Компоненты выхлопа двигателей внутреннего сгорания. Состав выхлопных газов
Основными источниками выбросов автомобиля являются двигатель внутреннего сгорания, испарение топлива через систему вентиляции топливного бака, а также ходовая часть: в результате трения шин о дорожное покрытие, износа тормозных колодок и коррозии металлических деталей независимо от выбросов двигателя образуются частицы мелкодисперсной пыли. При эрозии катализатора выделяются платина, палладий и родий, а при износе накладок сцепления также выделяются токсичные вещества, такие как свинец, медь и сурьма. Для этих вторичных выбросов автомобилей также должны быть установлены предельные значения.
Вредные вещества
Состав отработавших (выхлопных) газов автомобиля включает множество веществ или групп веществ. Преобладающей частью компонентов ОГ являются неядовитые, содержащиеся в обычном воздухе газы. Как показано на рисунке, лишь небольшая часть ОГ является вредной для окружающей среды и здоровья людей. Несмотря на это, необходимо дальнейшее снижение концентрации токсичных компонентов ОГ. Хотя современные автомобили сегодня дают очень чистый выхлоп (у автомобилей Евро-5 он в некоторых аспектах даже чище всасываемого воздуха), огромное число эксплуатируемых автомобилей, которых только в Германии насчитывается около 56 млн единиц, выбрасывает значительное количество ядовитых и вредных для здоровья веществ. Исправить ситуацию призваны новые технологии и введение более жестких требований к экологичности ОГ.
Оксид углерода (СО)
Оксид углерода (угарный газ) СО — газ без цвета и запаха. Это яд для дыхательной системы, нарушающий функцию центральной нервной и сердечно-сосудистой систем. В человеческом организме он связывает красные кровяные тельца и вызывает кислородное голодание, которое за короткое время приводит к смерти от удушья. Уже при концентрации в воздухе 0,3% по объему угарный газ в очень короткое время убивает человека. Действие зависит от концентрации СО в воздухе, от длительности и глубины вдыхания. Лишь в среде с нулевой концентрацией СО он может быть выведен из организма через легкие.
Оксид углерода всегда возникает при недостатке кислорода и при неполном сгорании.
Углеводороды (СН)
Углеводороды выбрасываются в атмосферу в виде несгоревшего топлива. Они оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки и органы дыхания человека. Дальнейшая оптимизация рабочего процесса двигателя возможна лишь путем совершенствования производственных технологий и углубления знаний о процессах сгорания.
Углеводородные соединения возникают в виде парафинов, олефинов, ароматов, альдегидов (особенно формальдегидов) и полициклических соединений. Экспериментально доказаны канцерогенные и мутагенные свойства более 20 полициклических ароматических углеводородов, которые в силу своего малого размера способны проникать до легочных пузырьков. Самыми опасными углеводородными соединениями считаются бензол (С6Н6), толуол (метилбензол) и ксилол (диметилбензол, общая формула С6Н4 (СН3)2). К примеру, бензол может вызвать у человека изменения картины крови и привести к возникновению рака крови (лейкемии).
Причиной выбросо углеводородов в атмосферу всегда является неполное сгорание топлива, недостаток кислорода, а при очень обедненной смеси — слишком медленное сгорание топлива.
Окислы азота (NOх)
При высокой температуре сгорания (более 1100°С) содержащийся в воздухе реакционно инертный азот активируется и вступает в реакции со свободным кислородом в камере сгорания, образуя окислы. Они очень вредны для окружающей среды: становятся причинами образования смога, гибели лесов, выпадения кислотных дождей; также окислы азота являются переходными веществами для образования озона. Они — яд для крови, вызывают рак. В процессе сгорания возникают различные окислы азота — NO, NO2, N2O, N2O5— имеющие общее обозначение NOx. При соединении их с водой возникают азотная (HNO3) и азотистая (HNO2) кислоты. Диоксид азота (NO2) — красно-коричневый ядовитый газ с едким запахом, раздражающий органы дыхания и образующий соединения с гемоглобином крови.
Это самый проблематичный из всех окислов азота и в перспективе для него будут действовать отдельные нормы по допустимой концентрации. Доля NO2 в общих выбросах оксидов азота в будущем должна будет составлять менее 20%. В директиве 1999/30/EG с 2010 года предельно допустимая концентрация N02 установлена на уровне 40 мкг/м Соблюдение этой предельной концентрации предъявляет особые требования к защите от вредных выбросов.
Самые благоприятные условия для образования окислов азота — высокая температура сгорания обедненной топливовоздушной смеси. Системы рециркуляции ОГ позволяют снизить долю окислов азота в выхлопе автомобилей.
Оксиды серы (SOx)
Оксиды серы образуются из содержащейся в топливе серы. В процессе сгорания сера реагирует с кислородом и водой, образуя оксиды серы, серную (H2SO4) и сернистую (H2SO3) кислоты. Оксид серы — основная составляющая кислотных дождей и причина гибели лесов. Это водорастворимый едкий газ, воздействие которого на организм человека проявляется в покраснении, опухании и усилении секреции влажных слизистых оболочек глаз и верхних дыхательных путей. Диоксид серы воздействует на слизистые носоглотки, бронхов и глаз. Наиболее часто местом «атаки» диоксида серы являются бронхи. Сильное раздражающее воздействие на дыхательные пути объясняется образованием сернистой кислоты во влажной среде. Вглубь дыхательных путей попадают взвешенный в мелкодисперсной пыли диоксид серы SO2 и аэрозоль серной кислоты. Наиболее чувствительно реагируют на растущую концентрацию диоксида серы в воздухе астматики и маленькие дети. Высокое содержание серы в топливе сокращает срок службы катализаторов бензиновых зельных двигателей.
Снижение выбросов диоксида серы реализуется путем ограничения содержания серы в топливе. Цель — топливо, не содержащее серы.
Сероводород (H2S)
Последствия воздействия этого газа на органическую жизнь пока не совсем ясны науке, однако известно, что у человека он способен вызвать тяжелые отравления. В тяжелых случаях возникает угроза удушья, потеря сознания и паралич центральной нервной системы. При хроническом отравлении отмечается раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей. Запах сероводорода ощущается уже при концентрации его в воздухе в количестве 0,025 мл/м3.
Сероводород в выхлопных газах возникает при определенных условиях, причем, несмотря даже на наличие катализатора, и зависит от содержания серы в топливе.
Аммиак (NH3)
Вдыхание аммиака приводит к раздражению дыхательных путей, кашлю, одышке и удушью. Также аммиак вызывает воспаляющиеся покраснения на коже. Прямое отравление аммиаком случается редко, так как даже большие его количества быстро превращаются в мочевину. При прямом вдыхании большого количества аммиака функции легких зачастую нарушаются на долгие годы. Особенно опасен этот газ для глаз. При сильном воздействии аммиака на глаза могут наступить помутнение роговицы и слепота.
При определенных условиях аммиак может образоваться даже в катализаторе. В то же время аммиак оказывается полезен в качестве восстановителя для катализаторов SCR.
Сажа и частицы
Сажа — это чистый углерод и нежелательный продукт неполного сгорания углеводородов. Причиной образования сажи является недостаток кислорода при сгорании или преждевременное охлаждение сжигаемых газов. Частицы сажи часто связываются с несгоревшими остатками топлива и моторного масла, а также воды, продуктов износа деталей двигателя, сульфатов и пепла. Частицы сильно отличаются друг от друга по форме и размеру.
В таблице показана классификация и размеры частиц. Наиболее часто при работе двигателя образуются частицы диаметром около 100 нанометров (0,0000001 м или 0,1 мкм); такие частицы способны естественным путем попадать в легкие человека. При агглютинации (склеивании) частичек сажи друг с другом и другими компонентами масса, количество и распределение частиц в воздухе могут значительно меняться. Основные компоненты частиц представлены на рисунке.
Рис. Основные компоненты частиц
Благодаря своей губчатой структуре частички сажи могут захватывать как органические, так и неорганические вещества, образующиеся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя. В результате масса частичек сажи может возрасти в три раза. Это будут уже не отдельные частички углерода, а правильной формы агломераты, образующиеся вследствие молекулярного притяжения. Размер таких агломератов может достигать 1 мкм. Выбросы сажи и других частиц особенно активно происходят при сгорании дизельного топлива. Эти выбросы считаются канцерогенными. Опасные наночастицы представляют количественно большую долю частиц, но по массе составляют лишь небольшой процент. По этой причине предлагается ограничивать содержание частиц в ОГ не по массе, а по количеству и распределению. В перспективе предусмотрено дифференцирование между размером частиц и их распределением.
Выбросы частиц при работе бензиновых двигателей на два-три порядка ниже, чем при работе дизельных двигателей. Тем не менее, данные частицы обнаруживаются даже в выхлопе бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. Поэтому есть предложения по ограничению предельного содержания частиц в отработавших газах автомобилей. Сублимация — непосредственный переход вещества из твердого состояния в газообразное, и наоборот. Сублиматом называют твердый осадок газа при его охлаждении.
Мелкая пыль
При работе двигателей внутреннего сгорания образуются также особо мелкие частицы — пыль. Она состоит главным образом из частиц полициклических углеводородов, тяжелых металлов и соединений серы. Часть фракций пыли способна проникать в легкие, другие фракции в легкие не проникают. Фракции размером более 7 мкм менее опасны, так как отфильтровываются собственной системой фильтрации человеческого организма.
Различный процент более мелких фракций (менее 7 мкм) проникают в бронхи и легочные пузырьки (альвеолы), вызывая локальное раздражение. В области легочных пузырьков растворимые компоненты попадают в кровь. Собственная система фильтрации организма справляется не со всеми фракциями мелкой пыли. Атмосферные пылевые загрязнения называют также аэрозолями. Они могут быть в твердом или жидком состоянии и в зависимости- от размеров могут иметь различный период существования. При движении мельчайшие частички могут соединяться в более крупные с относительно стабильным периодом существования в атмосфере. Такими свойствами в основном обладают частицы диаметром от 0,1 мкм до 1 мкм.
При оценке образования мелкой пыли в результате работы автомобильного двигателя следует отличать эту пыль от пыли, образующейся естественным путем: пыльцы растений, дорожной пыли, песка и многих других веществ. Нельзя недооценивать и такие источники мелкой пыли в городах, как износ тормозных колодок и шин. Так что выхлопы дизельных двигателей — не единственный «источник» пыли в атмосфере.
Синий и белый дым
Синий дым возникает во время работы дизельного двигателя при температуре ниже 180°С из-за мельчайших конденсирующихся капелек масла. При температуре выше 180°С эти капельки испаряются. Несгоревшие углеводородные компоненты топлива участвуют в образовании синего дыма и при температурах от 70°С до 100°С. Большое количество синего дыма указывает на большой износ цилиндропоршневой группы, стержней и направляющих втулок клапанов. Слишком поздно выставленное начало подачи топлива также может быть причиной образования синего дыма.
Белый дым состоит из водяного пара, возникающего во время сгорания топлива и становящегося заметным при температуре ниже 70°С. Особенно характерно появление белого дыма у форкамерных и вихрекамерных дизелей после холодного запуска. Причиной белого дыма являются также несгоревшие углеводородные компоненты и конденсаты.
Углекислый газ (СO2)
Углекислый газ — это бесцветный, негорючий, кисловатый на вкус газ. Иногда его ошибочно называют угольной кислотой. Плотность СO2 примерно в 1,5 раза выше плотности воздуха. Углекислый газ является составной частью выдыхаемого человеком воздуха (3-4%) При вдыхании воздуха, содержащего 4-6% СO2, у человека возникают головные боли, шум в ушах и учащение сердцебиения, а при более высоких концентрациях СO2 (8-10%) наступают приступы удушья, потеря сознания и остановка дыхания. При концентрации более 12 % наступает смерть от кислородного голодания. К примеру, горящая свеча тухнет при концентрации СO2 8-10% по объему. Хоть углекислый газ и относится к удушающим веществам, но как компонент выхлопа двигателя не считается ядовитым. Проблема в том, что углекислый газ, как показано на рисунке, значительно способствует глобальному парниковому эффекту.
Рис. Доля газов в парниковом эффекте
Вместе с ним развитию парникового эффекта способствуют метан, закись азота (веселящий газ, оксид диазота), фторуглеводороды и гексафторид серы. Углекислый газ, водяной пар и микрогазы влияют на радиационный баланс Земли. Газы пропускают видимый свет, но поглощают тепло, отражаемое от земной поверхности. Без этой теплозадерживающей способности средняя температура на поверхности Земли была бы около -15°С.
Это называется природным парниковым эффектом. При увеличении концентрации микрогазов в атмосфере растет доля поглощаемого теплового излучения и возникает дополнительный парниковый эффект. По оценкам экспертов, к 2050 году средняя температура на Земле вырастет на +4°С. Это может привести к повышению уровня моря более чем на 30 см, вследствие чего начнут таять горные ледники и полярные ледяные «шапки», изменится направление морских течений (в том числе Гольфстрима), изменятся воздушные потоки, а моря затопят огромные пространства суши. Вот к чему может привести парниковые газы, образующиеся при деятельности людей.
Суммарные антропогенные выбросы СO2 составляют 27,5 млрд т в год. При этом Германия относится к крупнейшим источникам СO2 в мире. Энергетически обусловленные выбросы СO2 составляют в среднем около миллиарда тонн в год. Это около 5% всего производимого в мире СO2. Средняя семья из 3 человек в Германии производит в год 32,1 т СO2. Выбросы СO2 можно уменьшить только путем снижения расхода энергии и топлива. Пока энергия добывается путем сжигания ископаемых носителей проблема образования чрезмерного количества углекислого газа будет сохраняться. Поэтому срочно необходим поиск альтернативных источников энергии. Автопромышленность интенсивно работает над решением этой проблемы. Однако бороться с парниковым эффектом можно только в глобальном масштабе. Даже если в пределах ЕС будет достигнут большой прогресс в снижении выбросов углекислого газа, в других странах в ближайшие годы может, напротив, произойти значительный рост количества выбросов. США с большим отрывом лидируют в производстве парниковых газов, как в абсолютном выражении, так и в пересчете на душу населения. Имея долю в населении Земли всего 4,6%, они производят 24% мировых выбросов углекислого газа. Это примерно вдвое больше, чем в Китае, доля которого в населении Земли составляет 20,6%. 130 миллионов автомобилей в США (это меньше 20% от общего числа автомобилей на планете) производят столько же углекислого газа, сколько вся промышленность Японии — четвертой страны в мире по выбросам СО2.
Без дополнительных мер по защите климата глобальные выбросы СО2 вырастут к 2020 году на 39% (относительно 2004 г.) и составят 32,4 млрд т в год. Выбросы углекислого газа в США в ближайшие 15 лет увеличатся на 13% и превысят 6 млрд т. В Китае следует ожидать увеличения выбросов СO2 на 58%, до 5,99 млрд т, а в Индии — на 107%, до 2,29 млрд т. В странах ЕС, напротив, прирост составит лишь около одного процента.
