Автотранспорт и человек

      Во  время работы дизеля концентрация СО незначительна ( 0,1…0,2%). У карбюраторных  двигателей при работе на холостом ходу и малых нагрузках содержание СО достигает 5…8% из-за работы на обогащенных смесях. Это достигается для того, чтобы при плохих условиях смесеобразование обеспечить требуемое для воспламенения и сгорания число испарившихся молекул.

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

      N – инертный газ при нормальных условиях. Активно реагирует с кислородом при высоких температурах.

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

     Кроме того, температура в зоне горения (камера сгорания) во многом зависит  от состава смеси. Слишком обедненная или обогащенная смесь при  горении выделяет меньшее количество теплоты, процесс сгорания замедляется  и сопровождается большими потерями теплоты в стенке, т.е. в таких условиях выделяется меньшее количество NO_x, а выбросы растут, когда состав смеси близок к стехиометрическому (1 кг топлива к 15 кг воздуха). Для дизельных двигателей состав NO_x зависит от угла опережения впрыска топлива и периода задержки воспламенения топлива. С увеличением угла опережения впрыска топлива удлиняется период задержки воспламенения, улучшается однородность топливовоздушной смеси, большее количество топлива испаряется, и при сгорании резко (в 3 раза) увеличивается температура, т.е. увеличивается количество NO_x.

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

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

     В дизельных двигателях С_xН_y 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 С_xН_y, когда работает в режиме холостого хода, за счет плохой турбулентности и уменьшения скорости сгорания.

     Дым - непрозрачный газ. Дым может быть белым, синим, черным. Цвет зависит от состояния ОГ.

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

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

     К факторам, определяющим возникновение  белого и синего дыма, а также его запах в ОГ, относятся температура двигателя, метод образования смеси, топливные характеристики (цвет капли зависит от температуры ее образования: при увеличении температуры топлива дым приобретает синий цвет, т.е. уменьшается размер капли).

     Кроме того, бывает синий дым от масла.

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

     Черный  дым состоит из сажи.

     Дым отрицательно влияет на организм человека, животных и растительность.

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

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

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

     Содержание  сажи в ОГ уменьшается с увеличением  угла опережения впрыска топлива, а  при уменьшении угла опережения впрыска топлива, выделение сажи заметно возрастает.

     Количество  сажи зависит от температуры в зоне сгорания.

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

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

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

     SO₂,H₂S - очень опасны для растительности.

     Главным загрязнителем атмосферного воздуха  свинцом в Российской Федерации  в настоящее время является автотранспорт, использующий этилированный бензин: от 70 до 87 % общей эмиссии свинца по различным оценкам. РЬО (оксиды свинца) - возникают в ОГ карбюраторных двигателей, когда используется этилированный бензин, чтобы увеличить октановое число для уменьшения детонации (это очень быстрое, взрывное сгорание отдельных участков рабочей смеси в цилиндрах двигателя со скоростью распространения пламени до 3000 м/с, сопровождающееся значительным повышением давления газов). При сжигании одной тонны этилированного бензина в атмосферу выбрасывается приблизительно 0,5... 0,85 кг оксидов свинца. По предварительным данным, проблема загрязнения окружающей среды свинцом от выбросов автотранспорта становится значимой в городах с населением свыше 100 000 человек и для локальных участков вдоль автотрасс с интенсивным движением. Радикальный метод борьбы с загрязнением окружающей среды свинцом выбросами автомобильного транспорта - отказ от использования этилированных бензинов. По данным 1995г. 9 из 25 нефтеперерабатывающих заводов России перешли на выпуск неэтилированных бензинов. В 1997 году доля неэтилированного бензина в общем объеме производства составила 68%. Однако, из-за финансовых и организационных трудностей полный отказ от производства этилированных бензинов в стране задерживается.

     Альдегиды (R_xCHO) - 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%). 

2.2 Распространение  и трансформация  автомобильных выбросов

      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, С_ХН_У, NO_X, SO_X 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 атмо-сферу, 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 С_ХН_У.

      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,Оз), 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 (SОз) 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 окислов 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,