вещества автомобилем (г/км);

τ – пробег автомобиля за расчетный период (км);

n – коэффициент влияния среднего возраста парка на выбросы автомобиля;

R – коэффициент влияния технического влияния автомобиля.

Таблица 3 - Удельные выбросы вредных веществ для различных групп автомобилей на 1990 год и коэффициенты влияния факторов

Рассчитаем выбросы оксида углерода (СО):

M(СО) = 55.5 . 15000 . 1.33 . 1.69 . 10 -6 = 1.871 (т/год);

M(СО) = 51.5 . 13500 . 1.32 . 1.69 . 10 -6 = 1.563 (т/год);

Для дизельных автобусов

M(СО) = 15 . 10000 . 1.27 . 1.8 . 10 -6 = 0.343 (т/год);

M(СО) = 16.5 . 35000 . 1.28 . 1.63 . 10 -6 = 1.205 (т/год).

ΣM(СО) = 4.982 (т/год).

Рассчитаем выбросы углеводорода:

Для грузовых автомобилей с бензиновым ДВС

M(CH) = 12 . 15000 . 1.33 . 1.69 . 10 -6 = 0.405 (т/год);

Для автобусов с бензиновым ДВС

M(CH) = 9.6 . 13500 . 1.32 . 1.69 . 10 -6 = 0.289 (т/год);

Для дизельных автобусов

M(CH) = 6.4 . 10000 . 1.27 . 1.8 . 10 -6 = 0.146 (т/год);

Для служебных легковых автомобилей

M(CH) = 1.6 . 35000 . 1.28 . 1.63 . 10 -6 = 0.117 (т/год).

И того суммарное количество выбросов углеводорода равно:

ΣM(СН) = 0.957 (т/год).

Рассчитаем выбросы оксидов азота (NOx):

Для грузовых автомобилей с бензиновым ДВС

M(NOx) = 6.8 . 15000 . 1.33 . 1.69 . 10 -6 = 0.229 (т/год);

Для автобусов с бензиновым ДВС

M(NOx) = 6.4 . 13500 . 1.32 . 1.69 . 10 -6 = 0.193 (т/год);

Для дизельных автобусов

M(NOx) = 8.5 . 10000 . 1.27 . 1.8 . 10 -6 = 0.194 (т/год);

Для служебных легковых автомобилей

M(NOx) = 2.23 . 35000 . 1.28 . 1.63 . 10 -6 = 0.163 (т/год).

И того суммарное количество выбросов оксидов азота равно:

ΣM(NOx) = 0.779 (т/год).

1.5 РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА В КОТЛАХ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ ДО 30 т/ч.

Методика предназначена для расчета выбросов вредных веществ с газообразными продуктами сгорания при сжигании твердого топлива, мазута и газа в топках действующих промышленных и коммунальных котлоагрегатов и бытовых теплогенераторов.

Таблица 4 – Значения коэффициентов Х и Ксо в зависимости от типа топки и топлива

Твердые частицы. Расчет выбросов твердых частиц печей золы и недогоревшего топлива (т/год, г/с), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами котлоагрегата в единицу времени сжигания твердого топлива и мазута, выполняется по формуле:

Птв = B . A r . X . (1-η), (5)

гдеВ – расход натурального топлива (т/год, г/с);

A r – зольность топлива на рабочую массу (%);

η – доля твердых частиц, улавливаемых золоуловителем;

Х = а ун /(100 - Г ун); а ун – доля золы топлива в уносе;

Г ун – содержание горючих в уносе (%).

Птв = 40 . 23.0 . 0.0019 . (1-0) = 1.748 (т/год).

Оксиды серы. Расчет выбросов оксидов серы в пересчете на SO 2 (т/год, т/час, г/с), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами котлоаграгата в единицу времени, выполняется по формуле:

П SO 2 = 0.002 . B . S r . (1-η SO 2) . (1-η’ SO 2), (6)

где S r – содержание серы в топливе на рабочую массу (%);

η SO 2 – доля оксидов серы, связанных с летучей золой топлива. Для углей – 0,1;

η’ SO 2 – доля оксидов серы, улавливаемых золоуловителем.

П SO 2 = 0.002 . 40 . 0.18 . (1 – 0.1) . (1 - 0) = 0.013 (т/год).

Ориентировочная оценка выбросов оксида углерода (т/год, г/с) может проводится по формуле:

П С O = 0.001 . B . Q i r . K CO . (1-q 4 /100), (7)

где K CO – количество оксида углерода на единицу теплоты, выделяющейся при горении топлива (кг/ГДж).

Для бурых углей:

Для каменных углей:

П С O = 0.001 . 40 . 14.53 . 10 6 . 2 . 10 -9 . (1-2/100) = 0.001139 (т/год).

И того суммарное количество выбросов оксида углерода равно:

ΣM(СО) = 0.002278 (т/год).

Оксиды азота. Количество оксидов азота (в пересчете на NO 2), выделяемых в единицу времени (т/год, г/с), рассчитывается по формуле:

П NO 2 = 0.001 . B . Q i r . K NO 2 . (1 - β), (8)

где Q i r – теплота сгорания натурального топлива (МДж/кг);

K NO 2 – параметр, характеризующий количество оксидов азота, образующихся на 1 ГДж тепла (кг/ГДж);

β – коэффициент, зависящий от степени снижения выбросов оксидов азота в результате применения технических решений.

П NO 2 = 0.001 . 40 . 14.53 . 10 6 . 0.25 . 10 -9 . (1 - 0) = 0.0001453 (т/год).

Похожая информация.

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.

Автомобильный транспорт наиболее агрессивен в сравнении с другими видами транспорта по отношению к окружающей среде. Он является мощным источником ее химического (поставляет в окружающую среду громадное коли­чество ядовитых веществ), шумового и механического загрязнения. Следует подчеркнуть, что с увеличением автомобильного парка уровень вредного воз­действия автотранспорта на окружающую среду интенсивно возрастает. Так, если в начале 70-х годов ученые-гигиенисты определили долю загрязнений, вносимых в атмосферу автомобильным транспортом, в среднем равной 13%, то в настоящее время она достигла уже 50% и продолжает расти. А для горо­дов и промышленных центров доля автотранспорта в общем объеме загрязне­ний значительно выше и доходит до 70% и более, что создает серьезную эко­логическую проблему, сопровождающую урбанизацию.

В автомобилях имеется несколько источников токсичных веществ, основными из которых являются три:

• отработавшие газы
• картерные газы
• топливные испарения

Рис. Источники образования токсичных выбросов

Наибольшая доля химического загрязнения окружающей среды авто­мобильным транспортом приходится на отработавшие газы двигателей внут­реннего сгорания.

Теоретически предполагается, что при полном сгорании топлива в ре­зультате взаимодействия углерода и водорода (входят в состав топлива) с кислородом воздуха образуется углекислый газ и водяной пар. Реакции окис­ления при этом имеют вид:

С+О2=СО2,
2Н2+О2=2Н2.

Практически же вследствие физико-механических процессов в цилинд­рах двигателя действительный состав отработавших газов очень сложный и включает более 200 компонентов, значительная часть которых токсична.

Таблица. Ориентировочный состав отработавших газов автомобильных двигателей

Компоненты	Размерность	Пределы концентраций компонентов Бензиновый, с искр. зажигание Дизельный
		Бензиновые	Дизельные
Кислород, O2
Пары воды, Н2О			0,5…10,0
Двуокид углерода, СО2
Углеводороды, СН (суммарно)
Оксид углерода, СО
Оксид азота, NOx
Альдегиды
Оксиды серы (сумм.)
Бенз(а)пирен
Соединения свинца

Состав отработавших газов двигателей на примере легковых автомобилей без их нейтрализации можно представить в виде диаграммы.

Рис. Составные части отработавших газов без применения нейтрализации

Как видно из таблицы и рисунка, состав отработавших газов рассматриваемых типов двигателей существенно различается прежде всего по концентрации продуктов неполного сгорания – оксида углерода, углеводородов, оксидов азота и сажи.

К токсичным компонентам отработавших газов относятся:

• оксид углеро­да
• углеводороды
• оксиды азота
• оксиды серы
• альдегиды
• бенз(а)пирен
• со­единения свинца

Различие в составе отработавших газов бензиновых и дизельных двигателей объясняется большим коэффициентом избытка воз­духа α (отношение действительного количества воздуха, поступающего в ци­линдры двигателя, к количеству воздуха, теоретически необходимому для сго­рания 1 кг топлива) у дизельных двигателей и лучшим распыливанием топли­ва (впрыск топлива). Кроме того, у бензинового карбюраторного двигателя смесь для раз­личных цилиндров неодинакова: для цилиндров, расположенных ближе к кар­бюратору, – богатая, а для удаленных от него – беднее, что является недо­статком бензиновых карбюраторных двигателей. Часть топливовоздушной смеси у карбю­раторных двигателей поступает в цилиндры не в парообразном состоянии, а в виде пленки, что также увеличивает содержание токсичных веществ вслед­ствие плохого сгорания топлива. Этот недостаток не характерен для бензино­вых двигателей с впрыском топлива, так как подача топлива осуществляется непосредственно к впускным клапанам.

Причиной образования оксида углерода и частично углеводородов явля­ется неполное сгорание углерода (массовая доля которого в бензинах дости­гает 85%) из-за недостаточного количества кислорода. Поэтому концентрации оксида углерода и углеводородов в отработавших газах возрастают при обога­щении смеси (α 1, вероятность указанных превращений во фронте пламени мала и в отработавших газах содержится меньше СО, но в цилиндрах находятся дополнительные источники его появления:

• низкотемпературные участки пламени стадии воспламенения топлива
• капли топлива, поступающие в камеру на поздних стадиях впрыска и сгорающие в диффузионном пламени при недостатке кислорода
• частицы сажи, образовавшейся в период распространения турбулент­ного пламени по гетерогенному заряду, в котором, при общем избытке кисло­рода могут создаваться зоны с его дефицитом и осуществляться реакции типа:

2С+О2 → 2СО.

Диоксид углерода СО2 является не токсичным, но вредным веществом в связи с фиксируемым повышением его концентрации в атмосфере планеты и его влиянием на изменение климата. Основная доля образовавшихся в ка­мере сгорания СО окисляется до СО2, не выходя за пределы камеры, ибо за­меренная объемная доля диоксида углерода в отработавших газах составля­ет 10-15%, т. е. в 300…450 раз больше, чем в атмосферном воздухе. Наиболь­ший вклад в образование СО2 вносит необратимая реакция:

СО + ОН → СО2 + Н

Окисление СО в СО2 происходит в выпускной трубе, а также в нейтра­лизаторах отработавших газов, которые устанавливаются на современных автомобилях для принудительного окисления СО и несгоревших углеводородов до СО2 в связи с необходимостью выполнения норм ток­сичности.

Углеводороды

Углеводороды – многочисленные соединения различного типа (например, C6H6 или C8H18) состоят из исходных или распав­шихся молекул топлива, и их содержание увеличивается не только при обога­щении, но и при обеднении смеси (а > 1,15), что объясняется повышенным количеством непрореагировавшего (несгоревшего) топлива из-за избытка воздуха и пропусков воспламенения в отдельных цилиндрах. Образование угле­водородов происходит также из-за того, что у стенок камеры сгорания темпе­ратура газов недостаточно высока для сгорания топлива, поэтому здесь пла­мя гасится и полного сгорания не происходит. Наиболее токсичны полициклические ароматические углеводороды.

В дизельных двигателях легкие газообразные углеводороды образуются при термическом распаде топ­лива в зоне срыва пламени, в ядре и в переднем фронте факела, на стенке на стенках камеры сгорания и в результате вторичного впрыскивания (подвпрыскивания).

Твердые частицы включают нерастворимые (твердый углерод, оксиды металлов, диоксид кремния, сульфаты, нитраты, асфальты, соединения свин­ца) и растворимые в органическом растворителе (смолы, фенолы, альдегиды, лак, нагар, тяжелые фракции, содержащиеся в топливе и масле) вещества.

Твердые частицы в отработавших газах дизелей с наддувом состоят на 68…75% из нерастворимых веществ, на 25…32% – из растворимых.

Сажа

Сажа (твердый углерод) является основным компонентом нераствори­мых твердых частиц. Образуется при объемном пиролизе (термическом раз­ложении углеводородов в газовой или паровой фазе при недостатке кислоро­да). Механизм образования сажи включает несколько стадий:

• образование зародышей
• рост зародышей до первичных частиц (шестиугольных пластинок гра­фита)
• увеличение размеров частиц (коагуляция) до сложных образований–конгломератов, включающих 100… 150 атомов углерода
• выгорание

Выделение сажи из пламени происходит при α = 0,33…0,70. В от­регулированных двигателях с внешним смесеобразованием и искровым зажи­ганием (бензиновых, газовых) вероятность появления таких зон незначитель­на. У дизелей локальные переобогащенные топливом зоны образуются чаще и в полной мере реализуются перечисленные процессы сажеобразования. Поэтому выбросы сажи с отработавшими газами у дизелей больше, чем, у дви­гателей с искровым зажиганием. Образование сажи зависит от свойств топли­ва: чем больше отношение С/Н в топливе, тем выход сажи выше.

В состав твердых частиц кроме сажи входят соединения серы, свинца. Оксиды азота NOx представляют набор следующих соединений: N2О, NO, N2О3, NО2, N2О4 и N2O5. В отработавших газах автомобильных двигателей преобла­дает NO (99% в бензиновых двигателях и более 90% в дизелях). В камере сгорания N0 может образовываться:

• при высокотемпературном окислении азота воздуха (термический NО)
• в результате низкотемпературного окисления азотсодержащих соеди­нений топлива (топливный NO)
• из-за столкновения углеводородных радикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсации температуры (быстрый NO)

В камерах сгорания доминирует термический NO, образующийся из мо­лекулярного азота во время горения бедной топливовоздушной смеси и сме­си, близкой к стехиометрической, за фронтом пламени в зоне продуктов сго­рания. Преимущественно при сгорании бедных и умеренно богатых смесей (α > 0,8) реакции происходят по цепному механизму:

О + N2 → NO + N
N + О2 → NO+О
N+OH → NO+H.

В богатых смесях (а < 0,8) осуществляются также реакции:

N2 + ОН → NO + NH
NH + О → NО + ОН.

В бедных смесях выход NО определяется максимальной температурой цепочно-теплового взрыва (максимальная температура 2800…2900° К), т. е. кинетикой образования. В богатых смесях выход NО перестает зависеть от максимальной температуры взрыва и определяется кинетикой разложения и содержание NО уменьшается. При горении бедных смесей значительно вли­яние на образование NО оказывает неравномерность температурного поля в зоне продуктов сгорания и присутствие паров воды, которая в цепной реак­ции окисления NOx является ингибитором.

Высокая интенсивность процесса нагревания, а затем охлаждения смеси газов в цилиндре ДВС приводит к образованию существенно неравновесных концентраций реагирующих веществ. Происходит замораживание (закалка) образовавшегося NО на уровне максимальной концентрации, кото­рый обнаруживается в отработавших газах из-за резкого замедления скорости разложения NО.

Основными соединениями свинца в отработавших газах автомобилей являются хлориды и бромиды, а также (в меньших количествах) оксиды, суль­фаты, фториды, фосфаты и некоторые их промежуточные соединения, которые при температуре ниже 370°С находятся в виде аэрозолей или твердых частиц. Около 50% свинца остается в виде нагара на деталях двигателя и в выхлопной трубе, остаток уходит в атмосферу с отработавшими газами.

Большое количество соединений свинца выбрасывается в воздух при использовании этого металла в качестве антидетонатора. В настоящее время соединения свинца в качестве антидетонаторов не применяются.

Оксиды серы

Оксиды серы образуются при сгорании серы, содержащейся в топливе по механизму схожему с образованием СО.

Концентрацию токсичных компонентов в отработавших газах оценивают в объемных процентах, миллионных долях по объему – млн -1, (частей на мил­лион, 10000 ррm = 1% по объему) и реже в миллиграммах на 1 л отработавших газов.

Кроме отработавших газов, источниками загрязнения окружающей среды автомобилями с карбюраторными двигателями являются картерные газы (при отсутствии замкнутой вентиляции картера двигателя, а также испарение топлива из топливной системы.

Давление в картере бензинового двигателя, за исключением такта впуска, значительно меньше, чем в цилиндрах, поэтому часть топливовоздушной смеси и отработавших газов прорывается через неплотности цилиндропоршневой группы из камеры сгорания в картер. Здесь они смешиваются с па­рами масла и топлива, смываемого со стенок цилиндра холодного двигателя. Картерные газы разжижают масло, способствуют конденсации воды, старе­нию и загрязнению масла, повышают его кислотность.

В дизельном двигателе во время такта сжатия в картер прорывается чи­стый воздух, а при сгорании и расширении – отработавшие газы с концентрациями токсичных веществ, пропорциональными их концентрациям в цилинд­ре. В картерных газах дизеля основные токсичные компоненты – оксиды азота (45…80%) и альдегиды (до 30%). Максимальная токсичность картерных газов дизелей в 10 раз ниже, чем отработавших газов, поэтому доля картерных газов у дизеля не превышает 0,2…0,3% суммарного выброса токсичных веществ. Учитывая это, в автомобильных дизелях принудительную вентиляцию карте­ра обычно не применяют.

Основные источники топливных испарений – топливный бак и система питания. Более высокие температуры подкапотного пространства, обусловленные более нагруженными режимами работы двигателя и относительной стесненнос­тью моторного отсека автомобиля, вызывают значительные топливные испаре­ния из топливной системы при остановке горячего двигателя. Учитывая большой выброс углеводородный соединений в результате топливных испарений все производители автомобилей в настоящее время применяют специальные системы их улавливания.

Кроме углеводородов, поступающих из системы питания автомобилей, значительное загрязнение атмосферы летучими углеводородами автомобиль­ного топлива происходит при заправке автомобилей (в среднем 1,4 г СН на 1 л заливаемого топлива). Испарения вызывают также физические изменения в самих бензинах: вследствие изменения фракционного состава повышается их плотность, ухудшаются пусковые качества, снижается октановое число бен­зинов термического крекинга и прямой перегонки нефти. У дизельных автомо­билей топливные испарения практически отсутствуют вследствие малой ис­паряемости дизельного топлива и герметичности топливной системы дизеля.

Оценка уровня загрязнения атмосферы производится сопоставлением измеренной и предельно допустимой концентрации (ПДК). Значения ПДК устанавливаются для различных токсичных веществ при постоянном, среднесуточном и разовом действиях. В таблице приведены среднесуточные значения ПДК для некоторых токсичных веществ.

Таблица. Допустимые концентрации токсичных веществ

По данным исследований, легковой автомобиль при среднегодовом про­беге 15 тыс. км «вдыхает» 4,35 т кислорода и «выдыхает» 3,25 т углекислого газа, 0,8 т оксида углерода, 0,2 т углеводородов, 0,04 т оксидов азота. В отли­чие от промышленных предприятий, выброс которых концентрируется в опре­деленной зоне, автомобиль рассеивает продукты неполного сгорания топлива практически по всей территории городов, причем непосредственно в призем­ном слое атмосферы.

Удельный вес загрязнений автомобилями в крупных городах достигает больших значений.

Таблица. Доля автомобильного транспорта в общем загрязнении атмосферы в крупнейших городах мира, %

Токсичные компоненты отработавших газов и испарения из топливной системы отрицательно воздействуют на организм человека. Степень воздей­ствия зависит от их концентраций в атмосфере, состояния человека и его ин­дивидуальных особенностей.

Оксид углерода

Оксид углерода (СО) – бесцветный, не имеющий запаха газ. Плот­ность СО меньше, чем воздуха, и поэтому он легко может распространятся в атмосфере. Поступая в организм человека с вдыхаемым воздухом, СО сни­жает функцию кислородного питания, вытесняя кислород из крови. Это объясняет­ся тем, что поглощаемость СО кровью в 240 раз выше поглощаемости кисло­рода. Прямое влияние оказывает СО на тканевые биохимические процессы, влекущие за собой нарушение жирового и углеводного обмена, витаминного баланса и т.д. В результате кислородного голодания токсический эффект СО связан с непосредственным влиянием на клетки центральной нервной системы. Повышение концентрации окиси углерода опасны и тем, что в результате кислородного голодания организма ослабляется внимание, замедля­ется реакция, падает работоспособность водителей, что влияет на безопас­ность дорожного движения.

Характер токсического воздействия СО можно проследить по диаграмме, представленной на рисунок.

Рис. Диаграмма воздействия СО на организм человека:
1 – смертельный исход; 2 – смертельная опасность; 3 – головная боль, тошнота; 4 – начало токсического действия; 5 – начало заметного действия; 6 – незаметное действие; Т,ч - время воздействия

Из диаграммы следует, что даже при незначительной концентрации СО в воздухе (до 0,01%) длительное воздействие его вызывает головную боль и приводит к снижению работоспо­собности. Более высокая концентрация СО (0,02…0,033%) приводит к развитию атеросклероза, возникновению инфаркта миокарда и развитию хронических легочных заболеваний. Причем особенно вредно воздействие СО на людей, страдающих коронарной недос­таточностью. При концентрации СО около 1% наступает потеря сознания уже через несколько вздохов. СО ока­зывает негативное влияние и на нервную систему человека, вызы­вая обмороки, а также изменения цветовой и световой чувстви­тельности глаз. Симптомы отравления СО – головная боль, серд­цебиение, затрудненное дыхание и тошнота. Следует отметить, что при сравнительно небольших концентрациях в атмосфере (до 0,002%), СО связанный с гемоглобином, посте­пенно выделяется и кровь человека очищается от него на 50% каж­дые 3-4 ч.

Углеводородные соединения

Углеводородные соединения по их биологическому действию изуче­ны пока еще недостаточно. Однако экспериментальные исследования пока­зали, что полициклические ароматические соединения вызывали раку живот­ных. При наличие определенных атмосферных условий (безветрие, напряжен­ная солнечная радиация, значительная температурная инверсия) углеводоро­ды служат исходными продуктами для образования чрезвычайно токсичных продуктов – фотооксидантов, обладающих сильными раздражающим и обще­токсичным действием на органы человека, и образуют фотохимический смог. Особенно опасными из группы углеводородов являются канцерогенные веще­ства. Наиболее изученным является многоядерный ароматический углеводо­род бенз(а)пирен, известный еще под названием 3,4 бенз(а)пирен, – вещество, представляющее собой кристаллы желтого цвета. Установлено, что в местах непосредственного контакта канцерогенных веществ с тканью появляются злокачественные опухоли. В случае попадания канцерогенных веществ, осев­ших на пылевидных частицах, через дыхательные пути в легкие они задержи­ваются в организме. Токсичными углеводородами являются также и пары бен­зина, попадающие в атмосферу из топливной системы, и картерные газы, вы­ходящие через вентиляционные устройства и неплотности в соединениях от­дельных узлов и систем двигателя.

Оксид азота

Оксид азота – бесцветный газ, а диоксид азота – 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 кислот, раздражающе действуя на слизистые оболочки глаз, носа и рта. Оксиды азота участвуют в процессах, ведущих к образованию смога. Опасность их воздействия заключается в том, что от­равление организма проявляется не сразу, а постепенно, причем нет каких-либо нейтрализующих средств.

Сажа

Сажа при попадании в организм человека вызывает негативные послед­ствия в дыхательных органах. Если относительно крупные частицы сажи раз­мером 2…10 мкм легко выводятся из организма, то мелкие размером 0,5…2 мкм задерживаются в легких, дыхательных путях, вызывают аллергию. Как любая аэрозоль, сажа загрязняет воздух, ухудшает видимость на дорогах, но, самое главное, на ней адсорбируются тяжелые ароматические-углеводороды, в том числе бенз(а)пирен.

Сернистый ангидрид SО2

Сернистый ангидрид SО2 – бесцветный газ с острым запахом. Раз­дражающее действие на верхние дыхательные пути объясняется поглощение SO2 влажной поверхностью слизистых оболочек и образованием в них кислот. Он нарушает белковый обмен и ферментативные процессы, вызывает раз­дражение глаз, кашель.

Диоксид углерода СО2

Диоксид углерода СО2 (углекислый газ) – не оказывает токсического действия на ор­ганизм человека. Он хорошо поглощается растениями с выделени­ем кислорода. Но при наличии в атмосфере земли значительного количества углекислого газа, поглощающего солнечные лучи, соз­дается парниковый эффект, приводящий к так называемому «теп­ловому загрязнению». Вследствие этого явления повыша­ется температура воздуха в нижних слоях атмосферы, происходит потепление, наблюдаются различные климатические аномалии. Кроме того, повышение содержания в атмосфере СО2 способствует образованию «озоновых» дыр. При снижении концентрации озона в атмосфере земли повышается от­рицательное воздействие жесткого ультрафиолетового излучения ни организм человека.

Автомобиль является источником загрязнения воздуха также пылью. Во время езды, особенно при торможении, в результате трения покрышек о поверхность дороги образует­ся резиновая пыль, которая постоянно присутствует в воздухе на магистралях с интенсивным движением. Но покрышки не являются единственным источни­ком пыли. Твердые частицы в виде пыли выделяются с отработавшими газами, завозятся в город в виде грязи на кузовах автомобилей, образуются от истира­ния дорожного покрытия, поднимаются в воздух вихревыми потоками, возника­ющими при движении автомобиля, и т.д. Пыль отрицательно сказывается на здоровье человека, губительно действует на растительный мир.

В городских условиях автомобиль является источником согревания ок­ружающего воздуха. Если в городе одновременно движется 100 тыс. автома­шин, то это равно эффекту, производимому 1 млн. л горячей воды. Отработав­шие газы автомобилей, содержащие теплый водяной пар, вносят свой вклад в изменение климата города. Более высокие температуры пара усиливают пе­ренос тепла движущейся средой (термическая конвекция), в результате чего количество осадков над городом возрастает. Влияние города на количество осадков особенно отчетливо видно по их закономерному увеличению, проис­ходящему параллельно с ростом города. За десятилетний период наблюде­ний в Москве, например, выпадало 668 мм осадков в год, в ее окрестностях – 572 мм, в Чикаго – 841 и 500 мм соответственно.

К числу побочных проявлений деятельности чело­века относятся и кислотные дожди – растворенные в атмосферной влаге продукты сгорания – оксиды азота и серы. В основном это относится к промышлен­ным предприятиям, выбросы которых отводятся высо­ко над уровнем поверхности и в составе которых мно­го оксидов серы. Вредное воздействие кислотных дож­дей проявляется в уничтожении растительности и ускорении коррозии металлических конструкций. Важным фактором здесь является и то, что кислотные дожди способны вместе с движением атмосферных воздушных масс преодолевать расстояния в сотни и тысячи километров, пересекая границы государств. В периодической печати появляются сообщения о кислотных дождях, выпадающих в разных странах Европы, в США, Канаде и замеченных даже в таких заповедных зонах, как бассейн Амазонки.

Неблагоприятное воздействие на окружающую среду оказывают температурные инверсии – особое состояние атмосферы, при котором температура воздуха с высотой увеличивается, а не уменьшается. Приземные температурные инверсии являются результатом ин­тенсивного излучения тепла поверхностью почвы, вследствие чего охлаждаются и поверхность, и прилега­ющие слои воздуха. Подобное состояние атмосферы препятствует развитию вертикальных движений воздуха, поэтому в нижних слоях накапливаются водяной пар, пыль, газообразные вещества, способствуя образованию слоев дымки и тумана, в том числе – смога.

Широкое применение соли для борьбы с гололедом на автомобильных дорогах ведет к сокращению срока службы автомобилей, вызывает неожиданные изменения в придорожной флоре. Так, в Англии отмечено появле­ние вдоль дорог растений, характерных для морских побережий.

Автомобиль – сильный загрязнитель водоемов, подземных водных ис­точников. Определено, что 1 л нефти может сделать непригодным для питья несколько тысяч литров воды.

Большой вклад в загрязнение окружающей среды вносят процессы техни­ческого обслуживания и ремонта подвижного состава которые требуют энерге­тических затрат и связаны с большим водопотреблением, выбросом загрязняю­щих веществ в атмосферу, образованием отходов, в том числе токсичных.

При выполнении технического обслуживания транспортных средств за­действованы подразделения, зоны периодических и оперативных форм тех­нического обслуживания. Выполнение ремонтных работ ведется на производ­ственных участках. Используемые в процессах ТО и ремонта технологичес­кое оборудование, станки, средства механизации и котельные установки яв­ляются стационарными источниками загрязняющих веществ.

Таблица. Источники выделения и состав вредных веществ в производственных процессах на эксплуатационных и ремонтных предприятиях транспорта

Название зоны, участка, отделения	Производственный процесс	Используемое оборудование	Выделяющиеся вредные вещества
Участок мойки подвижного состава	Омывка наружных поверхностей	Механическая мойка (моечные машины), шланговая мойка	Пыль, щелочи, поверхностно-активные синтетические вещества, нефтепродукты, растворяемые кислоты, фенолы
Зоны технического обслуживания, участок диагностики	Техническое обслуживание	Подъемно-транспортирующие устройства, смотровые канавы, стенды, оборудование для замены смазки, комплектующих, система вытяжной вентиляции	Оксид углерода, углеводороды, оксиды азота, масляный туман, сажа, пыль
Слесарно-механическое отделение	Слесарные, расточные, сверлильные, строгальные работы	Токарный, вертикально-сверлильный, строгальный, фрезерный, шлифовальный и др. станки	Пыль абразивная, металлическая стружка, масляный туман, эмульсии
Элсктротехничсское отделение	Заточные, изолировочные, обмоточные работы	Заточной станок, электролудильные ванны, оборудование для пайки, стенды испытаний	Абразивная и асбестовая пыль, канифоль, пары кислот, третник
Аккумуляторный участок	Сборочно-разборочные и зарядные работы	Ванны для промывки и очистки, сварочное оборудование, стел- лажи, система вы­тяжной вентиляции	Промывочные растворы, пары кислот, электролит, шламы, промывочные аэрозоли
Отделение топливной аппаратуры	Регулировочные и ремонтные работы по топливной аппаратуре	Проверочные стенды, специальная оснастка, система вентиляции	Бензин, керосин, дизельное топливо. ацетон, бензол, ветошь
Кузнечно-рессорное отделение	Ковка, закалка, отпуск металлических изделий	Кузнечный горн, термические ванны, система вытяжной вентиляции	Угольная пыль, сажа, оксиды углерода, азота, серы, загрязненные сточные воды
Медницко-жестяницкое отделение	Резка, пайка, правка, формовка по шаблонам	Ножницы по металлу, оборудование для пайки, шаблоны, система вентиляции	Пары кислот, третник, наждачная и метал­лическая пыль и отходы
Сварочное отделение	Электродуговая и газовая сварка	Оборудование для дуговой сварки, ацетилена — кисло­родный генератор, система вытяжной вентиляции	Минеральная пыль, сварочный аэрозоль, оксиды марганца, азота, хрома, хлорис­тый водород, фториды
Арматурное отделение	Резка стекол, ремонт дверей, полов, сидений, внутренней отделки	Электрический и ручной инструмент, сварочное оборудование	Пыль, сварочный аэрозоль, древесная и металлическая стружка, металличес­кие и пластмассовые отходы
Обойное отделение	Ремонт и за­мена изношен­ных, повреж­денных сиде­ний, полок, кресел, диванов	Швейные машины, раскройные столы, ножи для кройки и резки поролона	Пыль минеральная и органическая, отходы тканей и синтетических материалов
Участок шиномонтажа и ремонта шин	Разборка и сборка шин, ремонт покры­шек и камер, балансировоч­ные работы	Стенды для разборки и сборки шин, оборудование для вулканизации, станки для динамической и статической балан­сировки	Минеральная и резиновая пыль, сернистый ангидрид, пары бензина
Участок лакокрасочных покрытий	Удаление старой краски, обез­жиривание, нанесение лакокрасочных покрытий	Оборудование для пневматического или безвоздушного распыления, ванны, сушильные камеры, система вентиляции	Пыль минеральная и органическая, пар-растворителей и аэг золи красок, загряз­ненные сточные в^ я
Участок обкатки двигателей (для ремонтных предприятий)	Холодная и горячая обкатка двигателя	Стенд для обкатки, система вытяжной вентиляции	Оксиды углерода, азота, углеводорода, сажа, сернистый ангидрид
Стоянки и места отстоя подвижного состава	Перемещение единиц подвижного состава, ожидание	Оборудованная площадка открытого или закрытого хранения	Тоже

Сточные воды

При эксплуатации автомобилей образуются сточные воды. Состав и количество этих вод различны. Сточные воды возвращаются обратно в окружающую среду, главным образом в объекты гидросферы (река, канал, озеро, водохранилище) и суши (поля, накопители, подземные горизонты и др.). В зависимости от вида производства сточными водами на предприятиях транспорта могут являться:

• сточные воды от мойки автомобилей
• нефтесодержащие стоки от производственных участков (моющие растворы)
• сточные воды, содержащие тяжелые металлы, кислоты, щелочи
• сточные воды, содержащие краску, растворители

Сточные воды от мойки автомобилей составляют от 80 до 85% от объема производственных стоков автотранспортных организаций. Основными загрязнителями являются взвешенные вещества и нефтепродукты. Их содержание зависит от типа автомобиля, характера дорожного покрытия, погодных условий, характера перевозимого груза и др.

Сточные воды от мойки агрегатов, узлов и деталей (отработанные моющие растворы) отличаются наличием в них значительного количества нефтепродуктов, взвешенных веществ, щелочных компонентов и поверхностно-активных веществ.

Сточные воды, содержащие тяжелые металлы (хром, медь, никель, цинк), кислоты и щелочи наиболее характерны для авторемонтных производств, использующих гальванические процессы. Они образуются в процессе приготовления электролитов, подготовки поверхностей (электрохимическое обезжиривание, травление) гальванопокрытий и промывки деталей.

В процессе проведения малярных работ (методом пневматического распыления) 40% лакокрасочных материалов поступает в воздух рабочей зоны. При проведении этих операций в окрасочных камерах, оборудованных гидрофильтрами, 90% этого количества оседает на элементах самих гидрофильтров, 10% уносится с водой. Таким образом, в сточные воды окрасочных участков попадает до 4% израсходованных лакокрасочных материалов.

Основным направлением в области снижения загрязнения водных объектов, грунтовых и подземных вод промышленными стоками, является создание систем оборотного водоснабжения производства.

Ремонтные работы сопровождаются также загрязнением почвы, на­коплением металлических, пластмассовых и резиновых отходов вблизи про­изводственных участков и отделений.

При строительстве и ремонте путей сообщения, а также производственно-бытовых объектов предприятий транспорта происходит изъятие из экосистем воды, грунта, плодородных почв, минеральных ресурсов недр, разрушение природных ландшафтов, вмешательство в животный и растительный мир.

Шум

Наряду с другими видами транспорта, промышленным оборудованием, бытовыми приборами автомобиль является источником искусственного шу­мового фона города, как правило, отрицательно воздействующего на челове­ка. Следует отметить, что и без шума, если он не превышает допустимых пре­делов, человек чувствует дискомфорт. Не случайно исследователи Арктики не раз писали о «белом безмолвии», которое угнетающе действует на челове­ка, тогда как «шумовое оформление» природы положительно влияет на психи­ку. Однако шум искусственного происхождения, особенно сильный шум, отри­цательно влияет на нервную систему. Перед населением современных горо­дов возникает серьезная проблема борьбы с шумом, так как сильный шум не только ведет к потере слуха, но и вызывает психические расстройства. Опас­ность шумового воздействия усугубляется свойством человеческого организ­ма накапливать акустические раздражения. Под действием шума определен­ной интенсивности возникают изменения в циркуляции крови, работе сердца и желез внутренней секреции, снижается мышечная выносливость. Статисти­ческие данные свидетельствуют о том, что процент нервно-психических забо­леваний выше среди лиц, работающих в условиях повышенного уровня шума. Реакция на шум зачастую выражается в повышенной возбудимости и раздражительности, охватываю­щих всю сферу чувствительных восприятий. Люди, подвергающиеся постоян­ному воздействию шума, часто становятся трудными в общении.

Шум оказывает вредное влияние на зрительный и вестибулярный анали­заторы, снижает устойчивость ясного видения и рефлекторную деятельность. Чувствительность сумеречного зрения ослабевает, снижается чувствительность дневного зрения к оранжево-красным лучам. В этом смысле шум является кос­венным убийцей многих людей на автотранспортных магистралях мира. Это от­носится как к водителям автотранспорта, работающим в условиях интенсивного шума и вибрации, так и к жителям крупных городов с высоким уровнем шума.

Особенно вреден шум в сочетании с вибрацией. Если кратковременная вибрация тонизирует организм, то постоянная вызывает так называемую виб­рационную болезнь, т.е. целый комплекс нарушений в организме. У водителя снижается острота зрения, сужается поле видимости, может изменится вос­приятие цвета или способность оценивать расстояние до встречного автомо­биля. Нарушения эти, конечно, индивидуальны, однако для профессиональ­ного водителя они всегда нежелательны.

Опасным является также инфразвук, т.е. звук с частотой менее 17 Гц. Этот индивидуальный и неслышный враг вызывает реакции, противопоказан­ные человеку за рулем. Воздействие инфразвука на организм вызывает сон­ливость, ухудшение остроты зрения и замедленную реакцию на опасность.

Из источников шума и вибрации в автомобиле (коробка передач, задний мост, карданный вал, кузов, кабина, подвеска, а также колеса, шины) основным является двигатель с его системами впуска и выпуска, охлаждения и питания.

Рис. Анализ источников шума грузового автомобиля:
1 – суммарный шум; 2 – двигатель; 3 – система выпуска отработавших газов; 4 – вентилятор; 5 – впуск воздуха; 6 – остальное

Тем не менее, при скорости движения автомобиля более 50 км/ ч преобладающим является шум создаваемый шинами автомобиля, который увеличивается пропорционально скорости движения.

Рис. Зависимость шума автомобиля от скорости движения:
1 – диапазон рассеивания шума из-за разных сочетаний дорожных покрытий и шин

Совокупное действие всех источников акустического излучения и приво­дит к тем высоким уровням шума, которыми характеризуется современный автомобиль. Эти уровни зависят и от других причин:

• состояния дорожного по­крытия
• скорости и изменения направления движения
• изменения частоты вра­щения коленчатого вала двигателя
• нагрузки
• и т.д.

Угарный газ и окислы 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 окиси углерода и 70% по окиси 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.

Вредные вещества, загрязняющие атмосферу

Образование токсичных веществ - продуктов неполного сгорания и окислов 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 окислов азота носит термический характер и не связана непосредственно с реакциями окисления топлива.

К основным токсичным выбросам автомобиля относятся: отработавшие газы (ОГ), картерные газы и топливные испарения. Отработавшие газы, выбрасываемые двигателем, содержат окись углерода (СО), углеводороды (СХHY), окислы 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.

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, окись углерода, углеводороды, альдегиды.

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.

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 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.

Гидроводороды (СxНy) - 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.

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%).