Згідно з дослідженнями екологів, у великих містах майже 90% забруднення атмосфери посідає вихлопи транспорту. Найсильнішими забруднювачами є автомобілі, що працюють на дизельному паливі. Також велику роль відіграє різновид спалюваного бензину. Наприклад, сірчистий бензин виділяє в атмосферу окису сірки, а – хлор, бром та свинець. Але найпоширеніший склад вихлопних газів наступним чином:

Азот - 75%;
- кисень – 0.3-8.0%;
- вода – 3-5%;
- вуглекислий газ – 0-16%;
- чадний газ – 0.1-5.0%;
- оксиди азоту – 0.8%;
- вуглеводні – 0.1-2.5%;
- альдегіди – до 0.2%;
- Сажа – до 0.04%;
- бензпірен – 0.0005%.

Чадний газ

Продукт неповного згоряння бензину чи дизельного палива. Цей газ немає кольору , тому його присутність у атмосфері людина відчути неспроможна. У цьому полягає його основна небезпека. Чадний газ пов'язує гемоглобін і викликає тканин та органів тіла. Це призводить до головного болю, запаморочення, втрати свідомості і навіть смерті.

Непоодинокі випадки, коли прогрівання машини в закритому або навіть відкритому гаражі призводило до летального результату власника автомобіля. Не маючи запаху та кольору, чадний газ призводить до втрати свідомості та смерті.

Діоксид азоту

Жовто-бурий газ із різким запахом. Погіршує видимість, надає повітря коричневий відтінок. Дуже токсичний, може викликати бронхіти, суттєво знижує опірність організму до застуд. Особливо негативно діоксид азоту впливає на людей, які страждають на хронічні захворювання дихальних шляхів.

Вуглеводні

У присутності оксидів азоту і під впливом ультрафіолету сонця, вуглеводні окислюються, після чого утворюють кисневмісні отруйні речовини з різким запахом, так званий фотохімічний зміг. Циклічні ароматичні вуглеводні також містяться в смолах та сажі, вони є найсильнішими канцерогенами. Деякі їх здатні викликати мутації.

Формальдегід

Безбарвний газ, має неприємний і різкий запах. У великій кількості дратує дихальні шляхи та очі. Токсичний, викликає ураження нервової системи, має мутагенну, алергенну та канцерогенну дію.

Пил та сажа

Зважені частки розміром не більше 10 мкм. Можуть викликати захворювання органів дихання та слизових оболонок. Сажа є канцерогеном і може спричинити ракові захворювання.

Під час роботи двигуна на стінках вихлопної системи накопичуються незгорілі частинки. Під впливом тиску газів вони викидаються у повітря, забруднюючи її.

Бензпірен 3,4

Одна з найнебезпечніших речовин, що містить вихлопні гази. Є сильним канцерогеном, що підвищує ймовірність виникнення ракових захворювань.

Чи замислювалися Ви, скільки один автомобіль поглинає кисню та виділяє вуглекислого газу СО2 на рік?
А скільки потрібно дерев, щоб переробити цю кількість CO2 назад на кисень? Давайте підрахуємо як «математичний» інтерес…

Що ми знаємо про вуглекислий газ CO2?

Рослини виділяють кисеньта поглинають вуглекислий газ.

Люди та тварини вдихають кисень, А видихають вуглекислий газ. Це підтримує постійну кількість кисню та вуглекислого газу повітря.

Однак, помилкою буде твердження, що тварини лише виділяють вуглекислий газ, а рослини – лише поглинають його. Рослини поглинають вуглекислий газ у процесі фотосинтезуа без освітлення вони теж його виділяють.

У повітрі завжди міститься невелика кількість вуглекислого газу, близько 1 літра у 2560 літрах повітря. Тобто. концентрація вуглекислого газу атмосфері Землі становить середньому 0,038 %.

При концентрації СО2 у повітрі понад 1% його вдихання викликає симптоми, що вказують на отруєння організму. «Гіперкапнія»: біль голови, нудота, часте поверхневе дихання, посилене потовиділення і навіть втрата свідомості.

Як видно на діаграмі зверху концентрація вуглекислого газу на Землі зростає (звертаю вашу увагу, що це вимірювання не в місті, а на Горі Мауна Лоа в Гаваї) - частка вуглекислого газу в атмосфері з 1960 по 2010 рік зросла з 0,0315% до 0 0385%. Тобто. стабільно зростає на 0,007% за 50 років. У місті концентрація вуглекислого газу ще вища.

Концентрація вуглекислого газу в автмосфері:

• в доіндустріальну епоху - 1750 р:
  280 ppm (часток на мільйон) сумарна маса - 2200 трильйонів кг
• в даний час - 2008 р:
  385 ppm, сумарна маса - 3000 трильйонів кг

Діяльність, що супроводжується викидами CO2(деякі побутові приклади) :

• Їзда на автомобілі (20 км) - 5 кг CO2
• Перегляд телевізора протягом години – 0.1 кг CO2
• Приготування їжі в мікрохвильовій печі (5 хв) – 0,043 кг. CO2

Фотосинтез є єдиним джерелом атмосферного кисню.

В цілому, хімічний баланс фотосинтезу може бути представлений у вигляді простого рівняння:

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

Першим виявив, що рослини виділяють кисень, англійський хімік та філософ Джозеф Прістлі близько 1770 р. Незабаром було встановлено, що для цього необхідне світло і що кисень виділяють лише зелені частини рослин. Потім дослідники виявили, що для живлення рослин потрібен діоксид вуглецю (вуглекислий газ СO2) і вода, з яких створюється велика частина маси рослин. У 1817 французькі хіміки П'єр Жозеф Пелатьє (1788–1842) та Жозеф Б'єнеме Каванту (1795–1877) виділили зелений пігмент хлорофіл.

На середину 19 в. було встановлено, що фотосинтез є процесом, як зворотним дихальному. В основі фотосинтезу лежить перетворення електромагнітної енергії світла на хімічну енергію.

Фотосинтез, що є одним із найпоширеніших процесів на Землі, зумовлює природні круговороти вуглецю, кисню та інших елементів та забезпечує матеріальну та енергетичну основу життя на нашій планеті.

Екологічна арифметика

Протягом одного року звичайне дерево виділяє об'єм кисню, необхідний сім'ї з 3 людина. А автомобіль поглащає цю кількість кисню при спалюванні 1 бака бензину 50 л.

• 1 дерево в середньому протягом 1 року поглащає 120 кг СO2, і приблизно стільки ж виділяє кисню
• 1 автомобіль поглинає цей же обсяг кисню (120 кг) приблизно при спалюванні близько 50 літрів бензину,та виробляє різні вихлопні гази (їх склад вказаний у таблиці)

Склад вихлопних газів:	Бензинові двигуни	Дизелі	Євро 3	Євро 4
N 2, про.%	74-77	76-78
O 2, про.%	0,3-8,0	2,0-18,0
H 2 O (пари), про.%	3,0-5,5	0,5-4,0
CO 2 , про.%	0,0-16,0	1,0-10,0
CO* (чадний газ), об.%	0,1-5,0	0,01-0,5	до 2.3	до 1.0
NOx, Оксиди азоту, об.%	0,0-0,8	0,0002-0,5	до 0.15	до 0.08
СH, Вуглеводні*, об.%	0,2-3,0	0,09-0,5	до 0.2	до 0.1
Альдегіди*, про.%	0,0-0,2	0,001-0,009
Сажа**, г/м3	0,0-0,04	0,01-1,10
Бензпірен-3,4**, г/м3	10-20×10 −6	10×10 −6

* Токсичні компоненти ** Канцерогени

• за рік у 1 автомобіль заправляють 1500 літрів бензину(При пробігу 15000 км і витраті 10л/100км). Це означає, що необхідно 1500 л/50л у баку = 30 дерев, які виробляють поглинений обсяг кисню
• 1 автоцентр у Москві продає порядку 2000 автомобілів на рік(Розмір одного паркінгу). Тобто. 30 дерев помножити на 2000 автомобілів на рік виходить = 60 000 дерев на 1 автоцентр.
• Почнемо з малого: 2000 дерев (1 дерево за 1 автомобіль) – це багато чи мало? На одному футбольному полі можна посадити не більше 400 дерев (20шт х 20шт через 5 метрів — відстань, що рекомендується). Виходить, що 2000 дерев займуть територію. - 5 футбольних полів!
• Скільки на ваше коштує посадити 1 дерево? - Можна відписуватись у коментарях.

Найбільш активними постачальниками кисню є тополі. 1 га таких дерев виділяє в атмосферу кисню в 40 разів більше, ніж 1 га смерекових насаджень.

Шляхи зниження викидів та токсичності

• Колосальний вплив на кількість викидів (крім спалювання палива та часу) грає організація рухуавтомобілів у місті (значна частина викидів відбувається у пробках та на світлофорах). При успішної організації можливе застосування менш потужних двигунів, при низьких (економічних) проміжних швидкостях.
• Істотно знизити вміст вуглеводнів у газах, що відходять, більш ніж у 2 рази, можливо застосуванням як паливопопутних нафтових (пропан, бутан), або природного г азов, У тому, що головний недолік природного газу - низький запас ходу, для міста не настільки значущий.
• Окрім складу палива, на токсичність впливає стан та налаштування двигуна(особливо дизельного – викиди сажі можуть збільшуватися до 20 разів та карбюраторного – до 1,5-2 разів змінюються викиди оксидів азоту).
• Значно знижено викиди (знижена витрата палива) у сучасних конструкціяхдвигунів з інжекторним живленням стабільною стехіометричною сумішшю неетильованого бензину з установкою каталізатора, газових двигунах, агрегатах з нагнітачами та охолоджувачами повітря, застосуванням гібридного приводу. Однак подібні конструкції дорожчають автомобілі.
• Випробування SAE показали, що ефективний спосіб зниження викидів оксидів азоту (до 90%) та загалом токсичних газів - упорскування в камеру згоряння води.
• Передбачені нормативи на автомобілі, що випускаються. У Росії та європейських країнах прийнято стандарти ЄВРО, що задають як токсичність, так і кількісні показники (див. таблицю вище)
• У деяких регіонах вводяться обмеження на рухвеликовантажного автотранспорту (наприклад, у м.Москва).
• Підписання Кіотського протоколу
• Різні екологічні акції, наприклад: Посадь дерево - подаруй Землі кисень!

Що потрібно знати про Кіотський протокол?

Кіотський протокол- міжнародний документ, прийнятий у Кіото (Японія) у грудні 1997 року на додаток до Рамкової конвенції ООН про зміну клімату (РКЗК). Він зобов'язує розвинені країни та країни з перехідною економікою скоротити чи стабілізувати викиди парникових газів у 2008-2012 роках порівняно з 1990 роком.

Станом на 26 березня 2009 року Протокол був ратифіковано 181 країною світу(На ці країни сукупно припадає більш ніж 61% загальносвітових викидів). Помітним винятком із цього списку є США. Перший період здійснення протоколу розпочався 1 січня 2008 року та триватиме п'ять років. до 31 грудня 2012 рокуПісля чого, як очікується, на зміну йому прийде нова угода.

Кіотський протокол став першою глобальною угодою про охорону навколишнього середовища, засновану на ринковому механізмі регулювання - механізмі міжнародної торгівлі квотами на викиди парникових газів.

Дерева штучні, кисень справжній

Вчені з Колумбійського університету Нью-Йорка разом із французькою дизайнерською студією Influx Studio розробили штучні дерева. За великим рахунком, це машина, стилізована під драцену, з широкими гілками та парасольковою кроною. Гілки використовують для того, щоб підтримувати сонячні панелі, які живлять дерева енергією.

Штучні дерева зовні будуть схожі на величезні ліхтарі, що переливаються у темряві різними кольорами. Механічні драцени будуть не лише приносити практичну користь, а й стануть окрасою сучасного мегаполісу.

Крім перетворення вуглекислого газу на кисень, штучні дерева можуть бути додатковим джерелом енергії. Крім сонячних панелей, вона вироблятиметься шляхом перетворення механічної енергії від гойдалок, встановлених біля основи.

Зовні такі штучні дерева нагадують драцену, а складаються з переробленої деревини і пластику. У корі такого «дерева» знаходяться сонячні батареї та фільтри для поглинання вуглекислого газу. У «стволах» штучних дерев є вода та деревна смола – за їх участі проходитиме процес фотосинтезу. Для підтримки працездатності таких дерев будуть використовуватися спеціальні гойдалки: генераторами електроенергії стануть городяни, що веселяться.

Купив машину - посади 12 га лісу

У повсякденному житті ми часто зустрічаємось із проблемами нестачі води чи продовольства. Вони завдають нам певних незручностей. Є, проте, речі, дефіцит яких накопичується непомітно, але найближчим часом ризикує стати серйозною проблемою задля забезпечення життєдіяльності людства.

Викиди двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) діляться на викиди від карбюраторних та дизельних двигунів. Такий поділ пов'язаний з тим, що карбюраторні двигуни (КД) працюють з однорідними паливно-повітряними сумішами, тоді як дизельні двигуни (ДД) – з гетерогенними сумішами.

Викиди забруднень від двигунів внутрішнього згоряння карбюраторного типу включають вуглеводні, оксиди вуглецю, оксиди азоту та нерегулярні викиди. Забруднення виникають внаслідок реакцій та у процесі горіння обсягом і поверхнях. Прорив газів через поршневі кільця та вихлоп із циліндрів є менш інтенсивним джерелом викидів забруднень.

У 1980 р. 4 % легкових і вантажних автомобілів, що випускаються у світі, було оснащено дизелями, а до кінця 80-х років цей показник зріс до 25 %. Основні викиди забруднень дизельних двигунів ті самі, що й карбюраторних двигунів (вуглеводні, оксид вуглецю, оксиди азоту, нерегулярні викиди), але до них додаються частинки вуглецю (сажовий аерозоль).

Легковий автомобіль викидає оксиду вуглецю СО до 3 м3/год, вантажний – до 6 м3/год (3…6 кг/год).

Про склад вихлопних газів автомобілів з різними типами двигунів можна судити за даними, наведеними у табл. 8.1.

		Таблиця 8.1.
Зразковий склад вихлопних газів автомобілів
Компоненти
	карбюраторний	дизельний дви-
	двигун
H2 О (пари)
СО2
Оксиди азоту		2. 10-3 -0,5
Вуглеводні		1. 10-3 -0,5
Альдегіди		1 . 10 - 3 -9 .10 -3

	0-0,4 г/м3	0,01-1,1 г/м3
Бензапірен	(10-20). 10-6 г/м3	до1. 10-5 г/м3

Викиди оксиду вуглецю та вуглеводнів у карбюраторних двигунів значно вищі, ніж у дизельних двигунів.

8.2. Зниження викидів двигунів внутрішнього згоряння

Підвищення екологічних показників автомобіля можливе за рахунок проведення комплексу заходів щодо вдосконалення його конструкції та режиму експлуатації. До покращення екологічних показників автомобіля наводять: підвищення його економічності; заміна бензинових ДВЗ на дизельні; переклад ДВЗ на використання альтернативних палив (стиснений або скраплений газ, етанол, метанол, водень та ін.); застосування нейтралізаторів відпрацьованих газів ДВЗ; вдосконалення режиму роботи ДВЗ та технічного обслуговування автомобіля.

Відомі та застосовуються ряд методів зниження токсичності вихлопних газів. Серед них робота автомобіля в умовах, коли двигун виділяє найменшу кількість токсичних речовин (зменшення гальмування, рівномірний рух із певною швидкістю тощо); застосування спеціальних присадок до палива, що збільшують повноту його згоряння та зменшують викид СО (спирти, інші сполуки); полум'яне допалювання деяких шкідливих компонентів.

В карбюраторних двигунах співвідношення між повітрям та паливом впливає на вміст вуглеводнів та оксиду вуглецю у вихлопі. Так, наприклад, викиди збільшуються зі збільшенням збагачення суміші. Зміст ЗІ збільшуєтьсячерез неповне згоряння, викликане нестачею кисню в суміші. Збільшення вмісту вуглеводнів відбувається насамперед через збільшення адсорбції палива та посилення механізму неповного згоряння палива. Бідні суміші створюють нижчі концентрації Сn Нm і СО у викиді внаслідок їх повного згоряння.

В дизельних двигунах потужність змінюється при зміні кількості палива, що впорскується. В результаті змінюється розподіл струменя палива, кількість палива, що ударяється об стінку, тиск у циліндрі, температура, а також тривалість впорскування.

Фахівці вважають, що для помітного зниження шкідливих викидів необхідно скоротити споживання бензину з 8 літрів (на 100 км пробігу – до 2…3 л. Це потребує вдосконалення пристрою двигуна та якості палива; переходу на неетилізований бензин; застосування каталітичного допалювання для зменшення викиду ЗІ; впровадження електрон-

ної системи управління процесів горіння палива; та інші заходи, зокрема застосування глушників шуму у системі вихлопу.

Підвищення паливної економічності автомобіля досягається головним чином за рахунок вдосконалення процесу згоряння ДВС: пошарове спалювання палива; форкамерно-факельне спалювання; застосування підігріву та випаровування палива у впускному тракті; використання електронного запалення. Додатковими резервами підвищення економічності автомобіля є:

- зниження маси автомобіля за рахунок удосконалення його конструкції та застосування неметалічних та високоміцних матеріалів;

- поліпшення аеродинамічних показників кузова (останні моделі легкових автомобілів мають, як правило, на 30...40% менший коефіцієнт лобового опору);

- зниження опору повітряних фільтрів та глушників, відключення допоміжних агрегатів, наприклад, вентилятора тощо;

- зниження маси палива, що перевозиться (неповне заповнення баків) і маси інструментів.

Сучасні моделі легкових автомобілів суттєво відрізняються за паливною економічністю від попередніх моделей.

Перспективні марки легкових автомобілів матимуть витрату бензину 3,5 л/100 км і менше. Підвищення економічності автобусів та вантажних автомобілів досягається насамперед застосуванням дизельних ДВЗ. Вони мають екологічні переваги порівняно з бензиновими ДВЗ, оскільки мають меншу на 25…30 % питому витрату палива; крім того, склад відпрацьованих газів у дизельного ДВЗ менш токсичний (див. табл. 8.1).

Екологічними перевагами в порівнянні з бензиновими ДВЗ володіють двигуни, що працюють на альтернативних паливах. Загальне уявлення про зниження токсичності ДВЗ при переході на альтернативне паливо можна отримати з даних, наведених у таблиці. 8.2.

Таблиця 8.2 Токсичність викидів ДВЗ на різних паливах

Багато вчених бачать часткове вирішення екологічної проблеми у переведенні автомобілів на газоподібне паливо. Так, вміст окису уг-

лероду у вихлопах газомобілів менше на 25...40 %; окису азоту на 25...30%; сажі на 40...50%. При використанні в автомобільних двигунах зрідженого чи стисненого газу вихлопні гази майже містять оксиду вуглецю. Вирішенням проблеми стало б широке застосування електромобіля. Електромобілі, що випускаються, мають обмежений радіус дії через обмежену ємність і велику масу батарей. Наразі ведуться широкі дослідження у цій галузі. Деякі позитивні результати вже досягнуто. Зниження токсичності викидів може бути досягнуто зменшенням вмісту сполук свинцю в бензині без погіршення його енергетичних якостей.

Переведення на газове паливо не передбачає значних змін у конструкції ДВЗ, проте стримується відсутністю станцій заправки та необхідної кількості автомобілів, переобладнаних для роботи на газі. Крім того, автомобіль, переобладнаний для роботи на газовому паливі, втрачає вантажопідйомність через наявність балонів і запас ходу приблизно в 2 рази (200 км. проти 400…500 км. у бензинового автомобіля). Ці недоліки частково усуваються при переведенні автомобіля на скраплений природний газ.

Застосування метанолу та етанолу потребує змін конструкції ДВС, оскільки спирти більш хімічно активні до гум, полімерів, мідних сплавів. У конструкцію ДВС необхідно вводити додатковий підігрівач для запуску двигуна в холодну пору року (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.

Незважаючи на те, що викиди токсичних речовин (Сn Нm та СО) з картера та паливної системи двигуна принаймні на порядок нижчі за викиди вихлопних газів, в даний час розробляються методи спалювання картерних газів ДВЗ. Відома замкнута схема нейтралізації картерних газів з подачею їх у впускний трубопровід двигуна з подальшим допалюванням. Замкнена система вентиляції картера з поверненням картерних газів до карбюратора зменшує виділення в атмосферу вуглеводнів на 10…30 %, оксидів азоту на 5…25 %, але збільшується викид оксиду вуглецю на 10…35 %. При поверненні картерних газів після карбюратора знижується викид Cn Hm на 10-40%, СО на 10-25%, але зростає викид NOx на 10-40%.

Для запобігання викидам парів бензину з паливної системи, основна частина яких надходить в атмосферу, коли двигун не працює, на автомобілях встановлюють систему знешкодження випарів палива з карбюратора та паливного бака, що складається з трьох основних вузлів (рис. 8.1): герметичного паливного бака 1 спеціальною ємністю 2 для компенсації теплового розширення палива; кришки 3 паливно-заправної горловини бака з двостороннім запобіжним клапаном для запобігання надмірному тиску або розрідженню в баку; адсорбера 4 для поглинання парів палива при вимкненому двигуні із системою повернення парів у впускний тракт двигуна під час його роботи. Як адсорбент використовують активоване вугілля.

Мал. 8.1. Схема уловлювання парів палива бензинового ДВЗ

Дотримання регламенту технічного обслуговування та контроль складу відпрацьованих газів (ОГ) ДВЗ дозволяє значно скоротити токсичні викиди в атмосферу. Відомо, що з 160 тис. км пробігу і за відсутності контролю викиди СО зростають у 3,3 разу, а Сп Нт - у 2,5 разу.

Підвищення екологічних показників газотурбінної рухової установки (ВМДУ) на літаках досягається вдосконаленням процесу згоряння палива, застосуванням альтернативного палива (скраплений газ, водень та ін.), раціональною організацією руху в аеропортах.

Збільшення часу перебування продуктів згоряння в камері згоряння ГТДУ супроводжується збільшенням повноти згоряння (зменшення вмісту СО та Cn Hm у продуктах згоряння) та вмісту в них оксидів азоту. Тому, змінюючи час перебування газу в камері згоряння, можна досягти лише мінімальної токсичності продуктів згоряння, а не повністю усунути її.

Більш ефективним засобом зниження токсичності ГТДУ є застосування способів подачі палива, що забезпечують більш рівномірне змішування палива та повітря. До них відносяться пристрої з попереднім випаровуванням палива, форсунки з аерацією палива та ін. зменшити вміст NOx.

Істотне зниження вмісту NOx у продуктах згоряння ДМСУ досягається при стадійному процесі згоряння палива у двозонних камерах згоряння. У таких камерах основна частина палива на режимах великої тяги спалюється у вигляді попередньо підготовленої бідної суміші. Найменша частина палива (~25 %) спалюється у вигляді багатої суміші, де і утворюються в основному оксиди азоту. Досліди показують, що при такому згорянні можна знизити вміст NOx у 2 рази.

Вирішення екологічних проблем, пов'язаних із застосуванням ракетної техніки, засноване на використанні екологічно безпечного палива і насамперед кисню та водню.

8.3. Нейтралізація вихлопів двигунів внутрішнього згоряння

Поліпшення екологічних характеристик автомобілів можливе за рахунок комплексу заходів щодо вдосконалення їх конструкцій та режимів експлуатації. До них відносяться підвищення економічності роботи двигунів, заміна їх бензинових версій на дизельні, використання альтернативних палив (стислий або скраплений газ, етанол, метанол, водень та ін.), застосування нейтралізаторів відпрацьованих газів, оптимізація режиму роботи двигунів та технічного обслуговування автомобілів.

Значне зниження токсичності ДВЗ досягається при використанні нейтралізаторів відпрацьованих газів (ОГ). Відомі рідинні, каталітичні, термічні та комбіновані нейтралізатори. Найбільш ефективними є каталітичні конструкції. Оснащення ними автомобілів почалося 1975 р. у США та 1986 р. - у Європі. З того часу забруднення атмосфери вихлопами різко знизилося - відповідно на 98,96 і 90% за вуглеводнями, СО та NOх.

Нейтралізатор - це додатковий пристрій, який вводиться у випускну систему двигуна зниження токсичності ОГ. Відомі рідинні, каталітичні, термічні та комбіновані нейтралізатори.

Принцип дії рідинних нейтралізаторів заснований на розчиненні або хімічній взаємодії токсичних компонентів ОГ при їх пропусканні через рідину певного складу: вода, водний розчин сульфіту натрію, водний розчин двовуглекислої соди.

На рис. 8.2 представлена ​​схема рідинного нейтралізатора, що застосовується з двотактним дизельним двигуном. Відпрацьовані гази надходять у нейтралізатор по трубі 1 і через колектор 2 потрапляють у бак 3 де вступають в реакцію з робочою рідиною. Очищені гази проходять через фільтр 4, сепаратор 5 та викидаються в атмосферу. У міру випаровування рідину доливають у робочий бак додаткового бака 6.

Мал. 8.2. Схема рідинного нейтралізатора

Пропуск відпрацьованих газів дизелів через воду призводить до зменшення запаху, альдегіди поглинаються з ефективністю 0,5, а ефективність очищення від сажі досягає 0,60 ... 0,80. При цьому дещо зменшується вміст бенз(а)пірену у відпрацьованих газах дизелів. Температура газів після рідинного очищення становить 40...80 °С, приблизно до цієї температури нагрівається і робоча рідина. При зниженні температури процес очищення йде інтенсивніше.

Рідкісні нейтралізатори не вимагають часу для виходу на робочий режим після запуску холодного двигуна. Недоліки рідинних нейтралізаторів: велика маса та габарити; необхідність частої зміни робочого розчину; неефективність щодо СО; мала ефективність (0,3) по відношенню до NOx; інтенсивне випаровування рідини. Однак використання рідинних нейтралізаторів у комбінованих системах очищення може бути раціональним, особливо для установок, які відпрацювали гази яких повинні мати низьку температуру при надходженні в атмосферу.

Вихлопні гази (або відпрацьовані гази) - основне джерело токсичних речовин двигуна внутрішнього згоряння - це неоднорідна суміш різних газоподібних речовин з різноманітними хімічними та фізичними властивостями, що складається з продуктів повного та неповного згоряння палива, надлишкового повітря, аерозолів та різних мікродомішок (як газоподібних, так і у вигляді рідких та твердих частинок), що надходять з циліндрів двигунів у його випускну систему. У своєму складі вони містять близько 300 речовин, більшість з яких є токсичними.

Основними нормованими токсичними компонентами вихлопних газів двигунів є оксиди вуглецю, азоту та вуглеводню. Крім того, з вихлопними газами в атмосферу надходять граничні та ненасичені вуглеводні, альдегіди, канцерогенні речовини, сажа та інші компоненти. Орієнтовний склад.

Склад вихлопних газів

Компоненти вихлопного газу	Зміст за обсягом, %		Токсичність
	Двигун
	бензин	дизель
Азот	74,0 - 77,0	76,0 - 78,0	ні
Кисень	0,3 - 8,0	2,0 - 18,0	ні
Пари води	3,0 - 5,5	0,5 - 4,0	ні
Диоксид вуглецю	5,0 - 12,0	1,0 - 10,0	ні
Оксид вуглецю	0,1 - 10,0	0,01 - 5,0	так
Вуглеводні неканцерогенні	0,2 - 3,0	0,009 - 0,5	так
Альдегіди	0 - 0,2	0,001 - 0,009	так
Оксид сірки	0 - 0,002	0 - 0,03	так
Сажа, г/м3	0 - 0,04	0,01 - 1,1	так
Бензопірен, мг/м3	0,01 - 0,02	до 0,01	так

При роботі двигуна на етильованому бензині у складі вихлопних газів є свинець, а у двигунів, що працюють на дизельному паливі - сажа.

Оксид вуглецю (CO - чадний газ)

Прозорий отрутний газ, що не має запаху, трохи легший за повітря, погано розчинний у воді. Оксид вуглецю продукт неповного згоряння палива, в повітрі горить синім полум'ям із заснуванням діоксиду вуглецю (вуглекислого газу). У камері згоряння двигуна CO утворюється при незадовільному розпилюванні палива, внаслідок холоднопламенних реакцій, при згорянні палива з нестачею кисню, а також внаслідок дисоціації діоксиду вуглецю за високих температур. При подальшому згорянні після запалення (після верхньої мертвої точки, на такті розширення) можливе горіння оксиду вуглецю за наявності кисню з утворенням діоксиду. При цьому процес вигоряння CO продовжується і у випускному трубопроводі. Слід зазначити, що з експлуатації дизелів концентрація CO у вихлопних газах невелика (приблизно 0,1 - 0,2%), тому, зазвичай, концентрацію CO визначають для бензинових двигунів.

Оксиди азоту (NO, NO2, N2O, N2O3, N2O5, надалі NOx)

Оксиди азоту є одними з найбільш токсичних компонентів газів, що відпрацювали. За нормальних атмосферних умов азот є дуже інертним газом. При високих тисках і особливо температурах азот активно входить у реакцію з киснем. У вихлопних газах двигунів понад 90% від кількості NOx становить оксид азоту NO, який у системи випуску, та був у атмосфері легко окислюється в діоксид (NO2). Оксиди азоту дратівливо впливають на слизові оболонки очей, носа, руйнують легкі людини, оскільки під час руху дихальним трактом вони взаємодіють із вологою верхніх дихальних шляхів, утворюючи азотну і азотисту кислоти. Як правило, отруєння організму людини NOx проявляється не відразу, а поступово, причому якихось нейтралізуючих засобів немає.

Закис азоту (N2O геміоксид, що веселить газ) газ із приємним запахом, добре розчинний у воді. Має наркотичну дію.

NO2 (діоксид) блідо-жовта рідина, що бере участь у освіті смогу. Діоксид азоту використовується як окислювач у ракетному паливі. Вважається, що для організму людини оксиди азоту приблизно в 10 разів небезпечніші за CO, а при врахуванні вторинних перетворень у 40 разів. Оксиди азоту становлять небезпеку для листя рослин. Встановлено, що їхній безпосередній токсичний вплив на рослини проявляється при концентрації NOx у повітрі в межах 0,5 - 6,0 мг/м3. Азотна кислота викликає сильну корозію вуглецевих сталей. На величину викиду оксидів азоту значно впливає температура в камері згоряння. Так, у разі підвищення температури від 2500 до 2700 До швидкість реакції збільшується в 2,6 разу, а при зменшенні від 2500 до 2300 К - зменшується у 8 разів, тобто. що температура, тим вище концентрація NOx. Раннє упорскування палива або високий тиск стиснення в камері згоряння також сприяють утворенню NOx. Що концентрація кисню, то вище концентрація оксидів азоту.

Вуглеводні (CnHm етан, метан, етилен, бензол, пропан, ацетилен та ін.)

Вуглеводні органічні сполуки, молекули яких побудовані лише з атомів вуглецю та водню, є токсичними речовинами. У вихлопних газах міститься більше 200 різних CH, які поділяються на аліфатичні (з відкритим або закритим ланцюгом) і містять бензольне або ароматичне кільце. Ароматичні вуглеводні містять у молекулі один або кілька циклів із 6 атомів вуглецю, з'єднаних між собою простими або подвійними зв'язками (бензол, нафталін, антрацен та ін.). Мають приємний запах. Наявність CH у відпрацьованих газах двигунів пояснюється тим, що суміш у камері згоряння є неоднорідною, тому у стінок, в перезбагачених зонах, відбувається гасіння полум'я і обрив ланцюгових реакцій. мають неприємний запах. CH є причиною багатьох хронічних захворювань. Токсичні також пари бензину, які є вуглеводнями. Допустима середньодобова концентрація парів бензину становить 1,5 мг/м3. Зміст CH у вихлопних газах зростає при дроселюванні, під час роботи двигуна на режимах примусового холостого ходу (ПХХ, наприклад, при гальмуванні двигуном). При роботі двигуна на вказаних режимах погіршується процес сумішоутворення (перемішування паливно-повітряного заряду), зменшується швидкість згоряння, погіршується займання і, як результат, виникають його часті пропуски. Виділення CH викликається неповним згорянням поблизу холодних стінок, якщо до кінця згоряння залишаються місця з сильним локальним недоліком повітря, недостатнім розпилюванням палива, при незадовільному завихренні повітряного заряду та низьких температурах (наприклад, режим холостого ходу). Вуглеводні утворюються в перезбагачених зонах, де обмежений доступ кисню, а також поблизу порівняно холодних стін камери згоряння. Вони відіграють активну роль в утворенні біологічно активних речовин, що викликають подразнення очей, горла, носа та їх захворювання, і завдають шкоди рослинному та тваринному світу.

Вуглеводневі сполуки надають наркотичну дію на центральну нервову систему, можуть бути причиною хронічних захворювань, а деякі ароматичні CH мають отруйні властивості. Вуглеводні (олефіни) та оксиди азоту за певних метеорологічних умов активно сприяють утворенню смогу.

Зміг від вихлопних газів.

Зміг (Smog, від smoke дим і fog - туман) отруйний туман, що утворюється в нижньому шарі атмосфери, забрудненої шкідливими речовинами від промислових підприємств, вихлопними газами від автотранспорту та установок, що виробляють тепло, при несприятливих погодних умовах. Він є аерозоль, що складається з диму, туману, пилу, частинок сажі, крапельок рідини (у вологій атмосфері). Виникає в атмосфері промислових міст за певних метеорологічних умов. Шкідливі гази, що надходять в атмосферу, вступають у реакцію між собою і утворюють нові, у тому числі і токсичні сполуки. У атмосфері у своїй відбуваються реакції фотосинтезу, окислення, відновлення, полімеризації, конденсації, каталізу тощо. Внаслідок складних фотохімічних процесів, що стимулюються ультрафіолетовою радіацією Сонця, з оксидів азоту, вуглеводнів, альдегідів та інших речовин утворюються фотооксиданти (окислювачі).

Низькі концентрації NO2 можуть створити велику кількість атомарного кисню, який у свою чергу утворює озон і знову реагує на речовини, що забруднюють атмосферне повітря. Наявність в атмосфері формальдегіду, вищих альдегідів та інших вуглеводневих сполук також сприяє разом із озоном утворенню нових перекисних сполук. Продукти дисоціації взаємодіють із олефінами, утворюючи токсичні гідроперекисні сполуки. При їх концентрації понад 0,2 мг/м3 настає конденсація водяної пари у вигляді дрібних крапель туману з токсичними властивостями. Їхня кількість залежить від сезону року, часу доби та інших факторів. У жарку суху погоду зміг спостерігається у вигляді жовтої пелени (колір надає присутній у повітрі діоксид азоту NO2 крапельки жовтої рідини). Зміг викликає подразнення слизових оболонок, особливо очей, може спричинити головний біль, набряки, крововиливи, ускладнення захворювань дихальних шляхів. Погіршує видимість на дорогах, збільшуючи кількість дорожньо-транспортних пригод. Небезпека для життя людини велика. Так, наприклад, лондонський смог 1952 р. називають катастрофою, оскільки за 4 дні від смогу загинуло близько 4 тис. Чоловік. Наявність в атмосфері хлористих, азотних, сірчистих сполук і крапельок води сприяє утворенню сильних токсичних сполук та пар кислот, що згубно позначається на рослинах, а також спорудах, особливо на історичних пам'ятниках, складених з вапняку. Природа змог різна. Наприклад, у Нью-Йорку утворенню смогу сприяють реакції фтористих та хлористих сполук з крапельками води; у Лондоні присутність парів сірчаної та сірчистої кислот; у Лос-Анджелесі (каліфорнійський або фотохімічний смог) наявність в атмосфері оксидів азоту, вуглеводнів; в Японії - присутність в атмосфері частинок сажі та пилу.

Невеликий лікнеп для любителів подихати з вихлопної труби.

Відпрацьовані гази ДВЗ містять близько 200 компонентів. Період існування триває від кількох хвилин до 4 -5 років. За хімічним складом та властивостями, а також характером впливу на організм людини їх поєднують у групи.

Перший гурт. До неї входять нетоксичні речовини (природні компоненти атмосферного повітря

Друга група. До цієї групи відносять тільки одну речовину - оксид вуглецю, або чадний газ (СО). Продукт неповного згоряння нафтових видів палива не має кольору та запаху, легше за повітря. У кисні і на повітрі оксид вуглецю горить блакитним полум'ям, виділяючи багато теплоти і перетворюючись на вуглекислий газ.

Оксид вуглецю має виражену отруйну дію. Воно зумовлене його здатністю вступати в реакцію з гемоглобіном крові, що призводить до утворення карбоксигемоглобіну, який не зв'язує кисень. Внаслідок цього порушується газообмін в організмі, з'являється кисневе голодування та виникає порушення функціонування всіх систем організму.

Отруєння чадним газом часто схильні до водіїв автотранспортних засобів при ночівлях у кабіні з працюючим двигуном або при прогріві двигуна в закритому гаражі. Характер отруєння оксидом вуглецю залежить від його концентрації у повітрі, тривалості впливу та індивідуальної сприйнятливості людини. Легкий ступінь отруєння викликає пульсацію в голові, потемніння в очах, підвищене серцебиття. При тяжкому отруєнні свідомість затуманюється, зростає сонливість. При дуже великих дозах чадного газу (понад 1%) настають втрата свідомості та смерть.

Третя група. У її складі оксиди азоту, головним чином NO-оксид азоту та NO2 - діоксид азоту. Це гази, що утворюються в камері згоряння ДВЗ при температурі 2800 ° С і тиск близько 10 кгс/см 2 . Оксид азоту — безбарвний газ, що не взаємодіє з водою і мало розчинний у ній, не вступає в реакції з розчинами кислот та лугів.

Легко окислюється киснем повітря та утворює діоксид азоту. За звичайних атмосферних умов NO повністю перетворюється на NO 2 -газ бурового кольору з характерним запахом. Він важчий за повітря, тому збирається в поглибленнях, канавах і становить велику небезпеку при технічному обслуговуванні транспортних засобів.

Для людського організму оксиди азоту ще шкідливіші, ніж чадний газ. Загальний характер впливу змінюється в залежності від вмісту різних оксидів азоту. При контакті діоксиду азоту з вологою поверхнею (слизові оболонки очей, носа, бронхів) утворюються азотна та азотиста кислоти, що подразнюють слизові оболонки та вражають альвеолярну тканину легень. При високих концентраціях оксидів азоту (0,004 - 0,008%) виникають астматичні прояви та набряк легень.

Вдихаючи повітря, що містить оксиди азоту у високих концентраціях, людина не має неприємних відчуттів і не передбачає негативних наслідків. При тривалому впливі оксидів азоту в концентраціях, що перевищують норму, люди хворіють на хронічний бронхіт, запалення слизової оболонки шлунково-кишкового тракту, страждають на серцеву слабкість, а також нервові розлади.

Вторинна реакція на вплив оксидів азоту проявляється у освіті у людському організмі нітритів і всмоктуванні в кров. Це спричиняє перетворення гемоглобіну на метагемоглобін, що призводить до порушення серцевої діяльності.

Оксиди азоту надають негативний вплив і на рослинність, утворюючи на листових пластинах розчини азотної та азотистої кислот. Цією ж властивістю обумовлено вплив оксидів азоту на будівельні матеріали та металеві конструкції. Крім того, вони беруть участь у фотохімічній реакції утворення смогу.

Четверта група. У цю найбільш численну за складом групу входять різні вуглеводні, тобто з'єднання типу З x Н y. У відпрацьованих газах містяться вуглеводні різних гомологічних рядів: парафінові (алкани), нафтенові (циклани) та ароматичні (бензольні), лише близько 160 компонентів. Вони утворюються внаслідок неповного згоряння палива у двигуні.

Вуглеводні, що не згоріли, є однією з причин появи білого або блакитного диму. Це відбувається при запізнюванні запалення робочої суміші двигуна або при знижених температурах в камері згоряння.

Вуглеводні токсичні та надають несприятливий вплив на серцево-судинну систему людини. Вуглеводневі сполуки відпрацьованих газів, поряд з токсичними властивостями, мають канцерогенну дію. Канцерогени - це речовини, що сприяють виникненню та розвитку злоякісних новоутворень.

Особливою канцерогенною активністю відрізняється ароматичний вуглеводень бенз-а-пірен С 20 H 12 , що міститься в газах, що відпрацювали бензинових двигунів і дизелів. Він добре розчиняється в оліях, жирах, сироватці людської крові. Нагромаджуючись в організмі людини до небезпечних концентрацій, бенз-а-пірен стимулює утворення злоякісних пухлин.

Вуглеводні під впливом ультрафіолетового випромінювання Сонця входять у реакцію з оксидами азоту, у результаті утворюються нові токсичні продукти — фотооксиданти, є основою «смогу».

Фотооксиданти біологічно активні, шкідливо впливають на живі організми, ведуть до зростання легеневих та бронхіальних захворювань людей, руйнують гумові вироби, прискорюють корозію металів, погіршують умови видимості.

П'ята група. Її складають альдегіди - органічні сполуки, що містять альдегідну групу -СHO, пов'язану з вуглеводневим радикалом (СН 3, С 6 Н 5 або ін.).

У відпрацьованих газах присутні переважно формальдегід, акролеїн і оцтовий альдегід. Найбільша кількість альдегідів утворюється на режимах холостого ходу та малих навантажень, коли температури згоряння у двигуні невисокі.

Формальдегід НСНО - безбарвний газ з неприємним запахом, важчий за повітря, легко розчинний у воді. Він подразнює слизові оболонки людини, дихальні шляхи, вражає центральну нервову систему. Обумовлює запах відпрацьованих газів, особливо у дизелів.

Акролеїн СН 2 =СН-СН=O, або альдегід акрилової кислоти, - безбарвний отруйний газ із запахом жирів, що підгоріли. Чинить на слизові оболонки.

Оцтовий альдегід СН 3 СНТ — газ із різким запахом та токсичною дією на людський організм.

Шоста група. У неї виділяють сажу та інші дисперсні частинки (продукти зношування двигунів, аерозолі, масла, нагар та ін.). Сажа - частки твердого вуглецю чорного кольору, що утворюються при неповному згорянні та термічному розкладанні вуглеводнів палива. Вона не є безпосередньою небезпекою для здоров'я людини, але може дратувати дихальні шляхи. Створюючи димний шлейф за транспортним засобом, сажа погіршує видимість на дорогах. Найбільша шкода сажі полягає в адсорбуванні на її поверхні бенз-а-пірена, який у цьому випадку має сильніший негативний вплив на організм людини, ніж у чистому вигляді.

Сьома група. Являє собою сірчисті сполуки - такі неорганічні гази, як сірчистий ангідрид, сірководень, які з'являються у складі відпрацьованих газів двигунів, якщо використовується паливо з підвищеним вмістом сірки. Значно більше сірки є у дизельних паливах порівняно з іншими видами палив, що використовуються на транспорті.

Для вітчизняних родовищ нафти (особливо у східних районах) характерний високий відсоток присутності сірки та сірчистих сполук. Тому і дизельне паливо, що отримується з неї, за застарілими технологіями відрізняється більш важким фракційним складом і водночас гірше очищене від сірчистих і парафінових сполук. Згідно з європейськими стандартами, введеними в дію в 1996 році, вміст сірки в дизельному паливі не повинен перевищувати 0,005 г/л, а за російським стандартом - 1,7 г/л. Наявність сірки посилює токсичність відпрацьованих газів дизелів і є причиною появи в них шкідливих сірчистих сполук.

Сірчисті сполуки мають різкий запах, важчий за повітря, розчиняються у воді. Надають дратівливу дію на слизові оболонки горла, носа, очей людини, можуть призвести до порушення вуглеводного та білкового обміну та пригнічення окисних процесів, при високій концентрації (понад 0,01 %) – до отруєння організму. Сірчистий ангідрид згубно впливає і на рослинний світ.

Восьма група. Компоненти цієї групи - свинець і його з'єднання - зустрічаються в газах, що відпрацювали, карбюраторних автомобілів тільки при використанні етилованого бензину, що має у своєму складі присадку, що підвищує октанове число. Воно визначає здатність двигуна працювати без детонації. Чим вище октанове число, тим стійкіший бензин проти детонації. Детонаційне згоряння робочої суміші протікає з надзвуковою швидкістю, що у 100 разів швидше за нормальне. Робота двигуна з детонацією небезпечна тим, що двигун перегрівається, потужність падає, а термін служби різко скорочується. Збільшення октанового числа бензину сприяє зниженню можливості настання детонації.

Як присадку, що підвищує октанове число, використовують антидетонатор - етилову рідину Р-9. Бензин із додаванням етилової рідини стає етильованим. До складу етилової рідини входять власне антидетонатор - тетраетилсвинець РЬ(С 2 Н 5) 4 , виносник - бромистий етил (ВгС 2 Н 5) і α-монохлорнафталін (C 10 H 7 Cl), наповнювач - бензин Б-70, антиокислювач - Параоксидіфеніламін і барвник. При згорянні етилованого бензину виносник сприяє видаленню свинцю та його оксидів з камери згоряння, перетворюючи їх на пароподібний стан. Вони разом з газами, що відпрацювали, викидаються в навколишній простір і осідають поблизу доріг.

У придорожньому просторі приблизно 50% викидів свинцю у вигляді мікрочастинок одразу розподіляються на прилеглій поверхні. Інша кількість протягом декількох годин перебуває у повітрі у вигляді аерозолів, а потім також осаджується на землю поблизу доріг. Накопичення свинцю в придорожній смузі призводить до забруднення екосистем і робить навколишні ґрунти непридатними до сільськогосподарського використання.

Додавання до бензину присадки Р-9 робить його високотоксичним. Різні марки бензину мають різний процентний вміст присадки. Щоб розрізняти марки етилованого бензину, їх фарбують, додаючи до присадки різнокольорові барвники. Неетильований бензин поставляється без фарбування (табл. 9).

У розвинених країнах світу застосування етилованого бензину обмежується або вже повністю припинено. У Росії її ще знаходить широке застосування. Проте ставиться завдання відмовитись від його використання. Великі промислові центри та курортні місцевості переходять на використання неетильованих бензинів.

Негативний вплив на екосистеми надають не тільки розглянуті компоненти двигунів, що відпрацювали газів, виділені у вісім груп, але й самі вуглеводневі палива, масла і мастила. Маючи велику здатність до випаровування, особливо при підвищенні температури, пари палив і масел поширюються в повітрі і негативно впливають на живі організми.

У місцях заправки транспортних засобів паливом та олією відбуваються випадкові розливи та навмисні сливи відпрацьованої олії прямо на землю або у водойми. На місці масляної плями тривалий час не росте рослинність. Нафтопродукти, що потрапили у водоймища, згубно впливають на їхню флору та фауну.