Количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ в составе отработавших газов зависит от общего технического состояния автомобиля и особенно его двигателя, как источника наибольшего загрязнения.
Только из-за разрегулировки карбюратора одного автомобиля при нарушении смесеобразования выбрасывается в атмосферу столько же окиси углерода, сколько выделяют четыре - пять исправных автомобилей.
На состав выхлопных газов большое влияние оказывает специфика работы автотранспорта в городских условиях. Особенностями эксплуатации автомобиля в городе являются сравнительно низкие скорости движения, частые изменения направления и скорости движения, сопровождающиеся многократными торможениями и разгонами, короткие расстояния перевозок, обуславливающие работу двигателей преимущественно на неустановившихся режимах.
При работе бензинового двигателя на неустановившихся режимах нарушается процесс смесеобразования и горения, что способствует повышенному выделению токсичных продуктов.
Переобогащение горючей смеси при коэффициенте избытка воздуха a=0,6-0,95 (на режиме разгона) увеличивает выброс несгоревшего топлива и продуктов его неполного сгорания.
Особенно переобогащается смесь в режиме принудительного холостого хода, т.е. при торможении двигателем.
При низком коэффициенте избытка воздуха резко увеличивается выброс СО и СН.
Особенности работы автомобильных дизельных двигателей без наддува состоят в том, что с уменьшением нагрузки состав горючей смеси обедняется, соотношение количества воздуха и топлива варьируется от 100:1 до 15:1, поэтому содержание токсичных компонентов в ОГ при малой нагрузке уменьшается.
На холостом ходу содержание углеводородов и альдегидов невелико и существенно возрастает при работе на режиме максимальной нагрузки.
Выделение бенз(а)пирена с ОГ также зависит от режима работы ДВС.
Наибольшее количество этого вещества у бензиновых ДВС выделяется на холстом ходу, при работе на переобогащенных смесях и на режиме больших нагрузок.
При увеличении пробега автомобиля с начала эксплуатации обычно растет и содержание токсичных веществ в ОГ по следующим основным причинам:
изменение технического состояния карбюратора(засорение или износ главного и вспомогательного жиклеров;
нарушение уровня топлива в поплавковой камере;
изменение регулировки карбюратора);
неисправности в системе зажигания, вызывающие изменение установки зажигания и ослабление мощности искры (подгорание контактов прерывателя и электродов свечей, нарушение изоляции проводов, замыкание обмоток катушки высокого напряжения и др.);
износ клапанов, втулок в газораспределительном механизме;
износ цилиндропоршневой группы и отложение нагара в цилиндрах двигателя.
Образование продуктов неполного сгорания и окислов азота (образование токсичных веществ) в двигателе в процессе сгорания происходит принципиально различными путями.
Первая группа - это токсичные вещества связанные с химическими реакциями окисления топлива, протекающими как в предпламенный период, так и в процессе сгорания - расширения.
Вторая группа - это токсичные вещества, образующиеся при соединении азота и избыточного кислорода в продуктах сгорания.
Реакция образования окислов азота происходит при повышенной температуре, носит термический характер и не связана непосредственно с реакциями окисления топлива.
В составе отработавших газов двигателей в общем случае 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.
Продуктами неполного сгорания, т.е. основными токсичными веществами - являются сажа, окись углерода, углеводороды, альдегиды.
Эти вредные токсичные выбросы можно разделить на:
регламентированные;
нерегламентированные.
Токсичные вредные выбросы: СО, NOX, CXHY, RXCHO, SO2, сажа, дым.
В нашей Республике Казахстан главным загрязнителем атмосферного воздуха свинцом в настоящее время является автомобильный транспорт, который использует этилированный бензин: от 70 до 87 % общей эмиссии свинца по различным оценкам. РbО (оксиды свинца) - возникают в двигателях с карбюраторным смесеобразованием, когда для увеличения октанового числа и для уменьшения детонации используется этилированный бензин.
В атмосферу выбрасывается приблизительно 0,5...0,85 кг оксидов свинца при сжигании одной тонны этилированного бензина.
Проблема загрязнения окружающей среды свинцом от выбросов автотранспорта по предварительным данным становится значимой в городах с населением свыше 100000 человек и для локальных участков вдоль автотрасс с активным интенсивным движением.
Отказ от использования этилированных бензинов - это радикальный метод борьбы с загрязнением окружающей среды свинцом выбросами автотранспорта [12].
По данным 2012 г. треть нефтеперерабатывающих заводов Казахстане перешли на выпуск неэтилированных бензинов. В 2013 году доля неэтилированного бензина в общем объеме производства составит 68 %.
Полный отказ от производства этилированных бензинов в стране, из-за финансовых и организационных трудностей, однако невозможен.
Загрязнение воздуха происходит тремя видами:
) выбрасываемые через выхлопную трубу отравляющие газы - 65 %;
) газы, выбрасываемые через картер двигателя (так называемые картерные газы) - 20 %;
) углеводороды, выбрасываемые в результате испарения топлива из бака, карбюратора и трубопроводов - 15 %.
Автомобильные выбросы в атмосфере распространяются и трансформируются по определенным закономерностям.
Так, из-за действия гравитационных сил твердые частицы размером более 0,1 мм в основном оседают на подстилающих поверхностях.
Под воздействием процессов диффузии в атмосфере распространяются частицы, размер которых менее 0,1 мм, a также газовые примеси в виде CO, СХНУ, NOX, SOX.
Их действие проявляется на локальных территориях в пределах определенных регионов, они вступают в процессы физико-химического взаимодействия между собой и с компонентами атмосферы [13].
В данном случае рассеивание примесей в атмосфере является неотъемлемой частью процесса загрязнения и зависит от многих факторов.
Степень и количество загрязнения атмосферного воздуха выбросами зависит от следующих факторов:
возможности переноса рассматриваемых загрязняющих веществ на значительные расстояния;
уровня их химической активности;
метеорологических условий распространения.
Попадая в свободную атмосферу, компоненты вредных выбросов с повышенной реакционной способностью, взаимодействуют между собой и компонентами атмосферного воздуха.
При этом различают:
физическое взаимодействие;
химическое взаимодействие;
фотохимическое взаимодействие.
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 с газообразными веществами;
адсорбировать с газообразными веществами;
растворять газообразные вещества.
Между газообразными компонентами загрязняющих веществ и атмосферным воздухом могут осуществляться:
реакции синтеза и распада;
реакции окисления и восстановления.
Непосредственно с момента поступления выбросов в атмосферу могут начинаться некоторые процессы химических преобразований.
При появлении для этого благоприятных условий, необходимых реагентов, солнечного излучения, других факторов другие процессы химических преобразований.
Выброс соединений углерода в виде CO и СХНУ является существенным при выполнении транспортной работы.
В атмосфере быстро диффундирует и обычно не создает высокой концентрации моноксид углерода. В атмосфере он может окисляться до СО2 при наличии примесей - сильных окислителей (О, Оз), перекисных соединений и свободных радикалов, при его интенсивном поглощении почвенными микроорганизмами.
Взаимодействуя с другими атмосферными загрязнениями, углеводороды в атмосфере подвергаются различным превращениям (окислению, полимеризации), прежде всего под действием солнечной радиации. В результате этого образуются свободные радикалы, перекиси, соединения с оксидами азота и серы [14].
Сернистый газ (SО2) в свободной атмосфере через некоторое время окисляется до сернистого ангидрида (SОз) и вступает во взаимодействие с другими соединениями, в частности углеводородами.
В свободной атмосфере при фотохимических и каталитических реакциях происходит окисление сернистого ангидрида в серный.
В обоих случаях конечным продуктом является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде.
Окисление сернистого газа происходит крайне медленно в сухом воздухе.
Окисления SO2 не наблюдается в темноте.
Скорость окисления сернистого ангидрида увеличивается при наличии в воздухе оксидов азота в независимости от влажности воздуха.
При взаимодействии с другими загрязнителями сероводород и сероуглерод в свободной атмосфере подвергаются медленному окислению до серного ангидрида. На поверхности твердых частиц из окислов металлов, гидрооксидов или карбонатов сернистый ангидрид может адсорбироваться и окисляться до сульфата.
Соединения азота, поступающие в атмосферу от объектов автомобильно-транспортного комплекса, 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:
•удерживаются в атмосфере городские эмиссии в результате инверсии;
•служат своеобразной крышкой на сосуде с реактивами;
•увеличивается продолжительность контакта и реакции;
•препятствуется рассеиванию (новые реакции добавляются к первоначальным).
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 города.
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 [15].
Многообразие продуктов выхлопов автомобильных двигателей может быть классифицировано по группам, сходным по характеру воздействия на организмы или химической структуре и свойствам:
нетоксичные вещества: азот, кислород, водород, водяной пар и углекислый газ, содержание которых в атмосфере в обычных условиях не достигает уровня, вредного для человека;
моноксид углерода, наличие которого характерно для выхлопов бензиновых двигателей;
оксиды азота (~98 % NО, ~2 % NO2), которые по мере пребывания в атмосфере соединяются с кислородом;
углеводороды (алкаин, алкены, алкадиены, цикланы, ароматические соединения);
альдегиды;
сажа;
соединения свинца;
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.
Проблема состава атмосферного воздуха и его загрязнения от выбросов автотранспорта становится все более актуальной. Это можно проследить уже на примере Алма-Аты. В 2002 г. вклад автотранспортных средств в суммарное загрязнение атмосферы составлял 69 %, в 2010 г.-74,6 %, наконец, в 2012 г. - 79,6 %.
Среди факторов прямого действия (все, кроме загрязнения окружающей среды) загрязнение воздуха занимает, безусловно, первое место, поскольку воздух - продукт непрерывного потребления организма.
Дыхательная система человека имеет ряд механизмов, помогающих защитить организм от воздействия загрязнителей воздуха. Волоски в носу отфильтровывают крупные частицы. Липкая слизистая оболочка в верхней части дыхательного тракта захватывает мелкие частицы и растворяет некоторые газовые загрязнители.
Удаляется загрязненный воздух и слизь при раздражении дыхательной системы механизмом непроизвольного чихания и кашля.
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, парадина, 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 мкт/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 отравляющих газах составляет 0.8 г/м3.
Сернистый ангидрид. Оказывает пагубное влияние на слизистую оболочку верхних дыхательных путей, вызывает бронхиальную закупорку. Начиная с 500 мкт/м3 у больных бронхитом, наблюдаются осложнения, 200 мкт/м3 вызывает увеличение приступов у астматиков.