Выхлопные газы

В Евросоюзе разрешенный уровень вредных веществ в выхлопе зависит от возраста автомобиля. Если год выпуска автомобиля раньше чем 1978, то нет каких - либо фиксированных ограничений, существует лишь одно требование, чтобы не было видимого дыма, выходящего из выхлопной трубы. Если машина 1979-1986 года выпуска, то максимальный лимит выделяемых ею вредных веществ, измеряемых на холостом ходу таков: CO - меньше, чем 4,5%, СH - 100 ppm. Кислород должен быть меньше чем 5%. Последний показатель обычно используется для подтверждения того, что ничего незаконного для снижения уровня CO с системами автомобиля сделано не было. С 1986 по 1990 в большинстве стран требования стали более высокими: CO - 3,5%, CH - 600 ppm. С 1991 были установлены новые правила относительно автомобилей оборудованных каталитическим дожигателем выхлопных газов. Сейчас уровень вредных выхлопов автомобиля измеряют двумя способами: на холостом ходу и на 2500 оборотах двигателя в минуту. С помощью каталитического дожигателя выхлопных газов уровень вредных выхлопов намного сократился, по этой причине показатели ограничений вредных выхлопов тоже уменьшились. На холостом ходу уровень CO должен быть не более 0,5%, а CH не более 100 ppm. В это же время так называемый коэффициент избытка воздуха альфа высчитывается математически и должен быть между 0,91 - 1,03. Также уровень кислорода должен быть меньше чем 0,5% и контрольный уровень CO 2 должен быть меньше 16.

Владельцы новых машин не имеют проблем с получением разрешения на использование их транспорта. Хотя, например, в Финляндии средний возраст легкового автомобиля составляет 10,5 лет. Но когда автомобиль имеет значительный пробег и возраст, при прохождении теста на вредность выхлопа он может быть отправлен на ремонт.

Очень часто эти проблемы встречаются у старых автомобилей, когда двигатель уже имеет значительный пробег и потерял свою былую мощь. Зачастую владельцы не замечают, что их автомобиль уже утратил мощность.

Количество отходящих газов автомобилей

В основном определяется массовым расходом топлива автомобилями. Расход по расстоянию нормируется и обычно указывается производителями (одна из потребительских характеристик). В отношении суммарного объема выходящих из глушителя выхлопных газов приблизительно можно ориентироваться на такую цифру -- один литр сжигаемого бензина приводит к образованию примерно 16 кубометров или 16000 литров смеси различных газов. На основании этих данных можно судить примерное количество выбрасываемых в атмосферу вредных примесей, но здесь есть небольшая проблема. Мы можем определить только количество разных газов, вылетающее при сжигании определённого количества литров топлива, но никак ни при одном выхлопе, и уж тем более за промежуток времени (час, день, месяц и т.д.). Поэтому судить о количестве газов, выбрасываемых в атмосферу каждый час, мы не можем в принципе. Нигде не установлено, что все машины в день проезжают определённое кол-во километров с одной скоростью. А искать какое-либо среднее число -- значит, обманывать себя, потому что данные могут быть не только сильно приближёнными, но и вовсе ошибочными.

Таблица №1. Расход топлива у машин разных марок

K -- карбюраторный двигатель

i -- инжекторный двигатель

D -- дизельный двигатель

плотность бензина при +20С колеблется от 0,69 до 0,81 г/смі

плотность дизельного топлива при +20С по ГОСТ 305-82 не более 0,86 г/смі

Таблица №2. Состав автомобильных выхлопных газов

Выхлопные газы (или отработавшие газы) - основной источник токсичных веществ двигателя внутреннего сгорания - это неоднородная смесь различных газообразных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, поступающих из цилиндров двигателей в его выпускную систему. В своем составе они содержат около 300 веществ, большинство из которых токсичны. Основными нормируемыми токсичными компонентами выхлопных газов двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводороды. Кроме того, с выхлопными газами в атмосферу поступают предельные и непредельные углеводороды, альдегиды, канцерогенные вещества, сажа и другие компоненты. Примерный состав выхлопных газов представлен в таблице 1.При работе двигателя на этилированном бензине в составе выхлопных газов присутствует свинец, а у двигателей, работающих на дизельном топливе -- сажа. Теперь попытаемся выяснить, чем же опасен каждый выхлоп, и каково количество газов, вырывающихся из выхлопной трубы.

Оксид углерода (CO - угарный газ)

Прозрачный, не имеющий запаха ядовитый газ, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Оксид углерода - продукт неполного сгорания топлива, на воздухе горит синим пламенем с образованием диоксида углерода (углекислого газа). Если его содержание велико, двигатель расходует слишком много топлива и масла из картера.

В камере сгорания двигателя CO образуется при неудовлетворительном распыливании топлива, в результате холоднопламенных реакций, при сгорании топлива с недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода при высоких температурах. При этом процесс выгорания CO продолжается и в выпускном трубопроводе.

Необходимо отметить, что при эксплуатации дизелей концентрация CO в выхлопных газах невелика (примерно 0,1-0,2%), поэтому, как правило, концентрацию CO определяют для бензиновых двигателей. В среднем, машины при сжигании литра бензина выбрасывают в воздух около 800 литров углекислого газа

Оксиды азота (NO, NO2 , N2O , N2O3 , N2O5 , в дальнейшем - NOx )

Оксиды азота являются одними из наиболее токсичных компонентов отработавших газов. При нормальных атмосферных условиях азот представляет собой весьма инертный газ. При высоких давлениях и особенно температурах азот активно вступает в реакцию с кислородом. В выхлопных газах двигателей более 90% всего количества NОx составляет оксид азота NO, который еще в системы выпуска, а затем и в атмосфере легко окисляется в диоксид (NO 2).

Оксиды азота раздражающе воздействуют на слизистые оболочки глаз, носа, разрушают легкие человека, так как при движении по дыхательному тракту они взаимодействуют с влагой верхних дыхательных путей, образуя азотную и азотистую кислоты. Как правило, отравление организма человека NОx проявляется не сразу, а постепенно, причем каких либо нейтрализующих средств нет. При сжигании литра бензина из выхлопной трубы выбрасывается примерно 128 л оксидов азота.

Закись азота (N 2 O - гемиоксид, веселящий газ) - газ с приятным запахом, хорошо растворим в воде. Обладает наркотическим действием.

NO 2 (диоксид) - бледно-желтая жидкость, участвующая в образовании смога. Диоксид азота используется в качестве окислителя в ракетном топливе. Считается, что для организма человека оксиды азота примерно в 10 раз опаснее CO, а при учете вторичных превращений - в 40 раз.

Оксиды азота представляют опасность для листьев растений. Установлено, что их непосредственное токсичное влияние на растения проявляется при концентрации Nox в воздухе в пределах 0,5-6,0 мг/м 3 . Азотная кислота вызывает сильную коррозию углеродистых сталей.

На величину выброса оксидов азота оказывает значительное влияние температура в камере сгорания. Так, при повышении температуры от 2500 до 2700 К скорость реакции увеличивается в 2,6 раза, а при уменьшении от 2500 до 2300 К - уменьшается в 8 раз, т.е. чем выше температура, тем выше концентрация NOx. Ранний впрыск топлива или высокие давления сжатия в камере сгорания также способствуют образованию NOx. Чем выше концентрация кислорода, тем выше концентрация оксидов азота.

Углеводороды (CnHm - этан, метан, этилен, бензол, пропан, ацетилен и др.)

Углеводороды - органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода, являются токсичными веществами. В выхлопных газах содержится более 200 различных CH, которые делятся на алифатические (с открытой или закрытой цепью) и содержащие бензольное или ароматическое кольцо. Ароматические углеводороды содержат в молекуле один или несколько циклов из 6 атомов углерода, соединенных между собой простыми или двойными связями (бензол, нафталин, антрацен и др.). Имеют приятный запах. Измеряется его количество в условной единице ppm (кол-во частиц на миллион). Так что даже незначительное увеличение эффективности сгорания может иметь большое влияние на его уровень. Обычно, чрезвычайно высокий уровень углеводорода является проблемой не только хозяев машин, но и механиков.

Наличие CH в отработавших газах двигателей объясняется тем, что смесь в камере сгорания является неоднородной, поэтому у стенок, в переобогащенных зонах, происходит гашение пламени и обрыв цепных реакций. Существуют несколько факторов влияющих на количество углеводорода в выхлопных газах. Герметичность клапанов, их чистота и регулировка момента зажигания, все они одинаково важны. Не только регулировка момента зажигания, но также и текущая сила сгорания, все, что влияет на сгорание, имеет большое значение в ограничении количества углеводорода в выхлопных газах. Примерное кол-во углеводорода, образующегося при сгорании литра бензина -- 400-450л.

Кого-то эти цифры могут испугать, но давайте разберёмся: литры -- это мера объёма, и, ни в коем случае нельзя путать эти цифры с жидкостью, ведь 800 литров -- довольно большое число для жидкости. А для газа? Газ является веществом, у которого молекулы в несколько сотен и тысяч раз меньше расстояния между ними. Если представить что-то более плотное, то обьём сократится в десятки и сотни раз. А теперь внимательно -- литр бензина, при сжигании которого и производится этот обьём, расходуется для преодоления расстояния в 10 км. Постараемся рассеять большинство иллюзий -- это не такое сильное загрязнение, просто в момент выхлопа выделяется неприятный запах, и нам кажется, что состав воздуха вокруг резко изменился. Но на нашей одежде даже осадка никакого не осталось.

Выбросы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) делятся на выбросы от карбюраторных и дизельных двигателей. Такое разделение связано с тем, что карбюраторные двигатели (КД) работают с однородными топливновоздушными смесями, в то время как дизельные двигатели (ДД) – с гетерогенными смесями.

Выбросы загрязнений от двигателей внутреннего сгорания карбюраторного типа включают углеводороды, оксиды углерода, оксиды азота и нерегулярные выбросы. Загрязнения возникают вследствие реакций и в процессе горения в объеме и на поверхностях. Прорыв газов через поршневые кольца и выхлоп из цилиндров являются менее интенсивным источником выбросов загрязнений.

В 1980 г. 4 % выпускаемых в мире легковых и грузовых автомобилей было оснащено дизелями, а к концу 80-х годов этот показатель возрос до 25 %. Основные выбросы загрязнений дизельных двигателей те же самые, что и карбюраторных двигателей (углеводороды, оксид углерода, оксиды азота, нерегулярные выбросы), но к ним добавляются частицы углерода (сажевый аэрозоль).

Легковой автомобиль выбрасывает оксида углерода СО до 3 м3 /ч, грузовой - до 6 м3 /ч (3…6 кг/ч).

О составе выхлопных газов автомобилей с различными типами двигателей можно судить по данным, приведенным в табл. 8.1.

		Таблица 8.1.
Примерный состав выхлопных газов автомобилей

Компоненты
	карбюраторный	дизельный дви-
	двигатель


H2 О (пары)
СО2

Оксиды азота		2. 10-3 -0,5
Оксиды азота
Углеводороды		1. 10-3 -0,5
Альдегиды		1 . 10 - 3 -9 .10 -3

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

Выбросы оксида углерода и углеводородов у карбюраторных двигателей существенно выше, чем у дизельных двигателей.

8.2. Снижение выбросов двигателей внутреннего сгорания

Повышение экологических показателей автомобиля возможно за счет проведения комплекса мероприятий по совершенствованию его конструкции и режима эксплуатации. К улучшению экологических показателей автомобиля приводят: повышение его экономичности; замена бензиновых ДВС на дизельные; перевод ДВС на использование альтернативных топлив (сжатый или сжиженный газ, этанол, метанол, водород и др.); применение нейтрализаторов отработавших газов ДВС; совершенствование режима работы ДВС и технического обслуживания автомобиля.

Известны и применяются ряд методов снижения токсичности выхлопных газов. Среди них работа автомобиля в условиях, когда двигатель выделяет наименьшее количество токсичных веществ (уменьшение торможения, равномерное движение с определенной скоростью и т. д.); применение специальных присадок к топливу, увеличивающих полноту его сгорания и уменьшающих выброс СО (спирты, другие соединения); пламенное дожигание некоторых вредных компонентов.

В карбюраторных двигателях соотношение между воздухом и топливом влияет на содержание углеводородов и оксида углерода в выхлопе. Так, например, выбросы увеличиваются при увеличении обогащения смеси. Содержание СО увеличивается из-за неполного сгорания, вызванного недостатком кислорода в смеси. Увеличение содержания углеводородов проистекает в первую очередь из-за увеличения адсорбции топлива и усиления механизма неполного сгорания топлива. Бедные смеси создают более низкие концентрации Сn Нm и СО в выбросе в результате их более полного сгорания.

В дизельных двигателях мощность изменяется при изменении количества впрыскиваемого топлива. В результате изменяется распределение струи топлива, количество топлива, ударяющегося о стенку, давление в цилиндре, температура, а также продолжительность впрыскивания.

Специалисты считают, что для заметного снижения вредных выбросов необходимо сократить потребление бензина с 8 литров (на 100 км пробега – до 2…3 л. Это требует совершенствование устройства двигателя и качества топлива; перехода на неэтилизированный бензин; применения каталитического дожига для уменьшения выброса СО; внедрения электрон-

ной системы управления процессов горения топлива; и другие меры, в частности применения глушителей шума в системе выхлопа.

Повышение топливной экономичности автомобиля достигается главным образом за счет совершенствования процесса сгорания в ДВС: послойное сжигание топлива; форкамерно-факельное сжигание; применение подогрева и испарения топлива во впускном тракте; использование электронного зажигания. Дополнительными резервами повышения экономичности автомобиля являются:

- снижение массы автомобиля за счет усовершенствования его конструкции и применения неметаллических и высокопрочных материалов;

- улучшение аэродинамических показателей кузова (последние модели легковых автомобилей обладают, как правило, на 30…40 % меньшим коэффициентом лобового сопротивления);

- снижения сопротивления воздушных фильтров и глушителей, отключения вспомогательных агрегатов, например вентилятора и т. п.;

- снижения массы перевозимого топлива (неполное заполнение баков) и массы инструментов.

Современные модели легковых автомобилей существенно отличаются по топливной экономичности от предшествующих моделей.

Перспективные марки легковых автомобилей будут обладать расходом бензина 3,5 л/100 км и менее. Повышение экономичности автобусов и грузовых автомобилей достигается прежде всего применением дизельных ДВС. Они обладают экологическими преимуществами по сравнению с бензиновыми ДВС, поскольку имеют меньший на 25…30 % удельный расход топлива; кроме того, состав отработавших газов у дизельного ДВС менее токсичен (см. табл. 8.1).

Экологическими преимуществами по сравнению с бензиновыми ДВС обладают двигатели, работающие на альтернативных топливах. Общее представление о снижении токсичности ДВС при переходе на альтернативное топливо можно получить из данных, приведенных в табл. 8.2.

Таблица 8.2 Токсичность выбросов ДВС на различных топливах

Многие ученые видят частичное решение экологической проблемы в переводе автомобилей на газообразное топливо. Так, содержание окиси уг-

лерода в выхлопах газомобилей меньше на 25…40 %; окиси азота на 25…30 %; сажи на 40…50 %. При использовании в автомобильных двигателях сжиженного или сжатого газа выхлопные газы почти не содержат оксида углерода. Решением проблемы явилось бы широкое применение электромобиля. Выпускаемые электромобили имеют ограниченный радиус действия из-за ограниченной емкости и большой массы батарей. Сейчас ведутся широкие исследования в этой области. Некоторые положительные результаты уже достигнуты. Снижение токсичности выбросов может быть достигнуто уменьшением содержания соединений свинца в бензине без ухудшения его энергетических качеств.

Перевод на газовое топливо не предусматривает значительных изменений в конструкции ДВС, однако сдерживается отсутствием станций заправки и необходимого количества автомобилей, переоборудованных для работы на газе. Кроме того, автомобиль, переоборудованный для работы на газовом топливе, теряет грузоподъемность из-за наличия баллонов и запас хода приблизительно в 2 раза (200 км против 400…500 км у бензинового автомобиля). Эти недостатки частично устранимы при переводе автомобиля на сжиженный природный газ.

Применение метанола и этанола требует изменений конструкции ДВС, так как спирты более химически активны к резинам, полимерам, медным сплавам. В конструкцию ДВС необходимо вводить дополнительный подогреватель для запуска двигателя в холодный период года (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.

Несмотря на то, что выбросы токсичных веществ (Сn Нm и СО) из картера и топливной системы двигателя по крайней мере на порядок ниже выбросов выхлопных газов, в настоящее время разрабатываются методы сжигания картерных газов ДВС. Известна замкнутая схема нейтрализации картерных газов с подачей их во впускной трубопровод двигателя с последующим дожиганием. Замкнутая система вентиляции картера с возвращением картерных газов до карбюратора уменьшает выделение в атмосферу углеводородов на 10…30 %, оксидов азота на 5…25 %, но при этом увеличивается выброс оксида углерода на 10…35 %. При возвращении картерных газов после карбюратора снижается выброс Cn Hm на 10…40 %, СО на 10…25 %, но возрастает выброс NOx на 10…40 %.

Для предотвращения выбросов паров бензина из топливной системы, основная часть которых поступает в атмосферу, когда двигатель не работает, на автомобилях устанавливают систему обезвреживания испарений топлива из карбюратора и топливного бака, состоящую из трех основных узлов (рис. 8.1): герметичного топливного бака 1 со специальной емкостью 2 для компенсации теплового расширения топлива; крышки 3 топливно-за- правочной горловины бака с двусторонним предохранительным клапаном для предотвращения чрезмерного давления или разрежения в баке; адсорбера 4 для поглощения паров топлива при выключенном двигателе с системой возврата паров во впускной тракт двигателя во время его работы. В качестве адсорбента используют активированный уголь.

Рис. 8.1. Схема улавливания паров топлива бензинового ДВС

Соблюдение регламента технического обслуживания и контроль состава отработанных газов (ОГ) ДВС позволяет значительно сократить токсичные выбросы в атмосферу. Известно, что при 160 тыс. км пробега и при отсутствии контроля выбросы СО возрастают в 3,3 раза, а Сп Нт - в 2,5 раза.

Повышение экологических показателей газотурбинной двигательной установки (ГТДУ) на самолетах достигается совершенствованием процесса сгорания топлива, применением альтернативного топлива (сжиженный газ, водород и др.), рациональной организацией движения в аэропортах.

Увеличение времени пребывания продуктов сгорания в камере сгорания ГТДУ сопровождается увеличением полноты сгорания (уменьшение содержания СО и Cn Hm в продуктах сгорания) и содержания в них оксидов азота. Поэтому, изменяя время пребывания газа в камере сгорания, можно достичь лишь минимальной токсичности продуктов сгорания, а не устранить ее полностью.

Более эффективным средством снижения токсичности ГТДУ является применение способов подачи топлива, обеспечивающих более равномерное смешение топлива и воздуха. К ним относятся устройства с предварительным испарением топлива, форсунки с аэрацией топлива и др. Испытания на модельных камерах свидетельствуют о том, что такими способами можно снизить содержание в продуктах сгорания Сn Нm более чем на порядок, СО - в несколько раз, обеспечить бездымный выхлоп и уменьшить содержание NOx .

Существенное снижение содержания NOx в продуктах сгорания ГТДУ достигается при стадийном процессе сгорания топлива в двухзонных камерах сгорания. В таких камерах основная часть топлива на режимах большой тяги сжигается в виде предварительно подготовленной бедной смеси. Меньшая часть топлива (~25 %) сжигается в виде богатой смеси, где и образуются в основном оксиды азота. Опыты показывают, что при таком сгорании можно снизить содержание NOx в 2 раза.

Решение экологических проблем, связанных с применением ракетной техники, основано на использовании экологически безопасного топлива и прежде всего кислорода и водорода.

8.3. Нейтрализация выхлопов двигателей внутреннего сгорания

Улучшение экологических характеристик автомобилей возможно за счет комплекса мероприятий по совершенствованию их конструкций и режимов эксплуатации. К ним относятся повышение экономичности работы двигателей, замена их бензиновых версий на дизельные, использование альтернативных топлив (сжатый или сжиженный газ, этанол, метанол, водород и др.), применение нейтрализаторов отработанных газов, оптимизация режима работы двигателей и технического обслуживания автомобилей.

Значительное снижение токсичности ДВС достигается при использовании нейтрализаторов отработавших газов (ОГ). Известны жидкостные, каталитические, термические и комбинированные нейтрализаторы. Наиболее эффективными из них являются каталитические конструкции. Оснащение ими автомобилей началось в 1975 г. в США и в 1986 г. - в Европе. С тех пор загрязнение атмосферы выхлопами резко снизилось - соответственно на 98,96 и 90% по углеводородам, СО и NOх .

Нейтрализатор - это дополнительное устройство, которое вводится в выпускную систему двигателя для снижения токсичности ОГ. Известны жидкостные, каталитические, термические и комбинированные нейтрализаторы.

Принцип действия жидкостных нейтрализаторов основан на растворении или химическом взаимодействии токсичных компонентов ОГ при пропускании их через жидкость определенного состава: вода, водный раствор сульфита натрия, водный раствор двууглекислой соды.

На рис. 8.2 представлена схема жидкостного нейтрализатора, применяемого с двухтактным дизельным двигателем. Отработавшие газы поступают в нейтрализатор по трубе 1 и через коллектор 2 попадают в бак 3, где вступают в реакцию с рабочей жидкостью. Очищенные газы проходят через фильтр 4, сепаратор 5 и выбрасываются в атмосферу. По мере испарения жидкость доливают в рабочий бак из дополнительного бака 6.

Рис. 8.2. Схема жидкостного нейтрализатора

Пропускание отработавших газов дизелей через воду приводит к уменьшению запаха, альдегиды поглощаются с эффективностью 0,5, а эффективность очистки от сажи достигает 0,60…0,80. При этом несколько уменьшается содержание бенз(а)пирена в отработанных газах дизелей. Температура газов после жидкостной очистки составляет 40…80 °С, примерно до этой же температуры нагревается и рабочая жидкость. При снижении температуры процесс очистки идет интенсивнее.

Жидкостные нейтрализаторы не требуют времени для выхода на рабочий режим после пуска холодного двигателя. Недостатки жидкостных нейтрализаторов: большая масса и габариты; необходимость частой смены рабочего раствора; неэффективность по отношению к СО; малая эффективность (0,3) по отношению к NOx ; интенсивное испарение жидкости. Однако использование жидкостных нейтрализаторов в комбинированных системах очистки может быть рациональным, особенно для установок, отработавшие газы которых должны иметь низкую температуру при поступлении в атмосферу.

Городские жители часто говорят об экологии, и, в основном, ругают ее. В принципе, причин на то немало, но особенно часто говорят о выхлопных газах. Итак, чем именно дышит город и что скрывает в себе запах выхлопных газов?

Зачастую выхлопными газами называют все выбросы в городскую атмосферу, в том числе котельных, заводов и других промышленных предприятий. На самом деле этим термином правильно называть только транспортные выбросы, которые появляются в результате переработки топлива. Также их называют отходящими газами. Выхлопные газы – продукт работы двигателей внутреннего сгорания, и, учитывая стремительный рост количества транспорта за последние 50 лет и, в частности, прирост личного автотранспорта в городах, выхлопные газы в воздухе городов обосновались всерьез и надолго, а количество их только растет.

Сейчас именно отходящие газы являются основной причиной загрязнения воздуха в городе и постоянно оказывают влияние на здоровье человека. Итак, с терминологией разобрались, давайте узнаем, что именно регулярно поставляют автомобили в нашу атмосферу, чем это опасно и как защититься, если Вы чувствуете запах выхлопных газов в квартире.

Все автомобили выбрасывают в воздух канцерогены и токсичные вещества. Состав выхлопных газов автомобиля меняется в зависимости от типа двигателя, бензиновый или дизельный, однако основной набор остается прежним.
Итак, в состав автомобильных выхлопных газов входят:

Компонент	Объемная доля в бензиновом двигателе, %	Объемная доля в дизельном двигателе, %	Токсичность
Азот	74–77	76–78	нетоксичен
Кислород	0,3–8	2–18	нетоксичен
Водяной пар	3–5,5	0,5–4	нетоксичен
Диоксид углерода	5–12	1–10	нетоксичен
Оксид углерода	0,1–10	0,01–5	токсичен
Углеводороды	0,2–3	0,009–0,5	токсичны
Альдегиды	0–2	0,001–0,009	токсичны
Диоксид серы	0–0,002	0–0,03	токсичен
Сажа, г/м3	0–0,04	0,1–1,1	токсична
Бензапирен, г/м3	0,01–0,02	0–0,01	токсичен

Как видно, состав выхлопных газов достаточно разнообразен, и большая часть компонентов токсична. Теперь давайте разберемся, какое влияние оказывают выхлопные газы на человека.

Влияние выхлопных газов на организм человека

Выхлопные газы автомобиля могут нанести вред здоровью, и достаточно серьезный. Прежде всего, оксид углерода или угарный газ, о котором мы уже , не имеет вкуса и запаха, но при высокой концентрации вызывает головокружение, головную боль, тошноту, может приводить к обморокам.
Сернистый бензин и создаваемый им оксид серы – одна из причин сильного запаха выхлопных газов. Дело в том, что молекулы диоксида серы очень ощутимо воздействуют на обонятельные рецепторы, поэтому этот запах чувствуется даже при невысокой концентрации, а более концентрированный “аромат” перекрывает все остальные запахи для носа человека, что может подтвердить каждый, кто зажигал в доме спички. Этилированные бензины обогащают воздух свинцом. Количество таких выхлопных газов и вред здоровью, который они наносят, сделало свинец одним из самых известных отравляющих компонентов в атмосфере. В настоящее время такой бензин в качестве топлива для автомобилей уже не используется, но довольно долго его пары наполняли все крупные города. Углеводороды в выбросах автомобилей окисляются при попадании под действие солнечных лучей и образуют токсичные соединения с резким запахом, которые особенно сильно сказываются на работе верхних дыхательных путей и приводят к обострениям хронических заболеваний дыхательной системы.
Вред от выхлопных газов автомобиля во многом объясняют канцерогены – сажа и бензопирен, которые способствуют развитию опухолей, особенно — злокачественных.

Рассматривая выхлопные газы и вред, который они приносят, нужно добавить и про влияние этого химического коктейля целиком: длительный контакт с выхлопными газами приводит к смерти, в частности — от отравления конкретно угарным газом. Наибольшая опасность этих выбросов состоит в их количестве, распространенности и мелком размере частиц, что позволяет выхлопам проходить через естественные барьеры организма и попадать в легкие. При постоянном воздействии выхлопных газов на организм может развиваться иммунодефицит, бронхиты, страдают сосуды головного мозга, нервная система и другие органы. Кроме того, большая часть токсичных веществ, входящих в состав выхлопных газов, может взаимодействовать друг с другом и с другими компонентами атмосферы, что способствует образованию смога.

Все, кто прошел школьный курс ботаники, знают – растения тоже дышат. И, как любой дышащий организм, ощущают загрязнение выхлопными газами на себе. Мельчайшие частицы вредных соединений попадают в тело растения и отравляют его, поэтому очень часто в городской черте расположенные у больших дорог или парковок газоны и деревья выглядят вяло, быстро желтеют или вовсе погибают.

Загрязнение воздуха выхлопными газами значительно повлияло на состав атмосферных осадков. Именно благодаря деятельности транспорта появляются кислотные дожди, цветные туманы или снег пятидесяти оттенков черного. Естественно, за счет осадков воздух несколько очищается, однако вся собранная грязь попадает в почву, вызывая общее загрязнение окружающей среды выхлопными газами. Те же соединения и тяжелые металлы через почву распространяются далее, попадая в корм животных и выращиваемые сельскохозяйственные культуры, а значит загрязняя не только природу, но и повторно человека. Конечно, паниковать по этому поводу будет лишним, однако при таком загрязнении атмосферы выхлопными газами стоит позаботиться о своем здоровье.

Как защититься от выхлопных газов

Наибольший вред выхлопных газов мы получаем, находясь в пробках, где от автомобильных выбросов просто некуда бежать. В такой ситуации, если под рукой нет респиратора или противогаза, вдыхать выхлопы все же придется, однако можно закрыть нос и рот платком или шарфом. Полностью это Вас от выхлопов не защитит, но хотя бы несколько сгладит ситуацию. При постоянном воздействии выхлопов стоит разнообразить свое меню антиоксидантами, которые содержатся в ягодах, фруктах, зеленых овощах и зеленом чае, а также в семечках, и пить больше воды, так как она способствует детоксикации. Такой “допинг” помогает организму справляться с последствиями вдыхания химического коктейля и поддерживает здоровье.

Выхлопные газы в квартире явно нежелательные гости, однако они зачастую проникают в наши дома, если под ними или вблизи есть дороги или парковки. Если нет возможности или желания переехать на лоно природы подальше от дорог, можно создать в доме безопасные зоны. Чтобы понять, как защититься от выхлопных газов в квартире, нужно определить источник их появления. В абсолютном большинстве случаев выхлопы проникают через окна. В таком случае лучшим решением будет установить герметичные стеклопакеты, а проветривание проводить с помощью качественного

Задумывались ли Вы, сколько один автомобиль поглощает кислорода и выделяет углекислого газа СО2 в год?
А сколько нужно деревьев, чтобы переработать это количество CO2 обратно в кислород? Давайте подсчитаем в качестве «математического» интереса…

Что мы знаем об углекислом газе CO2?

Растения выделяют кислород и поглощают углекислый газ.

Люди и животные вдыхают кислород , а выдыхают углекислый газ. Это поддерживает постоянное количество кислорода и углекислого газа в воздухе.

Однако, ошибкой будет утверждение, что животные только выделяют углекислый газ, а растения - только поглощают его. Растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза , а без освещения они тоже его выделяют.

В воздухе всегда содержится небольшое количество углекислого газа, около 1 литра в 2560 литрах воздуха. Т.е. концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,038 %.

При концентрации СО2 в воздухе более 1 % его вдыхание вызывает симптомы, указывающие на отравление организма — «Гиперкапния» : головная боль, тошнота, частое поверхностное дыхание, усиленное потоотделение и даже потеря сознания.

Как видно на диаграмме сверху концентрация углекислого газа на Земле растёт (обращаю ваше внимание, что это измерения не в городе, а на Горе Мауна Лоа в Гаваи) – доля углекислого газа в атмосфере с 1960г по 2010г год выросла с 0,0315% до 0,0385%. Т.е. стабильно растёт на +0,007% за 50 лет. В городе концентрация углекислого газа еще выше.

Концентрация углекислого газа в автмосфере:

в доиндустриальную эпоху — 1750 г:
280 ppm (частиц на миллион) суммарная масса — 2200 триллионов кг
в настоящее время — 2008 г:
385 ppm, суммарная масса — 3000 триллионов кг

Деятельность, сопровождаемая выбросами CO2 (некоторые бытовые примеры):

Езда на автомобиле (20 км) — 5 кг CO2
Просмотр телевизора в течение часа – 0.1 кг CO2
Приготовление пищи в микроволновой печи (5 мин) – 0,043 кг CO2

Фотосинтез является единственным источником атмосферного кислорода.

В целом, химический баланс фотосинтеза может быть представлен в виде простого уравнения:

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

Первым обнаружил, что растения выделяют кислород, английский химик и философ Джозеф Пристли около 1770 г. Вскоре было установлено, что для этого необходим свет и что кислород выделяют только зеленые части растений. Затем исследователи нашли, что для питания растений требуется диоксид углерода (углекислый газ СO2) и вода, из которых создается большая часть массы растений. В 1817 французские химики Пьер Жозеф Пелатье (1788–1842) и Жозеф Бьенеме Каванту (1795–1877) выделили зеленый пигмент хлорофилл.

К середине 19 в. было установлено, что фотосинтез является процессом, как бы обратным дыхательному. В основе фотосинтеза лежит превращение электромагнитной энергии света в химическую энергию.

Фотосинтез, являющийся одним из самых распространенных процессов на Земле, обуславливает природные круговороты углерода, кислорода и других элементов и обеспечивает материальную и энергетическую основу жизни на нашей планете.

Экологическая арифметика

В течение одного года обычное дерево выделяет объем кислорода, необходимый для семьи из 3 человек. А автомобиль поглащает это же количество кислорода при сжигании 1 бака бензина 50 л.

1 дерево в среднем в течение 1 года поглащает 120 кг СO2 , и примерно столько же выделяет кислорода
1 автомобиль поглащает этот же объем кислорода (120 кг) примерно при сжигании около 50 литров бензина, и вырабатывает различные выхлопные газы (их состав указан в таблице)

Состав выхлопных газов:	Бензиновые двигатели	Дизели	Евро 3	Евро 4
N 2 , об.%	74-77	76-78
O 2 , об.%	0,3-8,0	2,0-18,0
H 2 O (пары), об.%	3,0-5,5	0,5-4,0
CO 2 , об.%	0,0-16,0	1,0-10,0
CO* (угарный газ), об.%	0,1-5,0	0,01-0,5	до 2.3	до 1.0
NOx, Оксиды азота*, об.%	0,0-0,8	0,0002-0,5	до 0.15	до 0.08
СH, Углеводороды*, об.%	0,2-3,0	0,09-0,5	до 0.2	до 0.1
Альдегиды*, об.%	0,0-0,2	0,001-0,009
Сажа**, г/м3	0,0-0,04	0,01-1,10
Бензпирен-3,4**, г/м3	10-20×10 −6	10×10 −6

* Токсичные компоненты ** Канцерогены

за год в 1 автомобиль заправляют 1500 литров бензина (при пробеге 15000 км и расходе 10л/100км). Это значит, что необходимо 1500 л/50л в баке = 30 деревьев , которые выработают поглощенный объем кислорода.
1 автоцентр в Москве продает порядка 2000 автомобилей в год (размер одного паркинга). Т.е. 30 деревьев умножить на 2000 автомобилей в год получается = 60 000 деревьев на 1 автоцентр.
Начнём с малого: 2000 деревьев (1 дерево за 1 автомобиль) — это много или мало? На одном футбольном поле можно посадить не более 400 деревьев (20шт х 20шт через 5 метров — рекомендуемое расстояние). Получается что 2000 деревьев займут территорию — 5 футбольных полей !
Сколько по вашему стоит посадить 1 дерево? — можно отписываться в комментариях.

Наиболее активными поставщиками кислорода являются тополя. 1 га таких деревьев выделяет в атмосферу кислорода в 40 раз больше, чем 1 га еловых насаждений.

Пути снижения выбросов и токсичности

Колоссальное влияние на количество выбросов (не считая сжигания топлива и времени) играет организация движения автомобилей в городе (значительная часть выбросов происходит в пробках и на светофорах). При удачной организации возможно применение менее мощных двигателей, при невысоких (экономичных) промежуточных скоростях.
Существенно снизить содержание углеводородов в отходящих газах, более чем в 2 раза, возможно применением в качестве топлива попутных нефтяных (пропан, бутан), или природного газов , при том, что главный недостаток природного газа - низкий запас хода, для города не столь значим.
Кроме состава топлива, на токсичность влияет состояние и настройка двигателя (особенно дизельного - выбросы сажи могут увеличиваться до 20 раз и карбюраторного - до 1,5-2 раз изменяются выбросы окислов азота).
Значительно снижены выбросы (снижен расход топлива) в современных конструкциях двигателей с инжекторным питанием стабильной стехиометрической смесью неэтилированного бензина с установкой катализатора, газовых двигателях, агрегатах с нагнетателями и охладителями воздуха, применением гибридного привода. Однако подобные конструкции сильно удорожают автомобили.
Испытания SAE показали, что эффективный способ снижения выбросов окислов азота (до 90 %) и в целом токсичных газов - впрыск в камеру сгорания воды .
Предусмотрены нормативы на выпускаемые автомобили. В России и европейских странах приняты стандарты ЕВРО, задающие как токсичность, так и количественные показатели (см. таблицу выше)
В некоторых регионах вводятся ограничения на движение большегрузного автотранспорта (например в г.Москва).
Подписание Киотского протокола
Различные экологические акции, например: Посади дерево - подари Земле кислород!

Что нужно знать про Киотский протокол?

Киотский протокол - международный документ, принятый в Киото (Япония) в декабре 1997 года в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК). Он обязывает развитые страны и страны с переходной экономикой сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов в 2008-2012 годах по сравнению с 1990 годом.

По состоянию на 26 марта 2009 Протокол был ратифицирован 181 страной мира (на эти страны совокупно приходится более чем 61 % общемировых выбросов). Заметным исключением из этого списка являются США. Первый период осуществления протокола начался 1 января 2008 году и продлится пять лет до 31 декабря 2012 года , после чего, как ожидается, на смену ему придёт новое соглашение.

Киотский протокол стал первым глобальным соглашением об охране окружающей среды, основанным на рыночном механизме регулирования - механизме международной торговли квотами на выбросы парниковых газов.

Деревья — искусственные, кислород — настоящий

Ученые из Колумбийского университета Нью-Йорка совместно с французской дизайнерской студией Influx Studio разработали искусственные деревья. По большому счету, это машина, стилизованная под драцену, с широкими ветвями и зонтообразной кроной. Ветки используются для того, чтобы поддерживать солнечные панели, которые питают деревья энергией.

Искусственные деревья внешне будут похожи на огромные фонари, которые переливаются в темноте различными цветами. Механические драцены будут не только приносить практическую пользу, но и станут украшением современного мегаполиса.

Кроме превращения углекислого газа в кислород, искусственные деревья могут служить дополнительным источником энергии. Помимо солнечных панелей, она будет вырабатываться путем превращения механической энергии от качелей, установленных у основания.

Внешне такие искусственные деревья напоминают драцену, а состоят они из перереботанной древесины и пластика. В коре такого «дерева» находятся солнечные батареи и фильтры для поглощения углекислого газа. В «стволах» искусственных деревьев есть вода и древесная смола — при их участии будет проходить процесс фотосинтеза. Для поддержки работоспособности таких деревьев будут использоваться специальные качели: генераторами электроэнергии станут веселящиеся горожане.

Купил машину - посади 12 га леса

В повседневной жизни мы часто встречаемся с проблемами нехватки воды или продовольствия. Они причиняют нам определенные неудобства. Есть, однако, вещи, дефицит которых накапливается незаметно, но в ближайшем будущем рискует стать серьезной проблемой для обеспечения жизнедеятельности человечества.

В ходе развития человечества, сопровождающегося увеличением населения и его потребительских нужд, развитием легкой и особенно тяжелой промышленности, а также автотранспорта, в окружающую человека атмосферу происходит большой выброс самых разнообразных химических веществ. Выхлопные газы от работающих автомобилей составляют порядка 90% от общего объема загрязнений.

Общая характеристика выхлопных газов

Выхлопные газы автомобилей – это сочетание двухсот-трехсот химических соединений, которые считаются достаточно вредными. Они получаются при сгорании различного автомобильного топлива и отходят в открытую атмосферу.

По статистике, в среднем один легковой автомобиль выбрасывает в атмосферу за день около одного килограмма разных токсичных и канцерогенных веществ. Причем подобные вещества способны аккумулироваться и находиться в окружающей среде до 5 лет. Выхлопные газы приносят очевидный вред здоровью человека, растительности, животным, а также почве и водным ресурсам.

Выхлопные газы оказывают самое большое отрицательное влияние на организм людей в больших городах, особенно при нахождении в многочасовых пробках, в районах магистралей и крупных дорожных развязок.

Когда физические и химические характеристики таких выбросов в воздух превышают допустимые концентрации, то такие выхлопные газы оказывают существенное отрицательное воздействие на самочувствие человека. В группе повышенного риска находятся водители, особенно работающие на маршрутках и такси, а также люди, которые очень часто стоят в многокилометровых автомобильных пробках на дорогах во время часов пик движения транспорта.

Большее вредное влияние оказывают машины, двигатели которых работают на дизеле, нежели на бензине или газе, при этом вырабатывается большее количество сажи.

Выхлопные выбросы действуют сразу непосредственно на внутренние органы дыхания, причем у детей младшего возраста намного значительнее, чем у взрослых. Это объясняется тем, что самая большая концентрация выбросов находится на уровне лица маленьких детей.

Состав и объем выхлопных газов, которые загрязняют атмосферу

В составе выхлопных газов разных видов топлива, могут быть такие вредные элементы:

оксиды азота и углерода;
диоксиды азота и серы;
сернистый ангидрид;
бензопирен;
альдегиды;
ароматические углеводороды;
некоторое количество сажи;
разные соединения свинца;
взвешенные частицы.

Согласно статистике, грузовые машины и автобусы вырабатывают больше выхлопных газов, нежели легковые автомобили. Этот факт напрямую связан с режимом работы и объемами двигателей внутреннего сгорания автомобилей.

Так, например, легковая машина дает за сутки порядка 220 мг/м 3 угарного газа, автобус 230 мг/м 3 , а небольшой грузовик целых 500 мг/м 3 . Легковушка дает 45 мг/м 3 оксида азота, автобус 18 мг/м 3 , а небольшой грузовик – 70 мг/м 3 . Также автобус, в отличие от легковушки, постоянно выбрасывает в воздух оксиды серы и углерода, а также соединения свинца.

Важно помнить, что выхлопные газы от автомобилей – это почти 90% загрязнения всего объема воздуха окружающего человека. Один автомобиль способен всего лишь за сутки поставить в воздух до одного килограмма таких вредных соединений.

Влияние выхлопных газов на организм людей

Вследствие содержания в выхлопных газах автомобилей вредных и даже ядовитых веществ, а также при постоянном действии таких элементов на органы человека, они способны вызывать развитие острых и хронических болезней.

Для органов дыхания характерные следующие заболевания:

аллергические реакции;
астма;
бронхит;
гайморит;
образование злокачественных опухолей;
воспаление дыхательных путей;
эмфизема.

Для сердечно-сосудистой системы свойственны такие заболевания:

нарушения дыхания в виде отдышки;
головокружения;
увеличение проявления признаков стенокардии;
инфаркт миокарда;
вязкость крови, как итог – тромбозы, тромбоэмболии;
кислородное голодание, так называемая гипоксия тканей.

Для нервных клеток характерно развитие таких нарушений:

общее недомогание;
повышенная возбудимость;
сонливость и стойкое нарушение сна.

Химические соединения, что есть в составе выхлопных газов, в особенности тяжелые металлы, характеризуются свойством накапливаться в организме. Вследствие чего начинается зашлаковывание организма с последующим развитием серьезных заболеваний.

Наибольший объем токсинов присутствует в выхлопных газах, когда двигатель работает на холостом ходу и на сниженных скоростях. При таких режимах происходит плохое выгорание топлива и отход несгоревших элементов топлива в количестве более чем в десять раз превышающем выхлопы при стандартном режиме автомобиля.

По степени действия на человека, составляющие выхлопных газов можно разбить на пять групп:

К первой группе относятся малотоксичные химические элементы отходящих газов заведенного двигателя. К ним относят азотные соединения, водород, водяной пар, кислород, углекислый газ и прочие составляющие атмосферы. Такие вещества не несут непосредственно вред здоровью человека, однако способствуют возникновению неблагоприятных условий существования людей, так как оказывают действие на состав окружающего воздуха.
Ко второй группе относится оксид углерода, который является сильным ядовитым веществом. Отравиться угарным газом можно при заведенном двигателе автомобиля в гараже с плотно прикрытыми воротами или ночуя в машине с не выключенным мотором. Угарный газ вызывает кислородное голодание и, как результат, нарушение функций всех внутренних систем человеческого организма. Степень интоксикации угарным газом определяется его концентрацией, временем действия и иммунитетом человека, на которого воздействует такое вещество. При легком отравлении учащается сердцебиение, наблюдается пульсация в висках и темнеет в глазах. Для среднего отравления характерны сонливость и неясное сознание. Тяжелая степень отравления газом с концентрацией более 1% приводит к спутанности сознания, а в исключительных случаях, даже к летальному исходу.
К третьей группе относятся оксид азота и диоксид азота, содержащиеся в выхлопных газах автомобиля. Они считаются более токсичными элементами, нежели угарный газ. Так, диоксид азота тяжелее воздуха и стелется по полу, скапливается в нишах и каналах, а при повышенных концентрациях является очень опасным при регулярном обслуживании автомобилей. При продолжительном действии таких газов человек может заболеть астмой, отеком легких, хроническим бронхитом, воспалением слизистой пищеварительной системы, сердечной недостаточностью и нервными расстройствами.
Четвертая группа является самой многочисленной по количеству веществ. Сюда входят самые разнообразные углеводороды, например, парафиновые алканы, нафтеновые цикланы и определенные ароматические бензолы. Таких соединений около 160 единиц. Эти вещества ядовиты и пагубно действуют на функции сердечно-сосудистой системы. Помимо этого, углеводородные соединения являются канцерогенами и способствуют возникновению и росту злокачественных опухолей;
В пятую группу входят органические альдегиды, такие как формальдегид, акролеин и уксусный альдегид. Подобные вещества также ядовитые и являются продукцией выгорания топлива при работе мотора на тихом ходу или при небольших нагрузках, если температура отходящих газов невысокая. Вредное воздействие таких соединений выражается в раздражение слизистых оболочек, поражении внутренних дыхательных органов и нервных клеток.
К шестой группе относится сажа и мелкие элементы, являющиеся результатом износа и внутреннего нагара на двигателе, а также добавления аэрозолей и масел. Такие частицы не оказывают непосредственного негативного влияния на здоровье человека, но легко раздражают дыхательные пути и собирают на своей поверхности опасные компоненты.

Развитие науки и техники, которые позволяют повысить комфортность жизни людей, помимо благ, приносит и вред, как, например, выхлопные газы от автотранспорта. Смерть от выхлопных газов встречается нечасто и считается результатом неправильного обращения с автомобилем.