1.3. Состав отработавших газов

Количество различных химических соединений, присутствующих в выбросах автомобилей, составляет около 200 наименований, в них входят очень опасные для здоровья человека и окружающей среды соединения. В настоящее время при сгорании в двигателе автомобиля 1 кг бензина почти безвозвратно расходуется более 3 кг атмосферного кислорода. Один легковой автомобиль ежечасно выбрасывает в атмосферу около 60 см³ отработавших газов, а грузовой – 120 см³ (Дробот и др., 1979).

Точно определить количество вредных выбросов в атмосферу двигателями практически невозможно. Величина выбросов вредных веществ зависит от многих факторов, таких, например как: конструктивные параметры, процессы подготовки и сгорания смеси, режим работы двигателя, его техническое состояние и другие. Однако на основании данных о среднем статистическом составе смеси для отдельных видов двигателей и соответствующих им величин выбросов токсичных веществ на 1 кг израсходованного топлива, зная расход отдельных видов топлива, можно определить суммарную эмиссию.

Ю.Г. Фельдман (1975) и Е.И. Павлова (2000) отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания объединили в группы по химическому составу и свойствам, а также по характеру воздействия на организм человека.

Первая группа. В нее входят нетоксичные вещества: азот, кислород, водяной пар, и другие естественные компоненты атмосферного воздуха.

Вторая группа. К этой группе относятся только одно вещество – оксид углерода, или угарный газ (СО). Окись углерода образуется в цилиндре двигателя в качестве промежуточного продукта превращения и разложения альдегидов. Недостаток кислорода является основной причиной повышенных выбросов окиси углерода.

Третья группа. В ее составе оксиды азота, главным образом NO – оксид азота и NO₃ – диоксид азота. Окислы азота образуются в результате обратимой термической реакции окисления азота воздуха под действием высокой температуры и давления в цилиндрах двигателя. Из общего количества окислов азота в выхлопных газах бензиновых двигателей содержится 98 – 99% окиси азота и только 1- 2% диоксида азота, в выхлопных газах дизелей – примерно 90% и 10% соответственно.

Четвертая группа. В эту наиболее многочисленную по составу группу входят различные углеводороды, то есть соединения типа С_х Н_у. В отработавших газах содержится углеводороды различных гомологических рядов: алканы, алкены, алкадиены, цикланы, а также ароматические соединения. Механизм образования этих продуктов можно свести к следующим стадиям. В первой стадии сложные углеводороды, из которых состоит топливо, под действием термических процессов разлагаются на ряд простых углеводородов и свободных радикалов. Во второй стадии в условиях недостатка кислорода атомы отщепляются от образовавшихся продуктов. Полученные соединения объединяются между собой во все более сложные циклические, а затем в полициклические структуры. Таким образом, на данном этапе возникает ряд полициклических ароматических углеводородов, в том числе бенз(а)пирен.

Пятая группа. Ее составляют альдегиды – органические соединения, содержащую альдегидную группу, связанную с углеводородным радикалом. И.Л. Варшавский (1968), Ю.Г. Фельдман (1975), Ю.Якубовский (1979), Ю.Ф. Гутаревич (1989), Е.И. Павлова (2000), установили, что из суммы альдегидов в выхлопных газах содержится 60% формальдегида, 32% алифатических альдегидов и 3% ароматических альдегидов (акролеин, уксусный альдегид, ацетальдегид и др.). Наибольшее количество альдегидов образуется на режимах холостого хода и малых нагрузках, когда температуры сгорания в двигателе невысокие.

Шестая группа. В нее входят сажа и другие дисперсные частицы (продукты износа двигателей, аэрозоли, масла, нагар и др.). Ю.Г. Фельдман (1975), Ю. Якубовский (1979), Е.И. Павлова (2000), отмечают, что сажа является продуктом крегинга и неполного сгорания топлива, содержит большое количество адсорбированных углеводородов (в частности бенз(а)пирен, поэтому сажа опасна как активный переносчик канцерогенных веществ.

Седьмая группа. Представляет собой сернистые соединения – такие неорганические газы как, сернистый андегрид, которые появляются в составе ОГ двигателей, если используется топливо с повышенным содержанием серы. Значительно больше серы присутствует в дизельных топливах по сравнению с другими видами топлив, используемых на транспорте (Варшавский 1968; Павлова, 2000). Наличие серы усиливает токсичность отработавших газов дизелей и является причиной появления в них вредных сернистых соединений.

Восьмая группа. Компоненты этой группы – свинец и его соединения – встречаются в отработавших газах карбюраторных автомобилей только при использовании этилированного бензина, имеющего в своем составе присадку, повышающее опасное октановое число. В состав этиловой жидкости входит антидетонатор – тетраэтилсвинец Pb(С₂Н₅)₄. при сгорании этилированного бензина выноситель способствует удалению свинца и его оксидов из камеры сгорания, превращая их в парообразное состояние. Они вместе с отработавшими газами выбрасываются в окружающее пространство и оседают вблизи дороги (Павлова, 2000).

Под воздействием диффузии вредные вещества распространяются в атмосферу, вступают в процессы физико-химического воздействия между собой и с компонентами атмосферы (Луканин, 2001).

Все загрязняющие вещества делятся по степени опасности:

1 – чрезвычайноопасные (тетраэтилсвинец, ртуть)

2 – высокоопасные (марганец, медь, серная кислота, хлор)

3 – умеренноопасные (ксилол, метиловый спирт)

4 – малоопасные (аммиак, бензин топливный, керосин, оксид углерода и др) (Валова, 2001).

К наиболее токсичным по отношению к живым организмам относятся угарный газ, окислы азота, углеводороды, альдегиды, диоксиды серы и тяжелые металлы.