Выбросы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) делятся на выбросы от карбюраторных и дизельных двигателей. Такое разделение связано с тем, что карбюраторные двигатели (КД) работают с однородными топливновоздушными смесями, в то время как дизельные двигатели (ДД) – с гетерогенными смесями.

Выбросы загрязнений от двигателей внутреннего сгорания карбюраторного типа включают углеводороды, оксиды углерода, оксиды азота и нерегулярные выбросы. Загрязнения возникают вследствие реакций и в процессе горения в объеме и на поверхностях. Прорыв газов через поршневые кольца и выхлоп из цилиндров являются менее интенсивным источником выбросов загрязнений.

В 1980 г. 4 % выпускаемых в мире легковых и грузовых автомобилей было оснащено дизелями, а к концу 80-х годов этот показатель возрос до 25 %. Основные выбросы загрязнений дизельных двигателей те же самые, что и карбюраторных двигателей (углеводороды, оксид углерода, оксиды азота, нерегулярные выбросы), но к ним добавляются частицы углерода (сажевый аэрозоль).

Легковой автомобиль выбрасывает оксида углерода СО до 3 м3 /ч, грузовой - до 6 м3 /ч (3…6 кг/ч).

О составе выхлопных газов автомобилей с различными типами двигателей можно судить по данным, приведенным в табл. 8.1.

Выбросы оксида углерода и углеводородов у карбюраторных двигателей существенно выше, чем у дизельных двигателей.

8.2. Снижение выбросов двигателей внутреннего сгорания

Повышение экологических показателей автомобиля возможно за счет проведения комплекса мероприятий по совершенствованию его конструкции и режима эксплуатации. К улучшению экологических показателей автомобиля приводят: повышение его экономичности; замена бензиновых ДВС на дизельные; перевод ДВС на использование альтернативных топлив (сжатый или сжиженный газ, этанол, метанол, водород и др.); применение нейтрализаторов отработавших газов ДВС; совершенствование режима работы ДВС и технического обслуживания автомобиля.

Известны и применяются ряд методов снижения токсичности выхлопных газов. Среди них работа автомобиля в условиях, когда двигатель выделяет наименьшее количество токсичных веществ (уменьшение торможения, равномерное движение с определенной скоростью и т. д.); применение специальных присадок к топливу, увеличивающих полноту его сгорания и уменьшающих выброс СО (спирты, другие соединения); пламенное дожигание некоторых вредных компонентов.

В карбюраторных двигателях соотношение между воздухом и топливом влияет на содержание углеводородов и оксида углерода в выхлопе. Так, например, выбросы увеличиваются при увеличении обогащения смеси. Содержание СО увеличивается из-за неполного сгорания, вызванного недостатком кислорода в смеси. Увеличение содержания углеводородов проистекает в первую очередь из-за увеличения адсорбции топлива и усиления механизма неполного сгорания топлива. Бедные смеси создают более низкие концентрации Сn Нm и СО в выбросе в результате их более полного сгорания.

В дизельных двигателях мощность изменяется при изменении количества впрыскиваемого топлива. В результате изменяется распределение струи топлива, количество топлива, ударяющегося о стенку, давление в цилиндре, температура, а также продолжительность впрыскивания.

Специалисты считают, что для заметного снижения вредных выбросов необходимо сократить потребление бензина с 8 литров (на 100 км пробега – до 2…3 л. Это требует совершенствование устройства двигателя и качества топлива; перехода на неэтилизированный бензин; применения каталитического дожига для уменьшения выброса СО; внедрения электрон-

ной системы управления процессов горения топлива; и другие меры, в частности применения глушителей шума в системе выхлопа.

Повышение топливной экономичности автомобиля достигается главным образом за счет совершенствования процесса сгорания в ДВС: послойное сжигание топлива; форкамерно-факельное сжигание; применение подогрева и испарения топлива во впускном тракте; использование электронного зажигания. Дополнительными резервами повышения экономичности автомобиля являются:

- снижение массы автомобиля за счет усовершенствования его конструкции и применения неметаллических и высокопрочных материалов;

- улучшение аэродинамических показателей кузова (последние модели легковых автомобилей обладают, как правило, на 30…40 % меньшим коэффициентом лобового сопротивления);

- снижения сопротивления воздушных фильтров и глушителей, отключения вспомогательных агрегатов, например вентилятора и т. п.;

- снижения массы перевозимого топлива (неполное заполнение баков) и массы инструментов.

Современные модели легковых автомобилей существенно отличаются по топливной экономичности от предшествующих моделей.

Перспективные марки легковых автомобилей будут обладать расходом бензина 3,5 л/100 км и менее. Повышение экономичности автобусов и грузовых автомобилей достигается прежде всего применением дизельных ДВС. Они обладают экологическими преимуществами по сравнению с бензиновыми ДВС, поскольку имеют меньший на 25…30 % удельный расход топлива; кроме того, состав отработавших газов у дизельного ДВС менее токсичен (см. табл. 8.1).

Экологическими преимуществами по сравнению с бензиновыми ДВС обладают двигатели, работающие на альтернативных топливах. Общее представление о снижении токсичности ДВС при переходе на альтернативное топливо можно получить из данных, приведенных в табл. 8.2.

Таблица 8.2 Токсичность выбросов ДВС на различных топливах

Многие ученые видят частичное решение экологической проблемы в переводе автомобилей на газообразное топливо. Так, содержание окиси уг-

лерода в выхлопах газомобилей меньше на 25…40 %; окиси азота на 25…30 %; сажи на 40…50 %. При использовании в автомобильных двигателях сжиженного или сжатого газа выхлопные газы почти не содержат оксида углерода. Решением проблемы явилось бы широкое применение электромобиля. Выпускаемые электромобили имеют ограниченный радиус действия из-за ограниченной емкости и большой массы батарей. Сейчас ведутся широкие исследования в этой области. Некоторые положительные результаты уже достигнуты. Снижение токсичности выбросов может быть достигнуто уменьшением содержания соединений свинца в бензине без ухудшения его энергетических качеств.

Перевод на газовое топливо не предусматривает значительных изменений в конструкции ДВС, однако сдерживается отсутствием станций заправки и необходимого количества автомобилей, переоборудованных для работы на газе. Кроме того, автомобиль, переоборудованный для работы на газовом топливе, теряет грузоподъемность из-за наличия баллонов и запас хода приблизительно в 2 раза (200 км против 400…500 км у бензинового автомобиля). Эти недостатки частично устранимы при переводе автомобиля на сжиженный природный газ.

Применение метанола и этанола требует изменений конструкции ДВС, так как спирты более химически активны к резинам, полимерам, медным сплавам. В конструкцию ДВС необходимо вводить дополнительный подогреватель для запуска двигателя в холодный период года (при t< -25 °С); необходима перерегулировка карбюратора, так как изменяется стехиометрическое отношение расхода воздуха к расходу топлива. У бензиновых ДВС оно равно 14,7; у двигателей на метаноле - 6,45, а на этаноле - 9. За рубежом (Бразилия) применяют смеси бензина и этанола в пропорции 12:10, что позволяет использовать бензиновые ДВС с незначительными изменениями их конструкции, несколько повышая при этом экологические показатели двигателя.

Несмотря на то, что выбросы токсичных веществ (Сn Нm и СО) из картера и топливной системы двигателя по крайней мере на порядок ниже выбросов выхлопных газов, в настоящее время разрабатываются методы сжигания картерных газов ДВС. Известна замкнутая схема нейтрализации картерных газов с подачей их во впускной трубопровод двигателя с последующим дожиганием. Замкнутая система вентиляции картера с возвращением картерных газов до карбюратора уменьшает выделение в атмосферу углеводородов на 10…30 %, оксидов азота на 5…25 %, но при этом увеличивается выброс оксида углерода на 10…35 %. При возвращении картерных газов после карбюратора снижается выброс Cn Hm на 10…40 %, СО на 10…25 %, но возрастает выброс NOx на 10…40 %.

Для предотвращения выбросов паров бензина из топливной системы, основная часть которых поступает в атмосферу, когда двигатель не работает, на автомобилях устанавливают систему обезвреживания испарений топлива из карбюратора и топливного бака, состоящую из трех основных узлов (рис. 8.1): герметичного топливного бака 1 со специальной емкостью 2 для компенсации теплового расширения топлива; крышки 3 топливно-за- правочной горловины бака с двусторонним предохранительным клапаном для предотвращения чрезмерного давления или разрежения в баке; адсорбера 4 для поглощения паров топлива при выключенном двигателе с системой возврата паров во впускной тракт двигателя во время его работы. В качестве адсорбента используют активированный уголь.

Рис. 8.1. Схема улавливания паров топлива бензинового ДВС

Соблюдение регламента технического обслуживания и контроль состава отработанных газов (ОГ) ДВС позволяет значительно сократить токсичные выбросы в атмосферу. Известно, что при 160 тыс. км пробега и при отсутствии контроля выбросы СО возрастают в 3,3 раза, а Сп Нт - в 2,5 раза.

Повышение экологических показателей газотурбинной двигательной установки (ГТДУ) на самолетах достигается совершенствованием процесса сгорания топлива, применением альтернативного топлива (сжиженный газ, водород и др.), рациональной организацией движения в аэропортах.

Увеличение времени пребывания продуктов сгорания в камере сгорания ГТДУ сопровождается увеличением полноты сгорания (уменьшение содержания СО и Cn Hm в продуктах сгорания) и содержания в них оксидов азота. Поэтому, изменяя время пребывания газа в камере сгорания, можно достичь лишь минимальной токсичности продуктов сгорания, а не устранить ее полностью.

Более эффективным средством снижения токсичности ГТДУ является применение способов подачи топлива, обеспечивающих более равномерное смешение топлива и воздуха. К ним относятся устройства с предварительным испарением топлива, форсунки с аэрацией топлива и др. Испытания на модельных камерах свидетельствуют о том, что такими способами можно снизить содержание в продуктах сгорания Сn Нm более чем на порядок, СО - в несколько раз, обеспечить бездымный выхлоп и уменьшить содержание NOx .

Существенное снижение содержания NOx в продуктах сгорания ГТДУ достигается при стадийном процессе сгорания топлива в двухзонных камерах сгорания. В таких камерах основная часть топлива на режимах большой тяги сжигается в виде предварительно подготовленной бедной смеси. Меньшая часть топлива (~25 %) сжигается в виде богатой смеси, где и образуются в основном оксиды азота. Опыты показывают, что при таком сгорании можно снизить содержание NOx в 2 раза.

Решение экологических проблем, связанных с применением ракетной техники, основано на использовании экологически безопасного топлива и прежде всего кислорода и водорода.

8.3. Нейтрализация выхлопов двигателей внутреннего сгорания

Улучшение экологических характеристик автомобилей возможно за счет комплекса мероприятий по совершенствованию их конструкций и режимов эксплуатации. К ним относятся повышение экономичности работы двигателей, замена их бензиновых версий на дизельные, использование альтернативных топлив (сжатый или сжиженный газ, этанол, метанол, водород и др.), применение нейтрализаторов отработанных газов, оптимизация режима работы двигателей и технического обслуживания автомобилей.

Значительное снижение токсичности ДВС достигается при использовании нейтрализаторов отработавших газов (ОГ). Известны жидкостные, каталитические, термические и комбинированные нейтрализаторы. Наиболее эффективными из них являются каталитические конструкции. Оснащение ими автомобилей началось в 1975 г. в США и в 1986 г. - в Европе. С тех пор загрязнение атмосферы выхлопами резко снизилось - соответственно на 98,96 и 90% по углеводородам, СО и NOх .

Нейтрализатор - это дополнительное устройство, которое вводится в выпускную систему двигателя для снижения токсичности ОГ. Известны жидкостные, каталитические, термические и комбинированные нейтрализаторы.

Принцип действия жидкостных нейтрализаторов основан на растворении или химическом взаимодействии токсичных компонентов ОГ при пропускании их через жидкость определенного состава: вода, водный раствор сульфита натрия, водный раствор двууглекислой соды.

На рис. 8.2 представлена схема жидкостного нейтрализатора, применяемого с двухтактным дизельным двигателем. Отработавшие газы поступают в нейтрализатор по трубе 1 и через коллектор 2 попадают в бак 3, где вступают в реакцию с рабочей жидкостью. Очищенные газы проходят через фильтр 4, сепаратор 5 и выбрасываются в атмосферу. По мере испарения жидкость доливают в рабочий бак из дополнительного бака 6.

Рис. 8.2. Схема жидкостного нейтрализатора

Пропускание отработавших газов дизелей через воду приводит к уменьшению запаха, альдегиды поглощаются с эффективностью 0,5, а эффективность очистки от сажи достигает 0,60…0,80. При этом несколько уменьшается содержание бенз(а)пирена в отработанных газах дизелей. Температура газов после жидкостной очистки составляет 40…80 °С, примерно до этой же температуры нагревается и рабочая жидкость. При снижении температуры процесс очистки идет интенсивнее.

Жидкостные нейтрализаторы не требуют времени для выхода на рабочий режим после пуска холодного двигателя. Недостатки жидкостных нейтрализаторов: большая масса и габариты; необходимость частой смены рабочего раствора; неэффективность по отношению к СО; малая эффективность (0,3) по отношению к NOx ; интенсивное испарение жидкости. Однако использование жидкостных нейтрализаторов в комбинированных системах очистки может быть рациональным, особенно для установок, отработавшие газы которых должны иметь низкую температуру при поступлении в атмосферу.

Выхлопные газы

В Евросоюзе разрешенный уровень вредных веществ в выхлопе зависит от возраста автомобиля. Если год выпуска автомобиля раньше чем 1978, то нет каких - либо фиксированных ограничений, существует лишь одно требование, чтобы не было видимого дыма, выходящего из выхлопной трубы. Если машина 1979-1986 года выпуска, то максимальный лимит выделяемых ею вредных веществ, измеряемых на холостом ходу таков: CO - меньше, чем 4,5%, СH - 100 ppm. Кислород должен быть меньше чем 5%. Последний показатель обычно используется для подтверждения того, что ничего незаконного для снижения уровня CO с системами автомобиля сделано не было. С 1986 по 1990 в большинстве стран требования стали более высокими: CO - 3,5%, CH - 600 ppm. С 1991 были установлены новые правила относительно автомобилей оборудованных каталитическим дожигателем выхлопных газов. Сейчас уровень вредных выхлопов автомобиля измеряют двумя способами: на холостом ходу и на 2500 оборотах двигателя в минуту. С помощью каталитического дожигателя выхлопных газов уровень вредных выхлопов намного сократился, по этой причине показатели ограничений вредных выхлопов тоже уменьшились. На холостом ходу уровень CO должен быть не более 0,5%, а CH не более 100 ppm. В это же время так называемый коэффициент избытка воздуха альфа высчитывается математически и должен быть между 0,91 - 1,03. Также уровень кислорода должен быть меньше чем 0,5% и контрольный уровень CO 2 должен быть меньше 16.

Владельцы новых машин не имеют проблем с получением разрешения на использование их транспорта. Хотя, например, в Финляндии средний возраст легкового автомобиля составляет 10,5 лет. Но когда автомобиль имеет значительный пробег и возраст, при прохождении теста на вредность выхлопа он может быть отправлен на ремонт.

Очень часто эти проблемы встречаются у старых автомобилей, когда двигатель уже имеет значительный пробег и потерял свою былую мощь. Зачастую владельцы не замечают, что их автомобиль уже утратил мощность.

Количество отходящих газов автомобилей

В основном определяется массовым расходом топлива автомобилями. Расход по расстоянию нормируется и обычно указывается производителями (одна из потребительских характеристик). В отношении суммарного объема выходящих из глушителя выхлопных газов приблизительно можно ориентироваться на такую цифру -- один литр сжигаемого бензина приводит к образованию примерно 16 кубометров или 16000 литров смеси различных газов. На основании этих данных можно судить примерное количество выбрасываемых в атмосферу вредных примесей, но здесь есть небольшая проблема. Мы можем определить только количество разных газов, вылетающее при сжигании определённого количества литров топлива, но никак ни при одном выхлопе, и уж тем более за промежуток времени (час, день, месяц и т.д.). Поэтому судить о количестве газов, выбрасываемых в атмосферу каждый час, мы не можем в принципе. Нигде не установлено, что все машины в день проезжают определённое кол-во километров с одной скоростью. А искать какое-либо среднее число -- значит, обманывать себя, потому что данные могут быть не только сильно приближёнными, но и вовсе ошибочными.

Таблица №1. Расход топлива у машин разных марок

K -- карбюраторный двигатель

i -- инжекторный двигатель

D -- дизельный двигатель

плотность бензина при +20С колеблется от 0,69 до 0,81 г/смі

плотность дизельного топлива при +20С по ГОСТ 305-82 не более 0,86 г/смі

Таблица №2. Состав автомобильных выхлопных газов

Выхлопные газы (или отработавшие газы) - основной источник токсичных веществ двигателя внутреннего сгорания - это неоднородная смесь различных газообразных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, поступающих из цилиндров двигателей в его выпускную систему. В своем составе они содержат около 300 веществ, большинство из которых токсичны. Основными нормируемыми токсичными компонентами выхлопных газов двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводороды. Кроме того, с выхлопными газами в атмосферу поступают предельные и непредельные углеводороды, альдегиды, канцерогенные вещества, сажа и другие компоненты. Примерный состав выхлопных газов представлен в таблице 1.При работе двигателя на этилированном бензине в составе выхлопных газов присутствует свинец, а у двигателей, работающих на дизельном топливе -- сажа. Теперь попытаемся выяснить, чем же опасен каждый выхлоп, и каково количество газов, вырывающихся из выхлопной трубы.

Оксид углерода (CO - угарный газ)

Прозрачный, не имеющий запаха ядовитый газ, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Оксид углерода - продукт неполного сгорания топлива, на воздухе горит синим пламенем с образованием диоксида углерода (углекислого газа). Если его содержание велико, двигатель расходует слишком много топлива и масла из картера.

В камере сгорания двигателя CO образуется при неудовлетворительном распыливании топлива, в результате холоднопламенных реакций, при сгорании топлива с недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода при высоких температурах. При этом процесс выгорания CO продолжается и в выпускном трубопроводе.

Необходимо отметить, что при эксплуатации дизелей концентрация CO в выхлопных газах невелика (примерно 0,1-0,2%), поэтому, как правило, концентрацию CO определяют для бензиновых двигателей. В среднем, машины при сжигании литра бензина выбрасывают в воздух около 800 литров углекислого газа

Оксиды азота (NO, NO2 , N2O , N2O3 , N2O5 , в дальнейшем - NOx )

Оксиды азота являются одними из наиболее токсичных компонентов отработавших газов. При нормальных атмосферных условиях азот представляет собой весьма инертный газ. При высоких давлениях и особенно температурах азот активно вступает в реакцию с кислородом. В выхлопных газах двигателей более 90% всего количества NОx составляет оксид азота NO, который еще в системы выпуска, а затем и в атмосфере легко окисляется в диоксид (NO 2).

Оксиды азота раздражающе воздействуют на слизистые оболочки глаз, носа, разрушают легкие человека, так как при движении по дыхательному тракту они взаимодействуют с влагой верхних дыхательных путей, образуя азотную и азотистую кислоты. Как правило, отравление организма человека NОx проявляется не сразу, а постепенно, причем каких либо нейтрализующих средств нет. При сжигании литра бензина из выхлопной трубы выбрасывается примерно 128 л оксидов азота.

Закись азота (N 2 O - гемиоксид, веселящий газ) - газ с приятным запахом, хорошо растворим в воде. Обладает наркотическим действием.

NO 2 (диоксид) - бледно-желтая жидкость, участвующая в образовании смога. Диоксид азота используется в качестве окислителя в ракетном топливе. Считается, что для организма человека оксиды азота примерно в 10 раз опаснее CO, а при учете вторичных превращений - в 40 раз.

Оксиды азота представляют опасность для листьев растений. Установлено, что их непосредственное токсичное влияние на растения проявляется при концентрации Nox в воздухе в пределах 0,5-6,0 мг/м 3 . Азотная кислота вызывает сильную коррозию углеродистых сталей.

На величину выброса оксидов азота оказывает значительное влияние температура в камере сгорания. Так, при повышении температуры от 2500 до 2700 К скорость реакции увеличивается в 2,6 раза, а при уменьшении от 2500 до 2300 К - уменьшается в 8 раз, т.е. чем выше температура, тем выше концентрация NOx. Ранний впрыск топлива или высокие давления сжатия в камере сгорания также способствуют образованию NOx. Чем выше концентрация кислорода, тем выше концентрация оксидов азота.

Углеводороды (CnHm - этан, метан, этилен, бензол, пропан, ацетилен и др.)

Углеводороды - органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода, являются токсичными веществами. В выхлопных газах содержится более 200 различных CH, которые делятся на алифатические (с открытой или закрытой цепью) и содержащие бензольное или ароматическое кольцо. Ароматические углеводороды содержат в молекуле один или несколько циклов из 6 атомов углерода, соединенных между собой простыми или двойными связями (бензол, нафталин, антрацен и др.). Имеют приятный запах. Измеряется его количество в условной единице ppm (кол-во частиц на миллион). Так что даже незначительное увеличение эффективности сгорания может иметь большое влияние на его уровень. Обычно, чрезвычайно высокий уровень углеводорода является проблемой не только хозяев машин, но и механиков.

Наличие CH в отработавших газах двигателей объясняется тем, что смесь в камере сгорания является неоднородной, поэтому у стенок, в переобогащенных зонах, происходит гашение пламени и обрыв цепных реакций. Существуют несколько факторов влияющих на количество углеводорода в выхлопных газах. Герметичность клапанов, их чистота и регулировка момента зажигания, все они одинаково важны. Не только регулировка момента зажигания, но также и текущая сила сгорания, все, что влияет на сгорание, имеет большое значение в ограничении количества углеводорода в выхлопных газах. Примерное кол-во углеводорода, образующегося при сгорании литра бензина -- 400-450л.

Кого-то эти цифры могут испугать, но давайте разберёмся: литры -- это мера объёма, и, ни в коем случае нельзя путать эти цифры с жидкостью, ведь 800 литров -- довольно большое число для жидкости. А для газа? Газ является веществом, у которого молекулы в несколько сотен и тысяч раз меньше расстояния между ними. Если представить что-то более плотное, то обьём сократится в десятки и сотни раз. А теперь внимательно -- литр бензина, при сжигании которого и производится этот обьём, расходуется для преодоления расстояния в 10 км. Постараемся рассеять большинство иллюзий -- это не такое сильное загрязнение, просто в момент выхлопа выделяется неприятный запах, и нам кажется, что состав воздуха вокруг резко изменился. Но на нашей одежде даже осадка никакого не осталось.

В результате работы двигателя внутреннего сгорания, которым оснащен каждый современный автомобиль, происходит сгорание гидрокарбонатного топлива, и в атмосферу выбрасывается огромное количество разнообразных химических соединений. Начиная с середины 60-х годов прошлого века выброс выхлопных газов стал волновать многих людей. С этого момента начинается борьба человечества за максимально возможное сокращение этих выбросов.

Проблема, связанная с парниковым эффектом

Климатические изменения на глобальном уровне являются одной из важных особенностей XXI века. Во многом эти изменения обусловлены деятельностью человечества, в частности, в последние десятилетия значительно увеличились выбросы парниковых газов в атмосферу. Основным источником выбросов являются выхлопные газы автомобилей, 30 % которых являются парниковыми.

Парниковые газы существуют в естественных условиях и призваны регулировать температуру нашей голубой планеты, однако даже незначительное увеличение их количества в атмосфере может привести к серьезным глобальным последствиям.

Самым опасным парниковым газом является CO2, или углекислый газ. На его долю приходятся около 80 % всех выбросов, большая часть которых связана с сжиганием топлива в двигателях автомобилей. Углекислый газ остается длительное время в атмосфере в активном состоянии, что увеличивает его опасность.

Автомобиль - главный загрязнитель атмосферы

Одним из основных источников углекислого газа являются выхлопы автомобилей. Помимо CO2 они выбрасывают в атмосферу угарный газ CO, остатки углеводородов, окислы азота, соединения серы и свинца, а также твердые частицы. Все эти соединения в огромных количествах попадают в воздух, приводят к глобальному увеличению температуры и появлению серьезных болезней у людей, живущих в крупных городах.

Кроме того, разные автомобили выбрасывают выхлопные газы различного состава, все зависит от типа используемого горючего, например бензин или дизельное топливо. Так, при сгорании бензина возникает целый букет химических соединений, которые состоят в основном из угарного газа, оксидов азота, углеводородов и соединений свинца. Выхлопы дизельных двигателей содержат сажу, которая приводит к образованию смога, несгоревшие углеводороды, окислы азота и серный ангидрид.

Таким образом, вред выхлопных газов для окружающей среды несомненен. В настоящее время ведется работа по уменьшению количества выбросов каждым авто, а также замена использования бензина альтернативными и более экологичными источниками энергии, например солнечной или ветровой энергией. Большое внимание уделяется водородному топливу, результатом сгорания которого является обычный водяной пар.

Влияние выбросов на здоровье человека

Вред, который наносят выхлопные газы здоровью человека, может быть очень серьезным.

В первую очередь опасен угарный газ, который вызывает потерю сознания и даже смерть, если его концентрация в атмосфере повышена. Помимо него вредны окислы серы и соединения свинца, которые вылетают в большом количестве из выхлопной трубы авто. Сера и свинец известны своим сильным отравляющим действием и могут оставаться в организме длительное время.

Углеводороды и частички сажи, которые также попадают в атмосферу в результате частичного сгорания топлива в двигателе, способны вызвать тяжелые заболевания дыхательной системы, включая развитие злокачественных опухолей.

Постоянное и продолжительное действие выхлопных газов на организм приводит к ослаблению иммунитета человека, бронхиту. Вред наносится кровеносным сосудам и нервной системе.

Выхлопные газы автомобилей

В настоящее время во всех странах мира автомобили проходят обязательную проверку на соответствие установленным экологическим стандартам. В большинстве случаев называют следующие выхлопные газы, вред экологии от которых является максимальным:

• монооксид углерода и углекислый газ;
• различные остатки углеводородов.

Однако современные стандарты развитых стран мира также предъявляют требования по уровню выбрасываемых в атмосферу окислов азота и к системе контроля процесса испарения горючего из топливного бака.

Углекислый газ (CO)

Из всех загрязнителей окружающей среды самым опасным является углекислый газ, поскольку он не обладает ни цветом, ни запахом. Вред для здоровья выхлопного газа автомобилей значителен, так, его концентрация в воздухе всего 0,5 % способна вызвать у человека потерю сознания и последующую смерть в течение 10-15 минут, а такая концентрация, как 0,04 %, приводит к возникновению головной боли.

Этот продукт работы двигателя внутреннего сгорания образуется в большом количестве, когда бензиновая смесь является богатой углеводородами и бедной кислородом. В этом случае происходит неполное сгорание топлива и образуется CO. Проблема может быть решена путем правильной настройки карбюратора, заменой или очисткой грязного воздушного фильтра, регулировкой клапанов, впрыскивающих горючую смесь, и некоторыми другими мера.

Выделяется большое количество CO в выхлопных газах в процессе прогрева автомобиля, поскольку его двигатель является холодным и сжигает частично бензиновую смесь. Поэтому прогрев автомобиля следует осуществлять в хорошо проветриваемом помещении либо на открытом воздухе.

Углеводороды и органические масла

Углеводороды, которые не догорают в двигателе, а также испарившиеся органические масла являются веществами, которые определяют основной вред выхлопных газов автомобилей для окружающей среды. Сами по себе эти химические соединения не представляют опасности, однако, попадая в атмосферу, они вступают в реакцию с другими веществами под действием солнечных лучей, и полученные соединения вызывают резь в глазах, затрудняют дыхание. Кроме того, углеводороды являются основной причиной смога в крупных городах.

Снижение количества углеводородов в выхлопных газах достигается путем настройки карбюратора так, чтобы он готовил и не бедную, и не богатую смесь, а также постоянным контролем надежности компрессионных колец в цилиндрах двигателя и регулировкой свечей зажигания. Полное сжигание углеводородов приводит к образованию углекислого газа и паров воды, которые являются безобидными веществами как для экологии, так и для человека.

Оксиды азота

Около 78 % атмосферного воздуха состоит из азота. Он является достаточно инертным газом, но при температурах сжигания топлива выше 1300 °C азот расщепляется на отдельные атомы и вступает в реакцию с кислородом, образуя различного типа оксиды.

Вред выхлопных газов для здоровья человека также связан с этими оксидами. В частности, сильнее всего страдает дыхательная система. При больших концентрациях и продолжительном действии оксиды азота могут вызвать головные боли и острый бронхит. Вредны оксиды и для окружающей среды. Попав в атмосферу, они образуют смог и разрушают озоновый слой.

Для снижения выбросов оксидов азота применяют в автомобилях специальную систему рециркуляции выбросов газов, принцип работы которой заключается в поддержании температуры двигателя ниже порога образования этих оксидов.

Испарение топлива

Простое испарение топлива из бака может стать одним из серьезных источников загрязнения окружающей среды. В связи с этим последние несколько десятилетий изготавливают специальные баки, конструкция которых призвана решать данную проблему.

Бак с топливом должен также "дышать". Для этого придумана специальная система, которая заключается в том, что сама полость бака соединена с помощью шлангов с резервуаром, который заполнен активированным углем. Этот уголь способен поглощать возникающие пары топлива, когда двигатель автомобиля не работает. Как только двигатель заводится, открывается соответствующее отверстие и в двигатель поступают поглощенные углем пары для их сжигания.

За работоспособностью всей этой системы из бака и шлангов нужно постоянно следить, поскольку в них может возникать утечка паров горючего, которые будут загрязнять окружающую среду.

Решение проблемы выбросов в крупных городах

В крупных современных городах сосредоточены десятки тысяч заводов, проживают миллионы людей и по улицам ездят сотни тысяч автомобилей. Все это сильно загрязняет атмосферу, что стало основной проблемой XXI века. Для ее решения городские власти вводят ряд административных и мер.

Так, в 2003 году в Лондоне был принят протокол против загрязнения автомобильным транспортом окружающей среды. Согласно этому протоколу с водителей, которые ездят через центральные районы города, взимается дополнительная плата в размере 10 фунтов стерлингов. В 2008 году лондонские власти утвердили новый закон, который стал более эффективно регулировать перемещение грузового транспорта, автобусов и личных авто по центральной части города, установив для них верхний скоростной порог. Эти меры привели к сокращению содержания вредных газов в атмосфере над Лондоном на 12 %.

Начиная с 2000-х годов подобные меры были приняты во многих городах-миллионниках. Среди них следующие:

• Токио;
• Берлин;
• Афины;
• Мадрид;
• Париж;
• Стокгольм;
• Брюссель и другие.

Противоположный эффект закона против загрязнения

Борьба с выхлопными газами автомобилей не является простой задачей, что ярко демонстрирует пример двух самых грязных городов на планете: Мехико и Пекина.

С 1989 года в столице Мексики действует закон, согласно которому запрещается использовать личный автомобиль по определенным дням недели. В первое время этот закон стал приносить положительные результаты и выбросы газов сократились, однако через некоторое время жители начали приобретать вторые подержанные автомобили, благодаря чему они стали ездить каждый день на личном транспорте, заменяя одно авто другим в течение недели. Такая ситуация ухудшила еще сильнее состояние городской атмосферы.

Подобная ситуация наблюдается и в столице Китая. По данным 2015 года, около 80 % жителей Пекина располагают несколькими автомобилями, позволяющими им перемещаться каждый день на них. Кроме того, в этом мегаполисе фиксируется огромное количество нарушений закона против загрязнения.

Задумывались ли Вы, сколько один автомобиль поглощает кислорода и выделяет углекислого газа СО2 в год?
А сколько нужно деревьев, чтобы переработать это количество CO2 обратно в кислород? Давайте подсчитаем в качестве «математического» интереса…

Что мы знаем об углекислом газе CO2?

Растения выделяют кислород и поглощают углекислый газ.

Люди и животные вдыхают кислород , а выдыхают углекислый газ. Это поддерживает постоянное количество кислорода и углекислого газа в воздухе.

Однако, ошибкой будет утверждение, что животные только выделяют углекислый газ, а растения - только поглощают его. Растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза , а без освещения они тоже его выделяют.

В воздухе всегда содержится небольшое количество углекислого газа, около 1 литра в 2560 литрах воздуха. Т.е. концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,038 %.

При концентрации СО2 в воздухе более 1 % его вдыхание вызывает симптомы, указывающие на отравление организма — «Гиперкапния» : головная боль, тошнота, частое поверхностное дыхание, усиленное потоотделение и даже потеря сознания.

Как видно на диаграмме сверху концентрация углекислого газа на Земле растёт (обращаю ваше внимание, что это измерения не в городе, а на Горе Мауна Лоа в Гаваи) – доля углекислого газа в атмосфере с 1960г по 2010г год выросла с 0,0315% до 0,0385%. Т.е. стабильно растёт на +0,007% за 50 лет. В городе концентрация углекислого газа еще выше.

Концентрация углекислого газа в автмосфере:

• в доиндустриальную эпоху — 1750 г:
  280 ppm (частиц на миллион) суммарная масса — 2200 триллионов кг
• в настоящее время — 2008 г:
  385 ppm, суммарная масса — 3000 триллионов кг

Деятельность, сопровождаемая выбросами CO2 (некоторые бытовые примеры):

• Езда на автомобиле (20 км) — 5 кг CO2
• Просмотр телевизора в течение часа – 0.1 кг CO2
• Приготовление пищи в микроволновой печи (5 мин) – 0,043 кг CO2

Фотосинтез является единственным источником атмосферного кислорода.

В целом, химический баланс фотосинтеза может быть представлен в виде простого уравнения:

6CO 2 + 6H 2 O = C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Первым обнаружил, что растения выделяют кислород, английский химик и философ Джозеф Пристли около 1770 г. Вскоре было установлено, что для этого необходим свет и что кислород выделяют только зеленые части растений. Затем исследователи нашли, что для питания растений требуется диоксид углерода (углекислый газ СO2) и вода, из которых создается большая часть массы растений. В 1817 французские химики Пьер Жозеф Пелатье (1788–1842) и Жозеф Бьенеме Каванту (1795–1877) выделили зеленый пигмент хлорофилл.

К середине 19 в. было установлено, что фотосинтез является процессом, как бы обратным дыхательному. В основе фотосинтеза лежит превращение электромагнитной энергии света в химическую энергию.

Фотосинтез, являющийся одним из самых распространенных процессов на Земле, обуславливает природные круговороты углерода, кислорода и других элементов и обеспечивает материальную и энергетическую основу жизни на нашей планете.

Экологическая арифметика

В течение одного года обычное дерево выделяет объем кислорода, необходимый для семьи из 3 человек. А автомобиль поглащает это же количество кислорода при сжигании 1 бака бензина 50 л.

• 1 дерево в среднем в течение 1 года поглащает 120 кг СO2 , и примерно столько же выделяет кислорода
• 1 автомобиль поглащает этот же объем кислорода (120 кг) примерно при сжигании около 50 литров бензина, и вырабатывает различные выхлопные газы (их состав указан в таблице)

* Токсичные компоненты ** Канцерогены

• за год в 1 автомобиль заправляют 1500 литров бензина (при пробеге 15000 км и расходе 10л/100км). Это значит, что необходимо 1500 л/50л в баке = 30 деревьев , которые выработают поглощенный объем кислорода.
• 1 автоцентр в Москве продает порядка 2000 автомобилей в год (размер одного паркинга). Т.е. 30 деревьев умножить на 2000 автомобилей в год получается = 60 000 деревьев на 1 автоцентр.
• Начнём с малого: 2000 деревьев (1 дерево за 1 автомобиль) — это много или мало? На одном футбольном поле можно посадить не более 400 деревьев (20шт х 20шт через 5 метров — рекомендуемое расстояние). Получается что 2000 деревьев займут территорию — 5 футбольных полей !
• Сколько по вашему стоит посадить 1 дерево? — можно отписываться в комментариях.

Наиболее активными поставщиками кислорода являются тополя. 1 га таких деревьев выделяет в атмосферу кислорода в 40 раз больше, чем 1 га еловых насаждений.

Пути снижения выбросов и токсичности

• Колоссальное влияние на количество выбросов (не считая сжигания топлива и времени) играет организация движения автомобилей в городе (значительная часть выбросов происходит в пробках и на светофорах). При удачной организации возможно применение менее мощных двигателей, при невысоких (экономичных) промежуточных скоростях.
• Существенно снизить содержание углеводородов в отходящих газах, более чем в 2 раза, возможно применением в качестве топлива попутных нефтяных (пропан, бутан), или природного газов , при том, что главный недостаток природного газа - низкий запас хода, для города не столь значим.
• Кроме состава топлива, на токсичность влияет состояние и настройка двигателя (особенно дизельного - выбросы сажи могут увеличиваться до 20 раз и карбюраторного - до 1,5-2 раз изменяются выбросы окислов азота).
• Значительно снижены выбросы (снижен расход топлива) в современных конструкциях двигателей с инжекторным питанием стабильной стехиометрической смесью неэтилированного бензина с установкой катализатора, газовых двигателях, агрегатах с нагнетателями и охладителями воздуха, применением гибридного привода. Однако подобные конструкции сильно удорожают автомобили.
• Испытания SAE показали, что эффективный способ снижения выбросов окислов азота (до 90 %) и в целом токсичных газов - впрыск в камеру сгорания воды .
• Предусмотрены нормативы на выпускаемые автомобили. В России и европейских странах приняты стандарты ЕВРО, задающие как токсичность, так и количественные показатели (см. таблицу выше)
• В некоторых регионах вводятся ограничения на движение большегрузного автотранспорта (например в г.Москва).
• Подписание Киотского протокола
• Различные экологические акции, например: Посади дерево - подари Земле кислород!

Что нужно знать про Киотский протокол?

Киотский протокол - международный документ, принятый в Киото (Япония) в декабре 1997 года в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК). Он обязывает развитые страны и страны с переходной экономикой сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов в 2008-2012 годах по сравнению с 1990 годом.

По состоянию на 26 марта 2009 Протокол был ратифицирован 181 страной мира (на эти страны совокупно приходится более чем 61 % общемировых выбросов). Заметным исключением из этого списка являются США. Первый период осуществления протокола начался 1 января 2008 году и продлится пять лет до 31 декабря 2012 года , после чего, как ожидается, на смену ему придёт новое соглашение.

Киотский протокол стал первым глобальным соглашением об охране окружающей среды, основанным на рыночном механизме регулирования - механизме международной торговли квотами на выбросы парниковых газов.

Деревья — искусственные, кислород — настоящий

Ученые из Колумбийского университета Нью-Йорка совместно с французской дизайнерской студией Influx Studio разработали искусственные деревья. По большому счету, это машина, стилизованная под драцену, с широкими ветвями и зонтообразной кроной. Ветки используются для того, чтобы поддерживать солнечные панели, которые питают деревья энергией.

Искусственные деревья внешне будут похожи на огромные фонари, которые переливаются в темноте различными цветами. Механические драцены будут не только приносить практическую пользу, но и станут украшением современного мегаполиса.

Кроме превращения углекислого газа в кислород, искусственные деревья могут служить дополнительным источником энергии. Помимо солнечных панелей, она будет вырабатываться путем превращения механической энергии от качелей, установленных у основания.

Внешне такие искусственные деревья напоминают драцену, а состоят они из перереботанной древесины и пластика. В коре такого «дерева» находятся солнечные батареи и фильтры для поглощения углекислого газа. В «стволах» искусственных деревьев есть вода и древесная смола — при их участии будет проходить процесс фотосинтеза. Для поддержки работоспособности таких деревьев будут использоваться специальные качели: генераторами электроэнергии станут веселящиеся горожане.

Купил машину - посади 12 га леса

В повседневной жизни мы часто встречаемся с проблемами нехватки воды или продовольствия. Они причиняют нам определенные неудобства. Есть, однако, вещи, дефицит которых накапливается незаметно, но в ближайшем будущем рискует стать серьезной проблемой для обеспечения жизнедеятельности человечества.

Они сопровождают нас практически повсюду – залетают к нам на кухню через форточку, преследуют в салоне автомобиля, на пешеходном переходе, в общественном транспорте… Выхлопные газы автомобилей – действительно ли они настолько опасны для человека, как это преподносят СМИ?

От общего к частному – загрязнение воздуха выхлопными газами

Периодически в крупных городах из-за нависшего смога не видно даже неба. Власти Парижа, например, в такие дни пытаются ограничить выезд автомобилей – сегодня едут владельцы машин с четными номерами, а завтра с нечетными… Но как только подует свежий ветер и разнесет скопившиеся газы, на дорогу снова выпускают всех, пока новая волна смога не накроет город так, что туристы не разглядят Эйфелеву башню. Во многих крупных городах именно автомобили являются главными загрязнителями воздуха, хотя в глобальном плане уступают лидерство промышленности. Только сфера производства энергии из нефтепродуктов и органики выбрасывает в атмосферу в два раза больше углекислого газа, чем все автомобили, вместе взятые.

Плюс ко всему, по подсчетам экологов, человечество вырубает ежегодно столько леса, сколько хватило бы на переработку всего СО 2 , попадающего в атмосферу из выхлопной трубы.

То есть, как ни крути, но загрязнение атмосферы выхлопными газами автомобилей – в глобальном масштабе лишь одно из звеньев губительной для нашей планеты системы потребления. Однако попробуем перейти от общего к частному – что ближе к нам, какой-то завод на краю географии, или автомобиль? «Железный конь» – по большому счету, наш персональный генератор выхлопных «прелестей», который вот здесь и сейчас продолжает это делать. Причем вредит он, прежде всего, нам самим. Многие водители жалуются на сонливость и ищут способ, даже не подозревая, что нехватка сил и бодрости происходит из-за вдыхания выхлопов!

Вред выхлопных газов – все настолько плохо?

Всего в выхлопных газах содержится более 200 разных химических формул. Это и безвредные для организма азот, кислород, вода и тот же углекислый газ, и токсичные канцерогены, увеличивающие риск заболевания серьезными недугами вплоть до образования злокачественных опухолей. Однако это в перспективе, самым же опасным веществом, которое способно повлиять на наше здоровье здесь и сейчас, является угарный газ CO, продукт неполного сгорания топлива. Этот газ мы не можем ощутить своими рецепторами, и он неслышно и невидимо создает нашему организму маленький Освенцим – яд ограничивает доступ кислорода к клеткам организма, что в свою очередь может вызвать как обычную головную боль, так и более серьезные симптомы отравления, вплоть до потери сознания и летального исхода.

Самое ужасное состоит в том, что наибольшему отравлению подвергаются именно дети – как раз на уровне их вдоха концентрируется наибольшее количество яда. Проводимые эксперименты, в которых учитывались всевозможные факторы, выявили закономерность – дети, регулярно подверженные воздействию угарного газа и прочих продуктов «выхлопа», попросту тупеют, не говоря уже об ослабленном иммунитете и «мелких» заболеваниях вроде частой простуды. И это только верхушка айсберга – стоит ли описывать воздействие на наш организм формальдегида, бензопирена и еще 190 различных соединений ? Прагматичные британцы подсчитали, что выхлопные газы ежегодно убивают больше людей, чем гибнет в автомобильных авариях!

Выхлопные газы автомобилей – как с ними бороться?

И снова перейдем от общего к частному – можно сколько угодно обвинять мировые правительства в бездеятельности, ругать промышленных магнатов всякий раз, когда вы или члены вашей семьи болеют, но вы и только вы можете сделать что-либо пусть не для полного отказа от автомобиля, но хотя бы для уменьшения выбросов. Конечно, все мы ограничены возможностями своего кошелька, однако из перечисленных в этой статье действий, наверняка, найдется хотя бы одно, которое подойдет к исполнению вам. Только давайте договоримся – исполнять вы начнете прямо сейчас, не откладывая на призрачное завтра.

Вполне возможно, что вы можете позволить себе переход на газобаллонные двигатели – сделайте это! Если нет такой возможности, отрегулируйте двигатель, проведите . Если с двигателем все в порядке, старайтесь выбирать наиболее рациональный режим его работы. Готово? Идем дальше – используйте нейтрализаторы отработанных газов! Не позволяет кошелек? Так сэкономьте на бензине деньги – почаще гуляйте пешком, ездите в магазин на велосипеде.

Стоимость топлива настолько высока, что всего за несколько недель такой экономии вы сможете позволить себе самый лучший нейтрализатор! Оптимизируйте поездки – старайтесь выполнять как можно больше дел за один заезд, совмещайте поездки с вашими соседями или коллегами. Действуя таким образом, выполняя хотя бы одно из перечисленных условий, вы лично можете быть собой довольны – загрязнение воздуха выхлопными газами благодаря вам уменьшилось! И не думайте, что это не результат – ваши действия подобны маленьким камешкам, которые влекут за собой лавину.