1 Вредные вещества выбрасываемые при работе двигателя. Их влияние на окружающую среду и организм человека.

Принцип работы ДВС основан на превращении химической энергии раз­личного топлива органического происхождения в тепловую энергию и далее в механическую в рабочей полости двигателя. В настоящее время для питания ДВС наиболее широко используют жидкое и газообразное топливо, основными составляющими которых являются углеводороды. При окислении их кислородом воздуха, поступающего в двигатель, образуются нетоксичные (водяной пар, углекислый газ) и токсичные вещества. По­следние являются продуктами неполного сгорания топлива или побочных реакций, протекающих при высоких температурах. Кроме того, некоторые вредные вещества содержатся в топливе и при работе двигателя выбра­сываются в окружающую среду. Так как применяемый в ДВС способ смесеобразования и воспламенения топливовоздушной смеси значительно влияет на количество и состав вредных выбросов, целесообразно раздельно рассмотреть вредные вещества, выбрасываемые различными типами ДВС.

В бензиновых двигателях с искровым зажиганием источниками вредных выбросов являются отработавшие и картерные газы, испарения топлива из системы питания. Бензин состоит из углерода и водорода с массовы­ми долями соответственно 0.855 и 0.145. Теоретически для сгорания 1 кг бензина необходимо 14.95 кг воздуха (стехиометрический состав топливовоздушной смеси, коэффициент избытка воздуха а = 1). Однако регулировка карбюратора на такой состав смеси во всех режимах работы двигателя без сложных систем регулирования практически невозможна, кроме того, стехиометрический состав смеси часто приводит к неустой­чивой работе двигателя в режимах малых нагрузок и холостого хода, в режимах разгона, не обеспечивает наивысших энергетических показателей двигателя при полных нагрузках. Все это обусловливает использование обогащенных топливовоздушных смесей. Недостаток кислорода является основной причиной повышенных выбросов с отработавшими газами бензи­новых двигателей продуктов неполного сгорания, в первую очередь окиси углерода (СО), которая входит в состав отработавших газов в относительно больших количествах (до 1.0… 1.5%) при работе бензинового двигателя на стехиометрической (а = 1) и даже обедненной смеси (а > 1). Это объясняется неравномерным распределением состава смеси по цилиндрам и наличием обогащенной в отдельных цилиндрах при стехиометрической и обеденной смеси в целом для двигателя. Содержание СО в отработавших газах бензинового двигателя, в частности при неправильной регулировке системы питания, может составлять 10%. Масса выбрасываемой в окружа­ющую среду СО в этом случае превышает массу потребляемого двигателем бензина.

Окись углерода и углеводороды являются продуктами несовершенного процесса сгорания бензина в цилиндрах двигателя. Основные направления снижения выбросов этих веществ — обеднение смеси и стабилизация ее воспламенения. В этих условиях в отработавших газах двигателя резко увеличивается содержание окислов азота в виде окиси N0 и частично двуокиси NO2. Рост выбросов этого токсичного вещества объясняется повышением температуры в зоне реакции и наличием избыточного кис­лорода, который вступает в реакцию с азотом, входящим в состав воздуха и являющимся инертным газом в атмосфере. Окисление азота начинается при температуре, превышающей 1600 К, с повышением ее время реакции сокращается и при 2300 К составляет 10"2-10~6 с. Поэтому в режимах частичных нагрузок и холостого хода вследствие снижения температуры в зоне реакций количество окислов азота резко снижается.

Таким образом, в бензиновом двигателе при регулировке системы пита­ния, направленной на снижение выбросов окиси углерода и углеводородов, увеличиваются выбросы окислов азота. Это представляет одну из основных трудностей решения задачи комплексного снижения загрязнения окружа­ющей среды вредными выбросами бензиновых двигателей.

Рассмотренные вредные вещества — продукты реакций углеводородов топлива и составляющих воздуха. Наряду с этими веществами в отрабо­тавших газах содержатся вредные вещества, образовавшиеся из входящих в бензин примесей. К таким веществам принадлежит двуокись серы. Сера, как примесь, входит в состав бензина, ее содержание в нем незначительно и не превышает 0.15%. В цилиндре двигателя сера окисляется и в виде двуокиси выбрасывается в окружающую среду. Концентрация двуокиси серы в отработавших газах при работе двигателя на номинальном режиме составляет 0.008%.

Одно из основных направлений улучшения показателей бензиновых двигателей — повышение степени сжатия. Для обеспечения работы двигате­ля без детонации при повышении степени сжатия необходимо увеличивать октановое число бензина. Наиболее распространенным в настоящее время веществом, обеспечивающим повышение октанового числа бензина, явля­ется этиловая жидкость, состоящая из тетраэтилсвинца-антидетонатора и выносителя (хлорнафталин, дибромэтен и др.), который предотвращает отложение свинца на деталях двигателя. Количество этиловой жидкости, добавляемой в 1 кг бензина, составляет 0.5… 1.0см3. Около 70% соедине­ний свинца при работе двигателя выбрасывается в атмосферу.

Концентрация продуктов неполного сгорания в отработавших газах ди­зельного двигателя значительно ниже, чем в газах бензинового двигателя. Избыток кислорода в цилиндрах дизельного двигателя, а также высокая температура в процессе сгорания способствует образованию в цилиндрах окислов азота, которые являются одним из основных вредных веществ, выбрасываемых с отработавшими газами дизеля. Концентрация окислов азота в отработавших газах по мере увеличения нагрузки возрастает, хотя при приближении к полной нагрузке интенсивность роста снижается.

Широкое использование ДВС в различных сферах деятельности че­ловека предопределяет значительные выбросы вредных веществ выделя­емых при работе этих двигателей в окружающую среду. Следует учесть, что вредные вещества, выбрасываемые ДВС, особенно автомобильными, распределяются неравномерно в окружающей среде. Основная их масса выделяется в населенных пунктах, городах, вдоль автомобильных дорог, что приводит к повышенному загрязнению и вредному воздействию этих веществ на человека и окружающую среду. При современной структу­ре парка ДВС среди вредных веществ, выбрасываемых автомобилями в окружающую среду, наибольшее количество составляет окись углерода (СО) — газ без цвета и запаха. Молекулярная масса его равна 28, то есть незначительно ниже массы воздуха. Поэтому СО легко распространяется в атмосфере, попадает в жилые помещения, находящиеся на значительных расстояниях от мест работы ДВС. Окись углерода в атмосфере сохраняется от 2 до 4 месяцев.

ДВС — один из основных источников выброса в окружающую среду са­жи. Подсчеты показывают, что частицы сажи размером до 0.15 мкм могут находиться в воздухе во взвешенном состоянии около 8 суток. Сажа вредно воздействует на окружающую среду и человека в трех аспектах. Как и любое твердое тело, она при попадании в организм человека, вызывает раздражение дыхательных путей. Наличие взвешенных частиц сажи ухуд­шает видимость на автомобильных дорогах. Основная же опасность сажи заключается в том, что на поверхности ее частиц могут адсорбироваться канцерогенные углеводороды.

Двуокись серы, выбрасываемая с отработавшими газами ДВС, составля­ет незначительное количество общего выброса этого вещества искусствен­ными источниками загрязнения. Тем не менее, в местах, где широко исполь­зуют ДВС, отмечается повышенное загрязнение воздуха двуокисью серы.

В воздухе она переходит в ангидрид SO3, который с парами воды образует серную кислоту, наносящую вред растениям, вызывающую заболевания дыхательных путей у людей и животных, и усиливающую процесс коррозии металлов. Имеются данные, что 40% черных металлов израсходуется на покрытие ущерба, наносимого коррозией вследствие наличия в атмосфере сернистых соединений.

Свинец, входящий в состав тетраэтилсвинца, добавляемого к бензину в качестве антидетонатора, выбрасывается в окружающую среду в виде аэрозолей неорганических солей и окислов, в основном в форме частиц раз­мером 1 мкм. Соединения свинца попадают в овощи и фрукты, растущие вдоль автомобильных дорог, в листья сельскохозяйственных культур.

Альдегиды выбрасываются с отработавшими газами ДВС в основном в виде формальдегида и акролеина.

Формальдегид — бесцветный газ с резким и неприятным запахом. Кон­центрация его в воздухе 0.007% приводит к раздражению дыхательных путей и слизистых оболочек носа и глаз человека.

Акролеин — прозрачная с желтоватым оттенком жидкость, обладающая резким запахом подгоревших жиров и масла. Опыты, проведенные на жи­вотных, показывают, что повышенная концентрация акролеина приводит к снижению массы животных, изменению состава крови. Для человека концентрация 0.0005% трудно переносима, 0.002 — непереносима.

При оценке воздействия вредных выбросов ДВС на окружающую среду и человека необходимо учитывать, что те вредные вещества, которые выбрасываются в атмосферу с осадками, попадают в почву и водоемы и загрязняют их, вследствие чего снижается урожайность и качество сельскохозяйственной продукции, наносится ущерб рыбному хозяйству.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) примесей в атмосфере, а среди этих примесей и основные вредные вещества ДВС устанавливают исходя из уровня вредного воздействия вещества на окружающую среду и человека. Ниже приведены значения ПДК вредных веществ, выбрасывае­мых ДВС, для атмосферного воздуха населенных пунктов.

Вещество	Предельно допустимые концентрации, мг/м3
	Максимально разовая	Среднесуточная
Окись углерода	5.0	3.0
Углеводороды (в пересчете на С)	5.0	1.5
Окислы азота (в пересчете на NO2)	0.085	0.04
Формальдегид	0.035	0.035
Акролеин	0.03	0.03
Двуокись серы	0.5	0.05
Свинец	-	0.003
Сажа	0.15	0.05
Бензопирен	-	1•10"6

Окись углерода. В обычных условиях окись углерода это газ, не имеющий ни запаха, ни цвета. Окись углерода легче воздуха и легко распространяется в атмосфере. Под действием окиси углерода красные кровяные шарики-эритроциты теряют способность участвовать в очень важном для организма человека газовом обмене. Наступает кислородное голодание, сказывающееся прежде всего на центральной нервной системе.

При остром отравлении окисью углерода у человека наступает резкая слабость, отмечается шум в ушах, головокружение и головная боль, появляется боль в области сердца, тошнота, иногда рвота. Человек перестает ориентироваться в окружающей обстановке, у одних наступает сонливость, у других возбуждение. Иногда наблюдаются судороги, а нередко пострадавший теряет сознание.

Окись углерода в количестве свыше 0,01% по объему может вызвать признаки отравления, а при содержании ее в атмосфере 0,02% при вдыхании в течение нескольких часов возможно легкое отравление. Вдыхание воздуха с 0,12% СО через 30 мин вызывает легкое сердцебиение, через 1,5 ч головокружение, а через 2 ( головную боль, тошноту и частичную потерю сознания. Концентрация в воздухе окиси углерода 0,20-0,25% через 30 мин приводит к обморочному состоянию.

Окислы азота. В отработавших газах двигателей присутствуют два вида окислов азота: окись азота (NO) -бесцветный газ и двуокись азота (NO2)-газ красновато-бурого цвета с характерным запахом. Попадая в организм человека, они соединяются с водой, образуя в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислот. При отравлении окислами азота характерно наличие скрытого периода: человек, удовлетворительно чувствующий себя при работе с опасными концентрациями окислов азота, впоследствии тяжело заболевает. Вдыхание с воздухом 0,01% окислов азота в течение 0,5-1,0ч может вызвать серьезные заболевания. По действию на организм человека окислы азота приблизительно в десять раз опаснее окиси углерода.

Окислы азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа и рта. Кроме того, окислы азота участвуют в процессах, ведущих к образованию смога. Обычно для удобства сравнения содержаний окислов азота оба газа принято рассматривать в сумме с пересчетом на N2O5 по количеству атомов азота.

Альдегиды присутствуют в отработавших газах в основном в виде формальдегида и акролеина. Формальдегид в обычных условиях представляет собой газ с резким неприятным запахом. При охлаждении конденсируется в жидкость, кипящую при минус 210С, раздражающе действует па все слизистые оболочки и поражает центральную нервную систему. Как острое, так и хроническое отравление газообразным формальдегидом вызывает воспаление органов дыхания. При концентрации формальдегида в атмосфере 0,007% наблюдается легкое раздражение дыхательных путей и слизистых оболочек глаз и носа, а при концентрации 0,18% уже сильное раздражение. Формальдегид обнаруживается по резкому запаху при его содержании в воздухе 0,0002 мг/л.

Акролеин - газ (при температурах ниже 52,50С - жидкость) с острым раздражающим запахом подгоревших жиров и масел. Очень ядовит. Пары его тяжелее воздуха. Сильно раздражает слизистые оболочки и обладает общим токсичным действием. Содержание в атмосфере 0,002% акролеина непереносимо, 0,0005%-трудно переносимо, 0,00008 - для человека не опасно.

Углекислый газ, это газ без цвета и запаха. Он тяжелее воздуха и скапливается в пониженных местах. Повышенное присутствие в атмосфере углекислого газа вызывает у человека учащенное дыхание. Только при содержании углекислого газа 20-25% по объему опасно для жизни. Там, где скопление таких больших местных концентраций углекислого газа в атмосфере маловероятно (открытые объемы), Углекислый газ не следует относить к категории токсичных.

Сернистый газ и сероводород оказывают сильное раздражающее действие на слизистые оболочки глаз и органов обоняния, губят растения и участвуют в образовании смога.

Углеводороды. Помимо того, что сами углеводороды токсичны, они под воздействием солнечного света дополнительно вступают в реакции с окислами азота, образуя озон и перекиси. Последние вызывают раздражение глаз, горла, носа, губят растения.

Канцерогенные вещества. К числу канцерогенных веществ в отработавших газах следует отнести бензопирен и ряд других.

Исследования показывают, что для возникновения злокачественной опухоли необходим непосредственный контакт канцерогенного вещества с живой тканью, причем опухоль появляется, как правило, на месте этого контакта.

Непосредственный контакт практически может быть получен смазыванием канцерогеном отдельных участков организма или внутренней его инъекцией. Поэтому долгое время считалось, что вдыхание канцерогенных веществ не вызывает рака легких. Однако позднее было установлено, что в случае попадания в легкие канцерогенных веществ, осевших на пылевидных частицах, они получают возможность задерживаться в организме и соприкасаться с его тканью. В отработавших газах переносчиками канцерогенных веществ могут являться частицы сажи. Попадая в организм человека, канцероген не выводится из него до конца человеческой жизни. Накопление его до опасных концентраций идет постепенно. Это одна из причин того, что несмотря на общее повышение жизненного уровня всего человечества, продление среднего срока жизни люден, бурное развитие промышленности и автомобильного транспорта в частности, привело к увеличению удельного веса смертности от рака легких. В Англии, например, за период 1900-1952 гг. смертность от рака возросла в 43 раза. На содержание канцерогенных веществ в воздухе нет и не должно быть санитарных норм. Этих веществ вообще не должно быть в воздухе, поэтому обязательно следует говорить об ограничении их выброса.

Сажа, как и любая мелкая пыль, засоряет дыхательные пути, раздражает их и может явиться причиной хронических заболевании носоглотки. Попадая в Легкие, она вызывает и легочные заболевания. Но главная опасность сажи заключается в том, что она может являться переносчиком канцерогенных веществ.

Соединения свинца, присутствующие в отработавших газах, в случае применения жидкости с ТЭС являются ядами, поражающими все органы и ткани организма. Особенно вредно они влияют па детский организм. Даже при малом отравлении происходит отставание в физическом развитии, росте и увеличении веса, появляются нервные заболевания, снижается количество гемоглобина и эритроцитов в крови.

Опасность отравления соединениями свинца усугубляется тем, что с течением времени свинец не улетучивается из организма, а так же, как и канцерогенные вещества накапливается в нем до опасных концентрации. Попадать в организм соединения свинца могут как через органы дыхания, так и через кожу. В силу этого в ряде городов СССР запрещено применение этилированного бензина.