Влияние выхлопных газов на здоровье человека[ | ]
Выхлопная труба легкового автомобиля Загрязнение окружающей среды отработавшими газами и горюче-смазочными материалами локомотивных дизелей. У подвесных моторов выхлопные газы выбрасываются в воду, на многих моделях — через ступицу гребного винта Наибольшую опасность представляют оксиды азота, примерно в 10 раз более опасные, чем угарный газ, доля токсичности альдегидов относительно невелика и составляет 4—5 % от общей токсичности выхлопных газов. Токсичность различных углеводородов сильно отличается. Непредельные углеводороды в присутствии диоксида азота фотохимически окисляются, образуя ядовитые кислородсодержащие соединения — составляющие смога.
Обнаруженные в газах полициклические ароматические углеводороды — сильные канцерогены. Среди них наиболее изучен бензпирен, кроме него, обнаружены производные антрацена:
- 1,2-бензантрацен
- 1,2,6,7-дибензантрацен
- 5,10-диметил-1,2-бензантрацен
Кроме того, при использовании сернистых бензинов в отходящие газы могут входить оксиды серы, при применении этилированных бензинов — свинец (тетраэтилсвинец), бром, хлор, их соединения. Считается, что аэрозоли галоидных соединений свинца могут подвергаться каталитическим и фотохимическим превращениям, участвуя в образовании смога.
Длительный контакт со средой, отравленной выхлопными газами автомобилей, вызывает общее ослабление организма — иммунодефицит. Кроме того, газы сами по себе могут стать причиной различных заболеваний. Например, дыхательной недостаточности, гайморита, ларинготрахеита, бронхита, бронхопневмонии, рака лёгкого. Также выхлопные газы вызывают атеросклероз сосудов головного мозга. Опосредованно через легочную патологию могут возникнуть и различные нарушения сердечно-сосудистой системы. Также выхлопные газы повреждают ткани нервной системы и повышают риск развития деменции.
Отравления в замкнутом пространстве
Довольно часты случаи отравления выхлопными газами, в том числе с летальными исходами автомобилистов в гаражах, закрытых стоянках и внутри автомобилей (при утечке в салон), при плохой вентиляции. Также бывали случаи отравления выхлопными газами в квартирах домов, находящихся вблизи автостоянок (вдыхание выхлопных газов приводит к накоплению токсичных веществ в организме человека). Для борьбы с такими случаями вводятся строительные нормы вентиляции стоянок и сооружений, связанных с эксплуатацией и обслуживанием автомобилей.
Влияние выхлопных газов на экологию
Общее экологическое состояние в городах не складывается положительным образом не только за счет мусора и отходов, для чего необходимо осуществлять своевременную уборку улиц, а и еще за счет выхлопных газов автомобилей. Максимальное выделение угарного газа происходит при торможении, разгоне, маневрировании, при работе автомобиля на режиме холостого хода. Анализ движения автотранспорта в городе указывает, что эти режимы наиболее продолжительны (с постоянной скоростью автобусы в городе движутся менее 9% времени). Таким образом, в городе необходимо обеспечить безостановочное движение транспорта созданием дорожных «развязок», скоростных магистралей с сетью подземных переходов, правильную расстановку светофоров.
Даже обеспечение более полного сгорания топлива в двигателе не уменьшает количества взвешенных частиц и оксидов азота. Помощь в решении этого вопроса может оказать улучшение конструкции камер дожигания, модификация топлива и повышение его испаряемости (например, переход на нефтяной газ, но это приводит к появлению целого ряда неудобств иного вида), отказ от использования этилированного топлива. Каталитическое дожигание неэтилированного бензина с помощью платиновых и палладиевых катализаторов можно использовать для превращения углеводородов и моноксидов углерода в диоксид углерода и воду.
Использование катализаторов (платина, палладий) для очистки выхлопных газов автомобиля требует значительных затрат. Минимальное содержание СО в выхлопных газах определяется техническим состоянием двигателя, правильной регулировкой карбюратора, качеством используемых смазок и топлива. Содержание токсичных веществ в выхлопных газах автомобилей регламентируется ГОСТ 17.22.03—87. В ходе проверок работы двигателей автомобилей (2000 г.) выявлено, что более 25% автомобилей имеют превышение ПДК окиси углерода в выхлопных газах, в том числе по моделям: «Волга», «Жигули» — 36,5%, «Москвич» — 24%, «Запорожец» — 22%, иномарки — 11,8%, другие — 5,7%. При этом необходимо иметь в виду, что еще у 10% автомобилей содержание СО в выхлопе была равна ПДК.
Большое внимание уделяется разработке новых видов топлива, альтернативных топливу нефтяного происхождения. К такому топливу сформулированы требования: наличие достаточных энергетических ресурсов; возможность массового производства; технологическая и энергетическая совместимость с транспортными силовыми установками; приемлемые токсические и экологические показатели; безопасность и безвредность эксплуатации
С точки зрения экологической чистоты наиболее перспективным является электромобиль. Проблемы, тормозящие его широкое внедрение (резко удешевить источники электропитания), могут быть со временем решены.
Риск возможного нанесения вреда организму токсическими веществами и соединениями выхлопов зависит от следующих факторов: свойств веществ (физических и химических); интенсивности воздействия токсиканта на конкретный орган человека (мишень) и времени этого воздействия; биологического отклика организма на воздействие токсиканта.
Растворимость токсиканта обусловливает различия в размещении его по организму. Растворимые в биологических жидкостях соединения и вещества быстро разносятся по всему телу, а нерастворимые — задерживаются в респираторном тракте, легочной ткани, лимфатических узлах или проглатываются. Внутри организма эти соединения подвергаются метаболизму, причем токсичность образующихся метаболитов иногда превышает токсичность исходного соединения, а в целом дополняет ее. Баланс между метаболическими процессами, усиливающими или уменьшающими токсичность, является важным фактором чувствительности индивидуума к токсическим веществам.
Вопрос загрязнения ОС автомобильным транспортом необходимо рассматривать в комплексе: производство, обслуживание и ремонт автомобилей, их эксплуатация, производство горючих и смазочных материалов, развитие и эксплуатация дорожно-транспортной сети.
В процессе эксплуатации автотехники наблюдаются вредные факторы: потребление топлива и воздуха, выделение вредных выхлопных газов; выброс продуктов истирания шин и тормозов; материальные потери и жертвы в результате транспортных происшествий, аварий и катастроф; использование специальных солевых составов для поддержания дорожной сети в работоспособном состоянии.
Статья подобрана программой Rich Key.
Конструкция камеры сгорания
Главный источник эмиссии углеводорода — несгоревшее топливо, которое находится в контакте со стенками камеры сгорания. По этой причине область стенок должна обладать как можно меньшей поверхностью и самой простой фирмой. Теоретический идеал — сфера, но сфера не совсем практична
Важно хорошее перемешивание порции и смеси в цилиндре, поскольку это способствует более качественному и быстрому горению. Возможно, еще важнее гарантированно хорошее перемешивание в области свечи зажигания
Это улучшает воспламенение. Лучше всего помещать свечу зажигания в центр камеры сгорания, поскольку это уменьшает вероятность взрывного сгорании за счет сокращения расстояния которое должен пройти фронт пламени.
Объем выхлопных газов
В среднем при сжигании одного литра топлива выделяется 16 тысяч литров выхлопных газов. Примерный объем газов, выделяемых каждым автомобилем можно вычислить, исходя из среднего расхода топлива на 100 км пробега, заявленного производителем машины. Для этого придется суммировать пройденное расстояние и считать общий объем заправленного топлива.
Выхлопы каждого автомобиля за 1 день или пройденный километр сосчитать просто невозможно. Также нельзя определить общий объем выхлопа большого количества машин, так как неизвестно сколько проезжает ежедневно или ежечасно каждая машина. Поэтому любые данные подобных исследований можно считать сильно усредненными или приближенными.
Как еще можно снизить уровень шума глушителя
Также для снижения шума можно установить зеркальный глушитель. Такие модели работают по такому же принципу, как и акустические зеркала. Чаще всего зеркальные глушители можно встретить в выхлопных системах двухтактных моторов мотоциклов и скутеров. Устройство глушителя в этом случае представляет собой выпускное колено и резонаторную банку, в которой отработанные газы «утихомириваются». При этом уровень сопротивления будет значительно ниже, а на мощность двигателя не будет расходоваться. Однако стоит учитывать, что из-за зеркального эффекта температура выхлопной трубы будет повышаться.
Подобный принцип используется в системах автомобилей Нива и многих других.
Помимо этого существуют поглотительные и ограничительные глушители, которые также понижают шум.
Достоинства газобаллонной системы
В октябре 2020 года стоимость одного литра пропана варьируется в пределах 15–16 р., цена АИ-92 — приблизительно 40 р. Ни один здравомыслящий водитель не хотел бы менять топливо с бензина на газ, если бы он не получал такой значительной экономии. Однако какой бы соблазнительной ни была экономия топлива, владельцу авто следует учитывать траты, которые потребуются в первую очередь на установку ГБО. Кроме покупки самого оборудования, хозяину движимого имущества предстоит потратиться на специалиста, который в дальнейшем установит систему в автомобиль (следует учесть, что марка авто также влияет на окончательную стоимость). В 2020 году за переоборудование машины придётся заплатить около 15–50 тыс. р. Выгодным переоснащение авто будет только в том случае, если ежегодный побег транспортного средства не меньше 15 тыс. км. Однажды произведя смену бензинового или дизельного топлива на газ, автовладелец сможет без труда и дополнительного поиска снабжать авто пропан-бутаном или метаном, так как перечисленные типы газа есть практически на любой заправочной станции.
Одним из важных достоинств, благодаря которому многие автовладельцы хотят заполучить газобаллонное оборудование, является продление срока службы силового агрегата. Иными словами, автовладелец сможет сэкономить не только на топливе, но и на плановом ремонте движка. Кроме того, пропан, поступивший в систему, не «напрягает» топливный агрегат так, как это делают другие типы топлива. Происходит это ввиду наличия в пропане более высокого октанового числа. Пропану необходимо больше времени, чтобы сгореть в камере мотора, в результате чего пропадают детонации. Вместе с тем газу проще, чем, например, бензину, смешаться воедино с воздушным потоком, он в меньшей мере смоет масляную оболочку с цилиндров. Менее загрязнённое и разжиженное масло потребует более редкой замены, а двигатель с меньшим слоем нагара — более редкого ремонта.
Среди прочих достоинств заправка автомобилей газом обеспечивает большую экологическую чистоту транспортного средства в сравнении с устройствами, функционирующими на бензине или дизельном топливе. Пропан, сгорающий в движке, «дарит» атмосфере гораздо меньше оксидов азота (более чем на 60%) и различных твёрдых элементов (на 80%). Кроме того, природный газ лишён частиц, содержащих свинец, ведь именно эти вредные элементы хуже всех остальных, присутствующих в топливных выбросах.
Не стоит оставлять без внимания универсальность транспортного средства, которую он обретает после комплектации газобаллонной системой. Автомобиль с ГБО можно с лёгкостью продолжать заправлять привычным видом топлива (тем, которым машина питалась изначально). Силовой агрегат универсального авто будет получать именно то топливо, которое в определённый промежуток времени считается более бюджетным. Как показывает практика, пропан качественнее бензина и дизеля, им предпочтительнее «кормить» машину перед дальней поездкой, когда автовладельцу придётся заправлять авто на незнакомых АЗС.
Естественно, газ является таким веществом, которое принадлежит к перечню элементов с высоким классом пожаро- и взрывоопасности. Однако современное ГБО способно обеспечить безопасность для водителя и пассажиров. Новые системы газового топливного оборудования характеризуются превосходной надёжностью
Если соблюсти одно важное правило — установить оборудование у опытного сервисного работника и регулярно заправлять авто качественным газом, не забывая про ТО, — то автовладелец навсегда забудет о каких-либо существенных проблемах, связанных с топливной системой. Мастера с опытом знают технику установки, располагая баллоны с газом таким образом, чтобы даже при серьёзной аварии они не подвергались риску быть повреждёнными
О прочности и надёжности современного ГБО свидетельствуют множественные результаты тестирования, которые подтвердили даже безопасность системы при активной её эксплуатации. Автовладелец может не бояться утечки газообразного топлива, так как присутствующие в веществе меркаптаны имеют резкий запах, который позволит быстро ощутить дефект, появившийся в системе.
Если брать среднее октановое число, то пропан имеет 105 единиц, что обеспечивает отсутствие взрывов мелких частиц топлива, вместе с тем те, кто может сравнить езду на разных видах топлива, отмечают большую комфортабельность во время движения на газе, нежели на другом топливе.
Рециркуляция выхлопного газа
Эта методика используется, прежде всего, для того, чтобы уменьшить пиковые температуры сгорания и следовательно, образование окислов азота (NOx). Рециркуляция выхлопного газа (exnfcust gas recirculation — EGR) может быть или внутренняя, за счет перекрытия клапанов, или же внешняя, через обычные трубы и клапан. Определенная порция выхлопного газа просто возвращается к впускному коллектору двигателя.
Рециркуляцией управляют с помощью электроники по установкам в постоянной памяти блока управления двигателем. Это гарантирует, что не будут затронуты ходовые качества автомобиля, а также, что доля рециркуляции будет контролироваться. Если эта доля слишком велика, увеличивается эмиссия углеводородов. На рисунке показано влияние доли рециркуляции на выхлоп и расход топлива.
Один из недостатков систем EGR заключается в том, что клапаны через некоторый период времени могут забиваться продуктами выхлопа и, таким образом, изменять фактический процент рециркуляции. Однако теперь имеются клапаны, которые уменьшают эту проблему.
Состав выхлопных газов
Состав выхлопных газов автомобилей зависит от качества используемого топлива и типа двигателя. Но отличия будут только в процентном составе тех или иных веществ. Выхлопы автомобилей состоят как из вполне безвредных веществ, так и из достаточно токсичных.
Состав выхлопных газов
В большей части они состоят из таких газов, как азот, кислород, диоксид углерода и водяные пары. Эти вещества входят в состав атмосферного воздуха и не представляют никакой опасности для людей и окружающей среды. Объем каждой из вредных примесей в составе не превышает 1-2%, реже 5-10%. К опасным для здоровья можно отнести следующие компоненты:
- Оксид углерода.
- Альдегиды.
- Углеводороды.
- Диоксид серы.
- Сажа
- Бензапирен.
| 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 |
Углекислый газ (СO2)
Углекислый газ — это бесцветный, негорючий, кисловатый на вкус газ. Иногда его ошибочно называют угольной кислотой. Плотность СO2 примерно в 1,5 раза выше плотности воздуха. Углекислый газ является составной частью выдыхаемого человеком воздуха (3-4%) При вдыхании воздуха, содержащего 4-6% СO2, у человека возникают головные боли, шум в ушах и учащение сердцебиения, а при более высоких концентрациях СO2 (8-10%) наступают приступы удушья, потеря сознания и остановка дыхания. При концентрации более 12 % наступает смерть от кислородного голодания. К примеру, горящая свеча тухнет при концентрации СO2 8-10% по объему. Хоть углекислый газ и относится к удушающим веществам, но как компонент выхлопа двигателя не считается ядовитым. Проблема в том, что углекислый газ, как показано на рисунке, значительно способствует глобальному парниковому эффекту.
Вместе с ним развитию парникового эффекта способствуют метан, закись азота (веселящий газ, оксид диазота), фторуглеводороды и гексафторид серы. Углекислый газ, водяной пар и микрогазы влияют на радиационный баланс Земли. Газы пропускают видимый свет, но поглощают тепло, отражаемое от земной поверхности. Без этой теплозадерживающей способности средняя температура на поверхности Земли была бы около -15°С.
Это называется природным парниковым эффектом. При увеличении концентрации микрогазов в атмосфере растет доля поглощаемого теплового излучения и возникает дополнительный парниковый эффект. По оценкам экспертов, к 2050 году средняя температура на Земле вырастет на +4°С. Это может привести к повышению уровня моря более чем на 30 см, вследствие чего начнут таять горные ледники и полярные ледяные «шапки», изменится направление морских течений (в том числе Гольфстрима), изменятся воздушные потоки, а моря затопят огромные пространства суши. Вот к чему может привести парниковые газы, образующиеся при деятельности людей.
Суммарные антропогенные выбросы СO2 составляют 27,5 млрд т в год. При этом Германия относится к крупнейшим источникам СO2 в мире. Энергетически обусловленные выбросы СO2 составляют в среднем около миллиарда тонн в год. Это около 5% всего производимого в мире СO2. Средняя семья из 3 человек в Германии производит в год 32,1 т СO2. Выбросы СO2 можно уменьшить только путем снижения расхода энергии и топлива. Пока энергия добывается путем сжигания ископаемых носителей проблема образования чрезмерного количества углекислого газа будет сохраняться. Поэтому срочно необходим поиск альтернативных источников энергии. Автопромышленность интенсивно работает над решением этой проблемы. Однако бороться с парниковым эффектом можно только в глобальном масштабе. Даже если в пределах ЕС будет достигнут большой прогресс в снижении выбросов углекислого газа, в других странах в ближайшие годы может, напротив, произойти значительный рост количества выбросов. США с большим отрывом лидируют в производстве парниковых газов, как в абсолютном выражении, так и в пересчете на душу населения. Имея долю в населении Земли всего 4,6%, они производят 24% мировых выбросов углекислого газа. Это примерно вдвое больше, чем в Китае, доля которого в населении Земли составляет 20,6%. 130 миллионов автомобилей в США (это меньше 20% от общего числа автомобилей на планете) производят столько же углекислого газа, сколько вся промышленность Японии — четвертой страны в мире по выбросам СО2.
Без дополнительных мер по защите климата глобальные выбросы СО2 вырастут к 2020 году на 39% (относительно 2004 г.) и составят 32,4 млрд т в год. Выбросы углекислого газа в США в ближайшие 15 лет увеличатся на 13% и превысят 6 млрд т. В Китае следует ожидать увеличения выбросов СO2 на 58%, до 5,99 млрд т, а в Индии — на 107%, до 2,29 млрд т. В странах ЕС, напротив, прирост составит лишь около одного процента.
Схема испытаний
Как правило, выбросы токсичных веществ с отработавшими газами двигателей определяются на стенде с беговыми барабанами (для легковых автомобилей) или на испытательном моторном стенде (грузовые автомобили). Многие нормы предельного содержания токсичных компонентов в отработавших газах и методы испытаний автомобилей на токсичность были впервые внедрены в США, где способ отбора проб (газа) постоянного объема был применен в качестве эффективного способа для контроля за выбросом твердых частиц при динамических испытаниях. При этой процедуре отработавшие газы разбавляются отфильтрованным окружающим воздухом и отбираются посредством ротационного насоса во время стандартизованного цикла испытаний. Разбавление отработавших газов воздухом устраняет вероятность конденсации в них влаги и одновременно удерживает их температуру на уровне, требуемом для измерения содержания твердых частиц (52°С). Одна проба пропускается через специальный бумажный фильтрующий элемент, где осуществляется определение уровня выброса твердых частиц за счет измерения увеличения массы пробы.
Вторая нагретая проба газа направляется в пламенно-ионизационный детектор, в котором производится непрерывный контроль за концентрацией углеводородов. Третья проба отправляется в сборник отработавших газов. После окончания цикла испытаний его содержимое направляется в газоанализатор, где производятся замеры концентраций СО, МОх и СО2. Расчеты для определения уровней выбросов различных компонентов отработавших газов базируются на данных об объеме смеси газов и концентрации отдельных их компонентов. В США для проверки легковых и грузовых автомобилей на токсичность отработавших газов применяются одни и те же методы и газоанализаторы. Отработавшие газы обычно разбавляются дважды, что дает возможность пропускать большие объемы газа через трубопроводы приемлемого размера. В европейском цикле испытаний также применяется разбавление части газового потока воздухом при замерах содержания твердых частиц в отработавших газах. После измерений концентрации твердых частиц проводятся дополнительные проверки непрозрачности этих газов как в стационарных условиях, так и при движении с полной нагрузкой.
Cостав и температура отработавших газов
Рециркуляция отработавших газов
Часть отработавших газов направляется во впускную систему для уменьшения количества кислорода в свежем заряде с одновременным увеличением его теплоемкости. Оба этих фактора приводят к понижению температуры сгорания и, таким образом, снижению образования NO. Повышенное количество рециркулируемых газов вызывает более высокие выбросы сажи и оксида углерода из-за недостатка воздуха в смеси. Поэтому количество рециркулируемых отработавших газов должно быть ограничено.
Очистка отработавших газов
Выброс углеводородов может быть уменьшен при использовании в выпускной системе каталитических нейтрализаторов. В них часть газообразных углеводородов, включая и те, что соединяются с твердыми частицами (сажа), сгорают в присутствии кислорода, содержащегося в отработавших газах. Для снижения выбросов твердых частиц (сажи) в настоящее время используются специальные фильтры, устанавливаемые в выпускной системе автомобиля.
Все более ужесточающиеся нормы определяют снижение предельного содержания количества токсичных комонентов в отработавших газах. Эти выбросы могут быть замерены при заданных определенных условиях работы двигателя. >
Монооксид углерода и углекислый газ
Эти вещества считаются опасными и наносящими серьезный ущерб экологии. В большинстве стран мира автомобили проходят проверку и сертификацию на соответствие международным нормам по их содержанию в составе выхлопных газов автомобилей.
Вред, наносимый этими примесями, зависит от их концентрации в воздухе. Так малое содержание (до 0,05%) углекислого газа может привести к возникновению головной боли и тошноты, а более высокое (0,5%) – вызывает удушье и смерть в течение 15 минут.
Причиной высокого содержания углекислого газа в воздухе является неполное сгорание топлива. Это чаще всего происходит при прогреве двигателя. Поэтому прогревать автомобиль рекомендуется в хорошо проветриваемом помещении или на свежем воздухе.
Также уменьшить количество указанных веществ в составе автомобильных выхлопов можно при помощи правильной настройки карбюратора, заменой старого воздушного фильтра или регулировкой впрыскивающих клапанов.
Углеводороды и органические масла
Остатки не прогоревших углеводородов и пары органических масел не представляют опасности для здоровья людей. Но под действием солнечных лучей они вступают в реакцию с другими компонентами воздуха и образуют токсичные соединения. Полученные вещества могут вызвать раздражение слизистых оболочек и дыхательных путей. Кроме того, одним из основных элементов смога являются углеводороды и их соединения.
Если следить за состоянием уплотнительных колец, а также настроить карбюратор и свечи зажигания таким образом, чтобы углеводороды в процессе работы двигателя прогорали полностью, то в результате будут выделятся безвредные вещества: углекислый газ и пары воды.
Формальдегид
В результате взаимодействия формальдегида, выделяемого автомобилями, с атмосферным азотом и рядом других компонентов воздуха образуются токсичные соединения. При их достаточной концентрации образуется туман, который может представлять опасность для человека.
Пыль и сажа
Мельчайшие твердые частицы, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей, оседают на обочинах и различных объектах вдоль автомобильных трасс. При постоянном вдыхании подобной пыли и сажи возникает риск развития заболеваний дыхательной и сердечно-сосудистой системы. Из-за малых размеров частиц сажи, они легко попадают непосредственно в кровеносные сосуды и оказывают пагубное влияние на них изнутри.
Возможности полностью исключить данные вещества из состава выхлопных газов пока не существует. Единственной возможностью уменьшить их количество – это применение качественного топлива.
Бензпирен
Бензпирен (Бензапирен) относится к группе полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Данные мутагенные и канцерогенные вещества способны накапливаться в природных объектах, воде и почве. Бензипрен самый распространенный из ряда опасных веществ этой группы. Со временем он накапливается в организме человека и, при достижении определенной критической концентрации, оказывает необратимые воздействия на его здоровье.
Что такое выхлопные газы?
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.
Назначение и устройство каталитического нейтрализатора
Нейтрализатор устанавливается в выхлопной системе автомобиля и применяется для максимального снижения токсичности выхлопного газа. Применение данного устройства осуществляется как на дизельных, так и на бензиновых двигателях и является обязательным для всех автомобилей, оснащенных двигателем внутреннего сгорания.
Современная конструкция нейтрализатора представляет собой специальный блок-носитель, корпус устройства и теплоизоляция. Основным элементом является блок-носитель, который изготавливается из специальной огнеупорной керамики. Внутри блока располагается большое количество сот (или, по-другому, ячеек). Такая конструкция позволяет значительно повысить площадь соприкосновения рабочих частей нейтрализатора с отработанными газами. Поверхность ячеек покрывается специальным слоем каталитического вещества. В качестве нейтрализатора может применяться родий, платина или палладий.
Суть действия катализатора заключается в следующем. Двигатель автомобиля не может обеспечить полное сгорание топлива и отправляет большое количество вредных газов в выхлопную систему автомобиля. Попадая в каталитический нейтрализатор, вредные газы контактируют с каталитическим слоем и окисляются. В процессе прохождения выхлопного газа по всему блоку-носителю, вредные вещества окисляются до конца, и на выходе получается самый обычный углекислый газ.
Применение трех металлов обеспечивает полное окисление трех разных веществ. Помимо углевода и оксида углерода, в отработавших газах может содержаться оксид азота, который также подвергается полному окислению и превращается в обычный безвредный азот. Таким образом, выхлопной газ становится менее вредным и оказывает меньшее отрицательное воздействие на окружающую среду.
Сам блок-носитель, обычно, размещен в металлическом корпусе, который предохраняет нейтрализатор от механических воздействий, например, ударов о неровности дорожного покрытия. Между блоком и корпусом прокладывается слой теплоизоляции, чтобы исключить передачу тепла на корпус. Применение теплоизоляции связано с особенностями работы нейтрализатора. Дело в том, что для успешного окисления вредных веществ необходима большая температура. Самая минимальная температура для успешного дожигания отработанных газов должна быть в пределах 300 градусов Цельсия. Для спортивных автомобилей этот параметр может достигать 1500-3000 градусов Цельсия. Теплоизоляция позволяет поддерживать температуру в заданных пределах и обеспечивает нормальную работу каталитического нейтрализатора.
Внутри блока устанавливается датчик кислорода. Это электрическое устройство сообщает водителю о том моменте, когда катализатор необходимо заменить. Если соты забиваются или керамический слой становится меньше, датчик срабатывает и посылает сигнал на электронный блок управления двигателем, который переводит работу мотора в аварийный режим и сигнализирует лампой на панели приборов, что необходимо выполнить проверку исправности систем. Часто, чтобы избавить от преждевременного и случайного срабатывания датчика, создают специальную обманку нейтрализатора, которая говорит датчику о том, что катализатор по-прежнему в норме. Это связано с тем, что замена каталитического нейтрализатора стоит очень дорого, и не каждый водитель может позволить себе такой ремонт. Так что, большинство водителей просто докатывают старую деталь до полного изнеможения и меняют нейтрализатор позже.
Помимо теплоизоляции, регулировать температуру работы нейтрализатор можно не только с помощью теплоизоляции. На температуру нейтрализатора может влиять и место установки. Так, например, для повышения температуры катализатора, его размещают прямо за выпускным коллектором, так как последний имеет высокую скорость и температуру нагрева.
Рис. 2. Подача дополнительного воздуха к выпускному клапану для нейтрализации токсичности выхлопных газов
Воздух от компрессора поступает по патрубку, вставленному в выпускной коллектор, к выпускному клапану, охлаждая его и обеспечивая дожигание отработавших газов.
Воздух подается как можно ближе к тарели клапана, где температура отработавших газов еще достаточно высока для их догорания. При смешивании отработавших газов с воздухом углеводороды при достаточно высокой температуре взаимодействуют с кислородом, в результате чего происходит их дальнейшее окисление и образование безвредных углекислого газа и паров воды.
Окисление отработавших газов происходит более полно при наличии соответствующего катализатора, помещенного в выпускной трубопровод. Испытания, проведенные с катализаторами, дали очень хорошие результаты, однако недолговечность и высокая стоимость препятствуют их распространению.
Свинец, содержащийся в топливе (тетраэтиловый свинец является весьма эффективным антидетонатором), сильно снижает долговечность катализаторов; свинец осаждается на поверхности катализатора, блокируя его каталитические свойства.
Эффективным методом снижения эмиссии NOх является рециркуляция отработавших газов. Охлажденные отработавшие газы подаются во впускной коллектор двигателя и снова проходят через камеру сгорания
На это свойство отработавших газов обратил внимание еще Гарри Рикардо в начале своих исследований в области процессов горения и рабочих процессов. Поскольку, однако, рециркуляция ведет к ухудшению наполнения цилиндров свежей смесью, а значит к снижению мощности двигателя, этому способу долго не уделяла особого внимания
Снижая максимальную температуру цикла, рециркуляция отработавших газов тем самым снижает интенсивность образования окислов азота. Снижение мощности стремятся компенсировать сжиганием более богатых смесей и большим открытием дроссельной заслонки (на частичных режимах), что в свою очередь ведет к более интенсивному образованию СО. Рециркуляция отработавших газов связана со снижением степени сжатия, увеличением перекрытия клапанов, установкой более позднего зажигания и т. д. и позволяет снизить эмиссию NOх до 80%, но такой двигатель становится очень капризным в эксплуатации, в нем часто возникают самовоспламенения, а при прогреве двигатель развивает пониженную мощность.
Неблагоприятное воздействие свинца на долговечность катализаторов привело к попыткам отказаться от применения соединений свинца в качестве присадок бензина. Однако это повлекло за собой ряд серьезных перестроек в производстве высококачественных бензинов, что, естественно, встретило сильное противодействие нефтеперерабатывающих фирм. Кроме того, было обнаружено, что отсутствие свинца в бензине оказывает определенное влияние на износ седел клапанов. Фирмой Зенит был разработан бескаталитический способ дожигания отработавших газов. Было обнаружено, что окисление несгоревших компонентов отработавших газов происходит и без катализаторов, если температура газов достаточно высока и если на дожигание отводится достаточное время. Устройство такого дожигателя показано на рис. 3.
