2.1. Экология и автомобильный транспорт

Экология (от греческого oicos – дом,logos – наука) – нау­ка, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвя­зи между ними и средой в условиях нарастающей автомобилизации современного общества приобретает особый социальный характер.

Экологические показатели – это показатели качества, характеризующие уровень вредных воздействий на окружающую среду, возникающие при эксплуатации и потреблении продукции.

В настоящее время автотранспорт является одним из наиболее энергоемких отраслей народного хозяйства. В зависимости от уров­ня развития на его долю приходится 20…60 %всего потребления жидких топлив нефтяного происхождения, а его удельный вес в загрязнение окружающей среды составляет до 60…80%.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являясь основ­ным энергоисточником современных автомобилей, одновременно способствуют загрязнению атмосферы. Они являются источником вредных различных веществ (ВВ), пыли, продуктов износа, шума, вибрации и излучений.

Загрязнение ОС автотранспортом является ингредиентным и параметрическим, имеющим минеральную и органическую основу.

Причем механизм воздействия автотранспорта на окружающую сре­ду имеет ряд особенностей, которые следует учесть при изучении данной проблемы. К ним относятся:

• динамический рост процесса автомобилизации;

• широкий диапазон отрицательных воздействий автотранспорта на окружающую среду;

• довольно низкие показатели экологической безопасности автотранспорта;

• ограниченность технических возможностей и сложность улучшения показателей экологической безопасности автотранспорта;

• отставание подготовленности общественного сознания в оценке экологической безопасности автотранспорта;

• отсутствие действенных механизмов (моделей) управления для улучше­ния экологической безопасности автотранспорта.

В среднем автомобили в масштабе земного шара ежегодно потребляют 2.1 млрд. т топлива, выбрасывая при этом около 700 млн. т. вредных веществ (СО – 420 млн. т., СН – 170 млн. т., NOх – 60 млн. т., сажи – 17 млн. т., свинца – 0.6 млн. т.)

2.2. Состав и токсичность газов автомобильных двигателей

Отработавшие газы (ОГ) двигателей представляют собой весьма многокомпонентную смесь, в состав которых входит около 200 составляющих. Однако для классификации анализа состава все компоненты сводятся к нескольким группам, которые сходны по химической структуре, свойствам, а также по характеру воздействия на живой организм.

Первую группусоставляют нетоксичные вещества: азот, кисло­род,водяной пар, а также углекислый газ, содержание которого не достигает уровня, вредного для человека. Однако по мнению ученых чрезмерное его содержание в составе атмосферного может привести к глобальным природным изменениям.

Во вторую группувходит окись углерода (СО), присутствие ко­торого в больших количествах характерно для ОГ бензиновых двига­телей. Согласно теории цепного окисления углеводородов, окись углерода образуется в цилиндре двигателя в качестве промежуточ­ного продукта превращения и разложения альдегидов, получающихся в стадии холодно-пламенного процесса, предшествующего процессу основного горении.

Механизм токсического действия окиси углерода, определяется его способностью соединяясь с гемоглобином крови, образовывать карбоксигемоглобин СОНв(соединение же кислорода с гемоглобином дает окисгемоглобинО₂Нв) и тем самым лишает ткани тела кислорода.

В третью группувходят окислы азота, состоящие из окиси (NO) и двуокиси (NO₂) азота. Механизм и кинетика образования окислов азота объясняются результатами термической обратимой реакции азота воздуха под действием высокой температуры и давления в ци­линдре двигателя. Причем по мере охлаждения ОГ и разбавления их воздухом окись азота окисляется дальше, превращаясь в двуокись, трехокись и четырехокись. На организм человекаNO₂ действует как острый раздражитель, а 200-300мг/м³опасно при кратковремен­ном вздыхании, попадая в легкие и соединяясь с гемоглобином крови, вызывает отек легких.

Под действием солнечной радиации окислы азота в присутствии углеводородов образуют фотохимические оксиданты или фотохимичес­кий смог.

Четвертую группутоксичных веществ составляет самая многочисленная группа углевоёдородов, состоящая из представителей всех гомологических рядов: алканы, алкены, алкадиены, цикланы. Из общего количества органических компонентов ОГ на долю предельных углеводородов приходится 32 %, непредельных – 27.2%,аромати­ческих – 4%,альдегидов и кетонов – 2.2%.

Кроме этого также в составе ОГ обнаружены полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) представителем которых является бензапирен. Механизм образования этих веществ заключается в том, что они под действием термических процессов разлагаются на ряд простых углеводородов и свободных радикалов, а затем в условиях недостатка кислорода атомы водорода отщепляется от образовавшихся продуктов. Полученные соединения объединяются между собой во все более сложные циклические, а затем и полициклические структуры, т.е. при температурах от 400 до 800°Спроисходит пиролиз углево­дородных топлив образуя при этом ПАУ. ПАУ могут вызвать некоторые формы раковых заболеваний легких.

Пятая группатоксичных веществ состоит из альдегидов (формальдегид 60 %, алифатические альдегиды 32 % и ароматические аль­дегиды 3%и др.).

Формальдегиды обладают высокой токсичностью и резким неприят­ным запахом. Из алифатических альдегидов в ОГ автомобилей в основ­ном содержится акролеин, представляющий собой прозрачную с желто­ватым оттенком жидкость, обладающую неприятным резким запахом.

Шестую группувредных компонентов составляет сажа, которая характерна для дизелей. Она способна адсорбировать канцерогены, содержащиеся в ОГ.

В таблице 2.1 приведен ориентировочный состав ОГ бен­зиновых двигателей и дизелей.

Анализ приведенных данных в таблице показывает, что разница составляющих компонентов ОГ объясняется особенностями работы двигателей (топлива, состав горючей смеси, организация рабочего про­цесса и др.).

В таблице 2.2 приведены вторичные загрязнители атмосферы – фотооксиданты (продукты фотохимических реакций) и их воздействие на окру­жающую среду.

В таблице 2.3 приведены предельно допустимые концентрации (ПДК) некоторых веществ в воздухе рабочей зоны.

Особенно следует подчеркнуть вредное воздействие свинца и его органических соединений. В наибольших количествах свинец, на­капливаясь в печени, почках, поджелудочной железы и костях по­ражает их.

Результаты множества исследований, связанных с изучением влия­ния организации движения (режимов работы автомобиля или двигателя) на расход топлива автомобилями показали, что уровень расхода топ­лива может быть использован в качестве косвенного критерия, отра­жающего выброс вредных веществ ОГ автомобилем в зависимости от технического состояния узлов, агрегатов и неисправностей.

Таблица 2.1

№	Наименования компонентов	Химическая формула	Доля вещества
			бензиновый двигатель		дизель
			%	на 1000 л топлива, кг	%	на 1000 л топлива, кг
1	Окись углерода	CO	0.5…12.0	200	0.01…0.5	25
2	Двуокись углерода	CO2	5.0…12.0	–	1-10	–
3	Углеводороды неканцерогеннные	CH	0.2…3.0	25	0.009…0.5	8.0
4	Окиси азота	NOx	до 0.8	20	до 0.5	36
5	Альдегиды	CHO	0.2 мг/л	–	0.009 мг/л	–
6	Двуокись серы	SO2	0.008	–	0.03	–
7	Сажа		0.004	1	0.01…1.1	3
8	Бенза(а)перин	C20H12	10…20 мкг/м^3	3	8…10 мкг/м^3	–
9	Свинец	Pb	0.0003 г/кг	–	-	–
10	Азот	N2	74.0…77.0	–	76…78	–
11	Водяной пар	H2O	3.0…5.5	–	0.5…4.0	–
12	Кислород	O2	0.3…8.0	–	2…18	–

Таблица 2.2

Вторичные загрязнители	Концентрация		Экспозиция	Эффекты
	млн^-1	мкг/м^3
Озон (03)	0.02 0.03 0.10 0.30 2.0	40 60 200 590 3900	1 ч 8 ч Непрерывная в рабочее время 2 ч	Натяжение и растресквание резины Повреждение растительности Спазмы дыхательных путей Раздражение носоглотки, спазмы грудной клетки Сильный кашель
Фотохимические оксиданты	0.1 0.13 0.3	200 250 600	Максимально суточные 1ч	Раздражение глаз Обострение респираторных заболеваний Ухудшение спортивных показателей

В соответствии с существующими государственными стандартами ГОСТ 27435 и ГОСТ 27436 регламентируется внешний и внутренний шум автомобилей.

Таблица 2.3

№	Наименования веществ	ПДК, мг/м^3	Класс опасности	Агрегатное состояние
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.	Окислы азота (в пересчете на NO2) Двуокись серы Бенз(а)пирен Свинец и его неорганические соединения Окись углерода Бензин (углеводороды) Формальдегид	5 10 0.00015 0.01 20 300 0.5	2 3 1 1 4 4 2	пар пар аэрозоль аэрозоль пар пар пар

Важную роль в снижении расхода топлива, и, следовательно, токсичности ОГ автомобилей играет выбор, соответствующих режимов движения. На рис. 2.1 и 2.2 приводятся закономерности изменения компонентов ОГ грузового автомобиля (двигателя) в зависимости от различных факто­ров, но объясняющие физический смысл возможности достижения снижения расхода топлива и токсичности ОГ в условиях эксплуатации.

Рис. 2.1. Скоростная характеристика грузового автомобиля с полезной

нагрузкой 6 т.

9 11 13 15 17 19 21

Рис. 2.2. Содержание компонентов отработавших газов при различных составах

горючей смеси.