Загрязнение атмосферного воздуха, связанное с работой агрегатов автомобиля, имеет три основных источника: отработавшие газы, газы вентиляции картера и системы питания топливом. Распределение основных типов токсичных веществ по источникам неравномерно. В отработавших газах — от 95 до таких соединений, а других — от 2 до 5%. Состав основных соединений в отработавших газах зависит от режима работы двигателя, его технического состояния и состава, а также свойств применяемых топлив и масел.
Сами топлива и смазочные масла до процесса сгорания в двигателе содержат относительно нетоксичные соединения, и прямого вредного воздействия газообразных углеводородов, попадающих в воздух с испарениями, на здоровье человека не обнаружено. Различные легкокипящие углеводороды и неуглеводородные примеси опасны тем, что образуют промежуточные токсичные продукты окисления в некоторых атмосферных химических реакциях.
Основная часть загрязнений, выделяемых двигателем автомобиля, приходится на долю отработавших газов, в составе которых содержится более 300 соединений, опасных для здоровья человека и вредных для окружающей среды.
В среднем состав отработавших газов двигателей автомобилей представлен в табл.

Состав отработавших газов (ОГ) бензинового двигателя с принудительным воспламенением

 

	Пределы		Прелелы
Наименование	концентраций	Наименование	концентраций
компонентов	компонентов	компонентов	компонентов
	в ОГ, % об.		в ОГ, мг/м'
Азот	74-77
Кислород	0,2-8,0
Пары йода	3,0-13,5	Оксиды серы	0-0,003
Диоксид углерода	5,0-12,0	Сажа	0-100
Углеводороды (суммарно)	0,2-3,0	Бенз(а)пирен	0-25
Монооксид углерода	0,1-10,0	Соединения
		свинца	0-60
Оксиды азота	0,0-0,6
Альдегиды	0,0-0,2

 

Экологическая характеристика компонентов отработавших газов.

1.    Диоксид углерода (СО2). Образуется при полном сгорании топлива. Содержание диоксида углерода в воздухе ненормиро
вано. Усваивается и преобразуется растениями в процессе фотосинтеза. Возрастание концентрации опасно в том отношении, что при поглощении длинноволнового теплового излучения (при недостатке озонового слоя) создается «парниковый эффект», обусловливающий перегрев поверхности земли.
2.    Оксид углерода (СО). Ядовитый газ, не имеющий запаха и цвета. Образуется при горении богатой смеси (а< I) вследствие недостатка кислорода для полного окисления топлива. Его концентрация в выпускных газах двигателей с принудительным воспламенением может достигать 6% по объему. В дизелях всегда имеется избыток кислорода (а > 1), и концентрация оксида углерода составляет 0,2—0,3%. Сохраняется в атмосфере около 3—4 месяцев. Предельно допустимые концентрации в воздухе рабочих помещений —20 мг/м3, в населенных пунктах — 3 мг/м3 (максимальная разовая) и 1 мг/м3 — среднесуточная. Оксид углерода, соединяясь с гемоглобином крови, дает устойчивое
соединение — карбоксигемоглобин, затрудняющий процесс газообмена в клетках, что приводит к кислородному голоданию (сродство гемоглобина с оксидом углерода примерно в 210 раз выше его сродства с кислородом). Поэтому прямое воздействие состоит в уменьшении способности крови переносить кислород.
Процесс образования карбоксигемоглобина обратимый. После прекращения вдыхания оксида углерода кровь пострадавшего начинает очищаться от него наполовину за каждые 3—4 часа.
3.    Оксиды азота (NOX). В результате воздействия азота и кислорода воздуха в камере сгорания двигателя при высокой температуре образуются оксиды азота. Из шести стабильных газообразных оксидов азота: N2O, NO, NO2, N2O3, N2O4 и N2O5 в
отработавших газах содержатся 80—90% NO и 10—20% NO2, т.е. смесь оксида и диоксида азота. Эти два газа составляют около 40% общего выброса оксидов азота в атмосферу больших городов. Некоторое количество оксидов азота может образовываться и за счет азотистых соединений самого топлива.
Основное действие на организм человека оказывают не окислы азота, а азотная и азотистая кислоты, образующиеся непосредственно в дыхательных путях человека при соединении их с водой. Раздражаются слизистые оболочки глаз, носа, рта (предельно допустимая разовая концентрация — 0,6 мг/м3). Монооксид азота оказывает вредное действие на гемоглобин крови, который превращается в нитрогемоглобин. Степень воздействия NOK на организм человека приблизительно в 10 раз сильнее воздействия СО.
На уровне земли обычная концентрация NOx (в основном оксида азота) составляет 2—3 ррт. При этом наиболее возрастает доля NOr Оксиды азота сохраняются в окружающей атмосфере в течение 3—4 дней. Диоксид азота, реагируя с атмосферной влагой, образует азотную кислоту, что приводит к значительной коррозии металлов.
4. Оксиды серы (SOx). Влияют на здоровье человека, растительный и животный мир, разрушают различные материалы: металлы, краску, строительные материалы, бумагу, текстильные ткани. Предельно допустимая концентрация диоксида серы, мг/м3: в рабочей зоне — 10, максимальная разовая в атмосфере населенных пунктов — 0,5, среднесуточная — 0,05.
Сернистый газ неядовит, но в соединении с другими загрязнениями и влагой раздражает глаза, нос и горло, вредно влияет на легкие. Сернистый газ образует сернистую кислоту и далее серную, обладающую высокой коррозионной агрессивностью.
Диоксиды серы и азота являются причиной выпадения так называемых кислотных дождей. Кислотные дожди значительно повышают кислотность почвы, оказывают разрушающее действие на конструкционные материалы, влияют на урожайность сельскохозяйственных культур, здоровье человека. Вместе с воздушными массами оксиды азота и серы могут переноситься на большие расстояния. В ходе газофазных окислительных процессов, в которых участвуют в основном летучие органические соединения, олефины, продукты неполного окисления углеводородов, образуются также и органические кислоты, главным образом муравьиная и уксусная, которые также являются предшественниками кислотных дождей. Формирование кислотного дождя зависит от скорости поглощения загрязнений аэрозольными частицами.
Выпадение кислотных дождей приводит к гибели лесов, повышению кислотности почвы и может отрицательно влиять на урожайность сельскохозяйственных культур. Велики разрушения и повреждения конструкционных материалов, которые вызывают кислотные дожди. Основные повреждающие вещества: катион водорода, оксиды серы и азота, формальдегид, озон, пероксид водорода и др. Загрязнение атмосферного воздуха наносит непоправимый вред памятникам культуры, ускоряя их старение. Так, за 90 лет пребывания в Центральном парке Нью-Йорка древний египетский обелиск «Игла Клеопатры» пострадал значительно сильнее, чем за три тысячелетия пребывания в Египте.
5. Углеводороды (СН). Сами углеводороды (кроме бензола и некоторых олефинов), как уже говорилось ранее, не представляют существенной опасности для человека и окружающей среды. Но они опасны прежде всего как промежуточные продукты физических процессов, приводящие к образованию стойких аэрозолей, получивших название «смог». Это особый тип загрязнения атмосферы, впервые отмеченный около 50 лет назад в Лос-Анджелесе. Главный источник этих загрязнителей — отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания. При неблагоприятном состоянии атмосферы (отсутствие ветра, повышенная влажность, фотохимическое воздействие света, запыленность и т. д.) возникают характерная голубоватая дымка и ухудшение видимости. При этом наблюдается сильное раздражение слизистой оболочки дыхательных путей, глаз. Длительное воздействие смога ведет к повышению заболеваемости среди населения, повреждению растительности, усилению коррозии металлов. Именно из-за смога во многих городах мира полицейские были вынуждены находиться на посту в противогазах.
Образование смога протекает при довольно низких температурах, важным фактором активации молекул является солнечный свет. При поглощении света изменяется электронная, вращательная и колебательная энергия молекул, что приводит к возбужденному состоянию. Электронно-возбужденные молекулы могут вступать в такие реакции, которые при данной температуре им не свойственны. Так, например, продукты фотолиза озона, кислорода, воды, оксидов азота могут в верхних слоях атмосферы (свыше 80 км) атаковать молекулярный кислород с образованием кислорода в виде одноатомных молекул. Несколько ниже (16—32 км) снова образуется озон. Именно здесь слой озона выполняет роль фильтра для ультрафиолетовой радиации. Человек не мог бы существовать в условиях солнечной ультрафиолетовой радиации, если бы она не была ослаблена слоем озона (так называемые «озоновые дыры», возникающие в отсутствие озонового слоя). Кроме углеводородов, в образовании смогов участвуют продукты окисления из состава отработавших газов (альдегиды .и кетоны, карбоновые кислоты и спирты), многие кислые продукты сгорания серы и азота, твердые частицы неполного сгорания топлива и другие аэрозоли. Непосредственные причины образования ядовитых туманов-смогов различны. В Нью-Йорке, например, смог часто возникает при реакциях фтористых или хлористых соединений с капельками воды. В некоторых городах Японии наблюдается смог в виде грязного тумана из частиц сажи и пыли. В Лондоне смог образуется в результате атмосферной инверсии, связанной с присутствием сажи, оксидов серы и сероводорода. Для Калифорнии характерно формирование смогов сравнительно невысокой степени загрязнения воздуха оксидами азота и продуктами окисления углеводородов, что вызывает раздражение глаз, бронхиальную астму и другие заболевания дыхательных путей.
Существует отдельная группа углеводородов, состоящая из многих кольцевых структур в одной молекуле, так называемых полиядерных ароматических углеводородов, обладающая канцерогенными свойствами. В этой группе найдено около 20 соединений типа 3,4—бенз—а—пирен. Этот углеводород, называемый часто просто «бензпиреном», является своего рода индикатором присутствия в смеси других полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Такие углеводороды присутствуют в отработавших газах в небольшом количестве — до 0,00002 r/MJ. При этом в отработавших газах двигателя с принудительным зажиганием содержание соединений типа бенз—а— пирена на порядок больше, чем в отработавших газах дизеля.
Попадая в дыхательные пути человека, полициклические ароматические углеводороды постепенно накапливаются до критических концентраций и стимулируют образование злокачественных опухолей.
б. Твердые частицы отработавших газов. Твердые продукты неполного сгорания топлив и масел увеличивают дымность отработавших газов. Состав твердых частиц связан с режимом работы и различается для бензиновых двигателей и дизелей. Но наибольшую опасность вызывают не столько твердые частицы, сколько многие жидкие продукты, адсорбированные на их поверхности. Образование таких частиц измеряется при оценке экологических свойств топлива и масел при их испытаниях на двигателях. Особую опасность для организма человека представляют частицы токсичных выбросов аэрозолей с радиусом менее 20 мкм, задерживающиеся в атмосфере длительный срок и попадающие вдыхательные пути. При соприкосновении с канцерогенными веществами аэрозольные частицы сорбируют их на своей поверхности. Такие аэрозоли, попадая в организм, стимулируют образование злокачественных опухолей.
Все перечисленные выше выбросы практически постоянно присутствуют в отработавших газах, но количество их изменяется в зависимости от режима работы двигателя. В табл. 11.3 приведены данные о продолжительности наиболее характерных режимов работы автомобилей и автобусов в условиях Москвы в зависимости от общего баланса времени пребывания на линии (%) и выбросе вредных веществ на различных режимах. На анализ отработавшие газы, как правило, отбираются с учетом их реальных режимов, и содержание компонентов оценивается за определенный цикл испытаний. Концентрацию сажи измеряют двумя методами: дымомером определяют оптическую плотность газов с помощью просвечивания (в %) и сажемером — содержание сажи в газах методом фильтрования (в г/м3).
Во многих странах мира установлены нормы на выбросы СО, СН и NOx двигателями с принудительным воспламенением. Для дизелей нормируют твердые частицы и только для автомобилей, эксплуатируемых на рудниках, в открытых карьерах и шахтах, нормируют выбросы СО, СН и N0 .
Выброс токсических веществ двигателями легковых автомобилей определяют во время испытаний на стендах с беговыми" барабанами по ездовому циклу, имитирующему режимы работы двигателя при эксплуатации в крупных юродах. При испытаниях по ездовому циклу США подсчитывают количество выбросов токсических веществ в граммах на километр. При испытаниях по Европейскому испытательному циклу, принятому в России, определяют суммарные выбросы СН, СО и NOx за одно испытание в граммах.