Вредные вещества выбрасываемые при работе двигателя

Вредные вещества выбрасываемые при работе двигателя

По имеющимся данным эксплуатируемый на территории России транспорт сжигает примерно 110…115 млн т топлива и 12…15 млн т смазочного масла.
При этом в атмосферу выбрасывается около 30 млн т вредных веществ, в том числе:

• — 15 млн т окиси углерода,
• — 12 млн т окислов азота,
• — 2 млн т углеводородов,
• — 1 млн т сажи.

На долю судов речного флота приходится 0,8 млн т выбросов в атмосферу при потреблении 6,9 млн т топлива

Несмотря на то, что доля речных судов в выбросах всего транспортного комплекса составляет всего 2,7 %, решением проблемы предотвращения загрязнения атмосферного воздуха от судовых двигателей внутреннего сгорания на речном транспорте занимаются уже давно.

Были созданы и внедрены устройства для приготовления водотопливной эмульсии, разработана и апробирована методика прямого впрыскивания воды в цилиндры двигателя, что существенно снизило количество вредных веществ в отработавших газах. Однако указанные способы снижения вредных выбросов оказались малопригодными для дизелей, работающих на маневровых режимах (швартовка, отход от причала, пуск и прогрев двигателя), из-за опасности попадания воды в масло двигателя. Поэтому мероприятиям, направленным на снижение загрязнения атмосферного воздуха судами, работающими на этих режимах, уделяется особенное внимание. Тем более, что маневровые режимы выполняются на акваториях портов, расположенных в черте населенных пунктов.

Известно, что к основным компонентам вредных выбросов отработавших газов (ОГ) судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) относятся оксиды азота (NOx), диоксид углерода (СО2), угарный газ (СО), диоксид серы (SO2), углеводороды (НС) и твердые сажистые частицы (S).

Практика показала, что наиболее токсичными компонентами ОГ являются оксиды азота. Известно, что их концентрация в ОГ дизеля зависит от конструкции камеры сгорания: низкооборотные двигатели вырабатывают больше NОх, чем среднеоборотные или высокооборотные двигатели. Поэтому допустимое количество NOx для малооборотных дизелей составляет 20 г/кВт·ч, а для среднеоборотных — 10 г/кВт·ч.

До 2000 г. вредные выбросы оксидов углерода и окислов азота дизелей нормировались в соответствии с ГОСТ 24585-81 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения». Дымность ОГ определялась и нормировалась в соответствии с ГОСТ 2402В-80 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерения». Однако требования этих государственных стандартов распространялись только на заводские стендовые испытания дизелей и не применялись для дизелей в эксплуатации.

С 1 января 2000 г. введен в действие новый государственный стандарт ГОСТ Р 51249-99 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения», требования которого допускается распространять на дизели в условиях эксплуатации, в том числе и после капитального ремонта.

Исходя из этого, а также с учетом положений нового Закона «Об охране атмосферного воздуха» № 96-Ф3 от 04.05.99 г. и принятого в сентябре 1997 г. Приложения VI «Правила предотвращения загрязнения воздушной среды с судов» к Международной Конвенции МАРПОЛ 73/78 на речном транспорте продолжены и расширены поисковые работы по созданию эффективных средств для снижения загрязнения атмосферного воздуха. Кроме того, Комитет по внутреннему транспорту Европейской экономической комиссии ООН, в работе которого принимают участие представители Минтранса РФ и Российского Речного Регистра, также рассматривает на своих сессиях проблему предотвращения загрязнения атмосферного воздуха. При этом отмечается экологическое преимущество судов по выбросам углеводородной группы по сравнению с поездами и грузовиками. Одновременно отмечено, что количество выбросов оксидов азота и несгоревших углеводородов напрямую зависит от конструкции двигателя, поэтому судовладельцы не могут оказать существенного воздействия на уровни этих выбросов. Учитывая тот фактор, что внедрение двигателей более совершенной конструкции потребует определенного времени, предлагается предусмотреть поэтапное принятие новых предписаний, касающихся адаптации двигателей применительно к новым требованиям.

Отечественные надзорные органы на водном транспорте (Регистр) совместно с профильными научно-исследовательскими институтами создают новую редакцию технических требований к оборудованию и устройствам судов по предотвращению загрязнения атмосферы.

В настоящее время все технические мероприятия, направленные на снижение вредных выбросов ОГ дизелей можно подразделить на три группы:

• — совершенствование конструкции дизелей и точная регулировка параметров;
• — применение каталитических нейтрализаторов и других средств очистки ОГ;
• — улучшение состава топлива.

В свою очередь из мероприятий первой группы можно выделить основные наиболее эффективные:

• — изменение угла опережения впрыскивания топлива (его уменьшение приводит к снижению NOx, но влечет за собой увеличение удельного расхода топлива. Так, 10-процентное снижение уровня NOx вызовет дополнительно 2-процентное увеличение расхода топлива);
• — управление подачей топлива (для управления началом подачи топлива с целью снижения NOx и концом топливоподачи с целью снижения выбросов сажи перспективно применение электронных топливных систем, которые в настоящее время в отечественном дизелестроении находятся в стадии внедрения);
• — изменение степени сжатия (повышение с 13 до 16);
• — повышение давления впрыскивания топлива (увеличение числа сопловых отверстий распылителя форсунки с одновременным уменьшением их диаметра приводит к более однородному распыливанию топлива и улучшению смесеобразования, в результате чего содержание NOx падает);
• — изменение параметров наддувочного воздуха и коэффициента избытка воздуха (уменьшение температуры наддувочного воздуха с одновременным увеличением давления наддувочного воздуха и коэффициента избытка воздуха приводит к снижению выбросов NOx).

Нейтрализация газов путем удаления токсичных составляющих с помощью химических реакций в нейтрализаторе является эффективным способом решения проблемы комплексной очистки отработавших газов, нашедшим широкое применение на автотранспорте. Однако с помощью нейтрализаторов, применяемых для автомобильных дизелей, нельзя решить проблему комплексной очистки ОГ судовых дизелей, так как находящаяся в дизельном топливе даже в малых количествах сера существенно ухудшает надежность и срок службы нейтрализатора. Поэтому в судовых энергоустановках в настоящее время применяются конструкции нейтрализаторов, где в качестве средства для снижения NOx используется аммиак или мочевина. За рубежом для снижения NOx в судовых установках используются системы с впрыскиванием мочевины. Однако эти системы сложны, дорогостоящи (до 15 % стоимости силовой установки) и крупногабаритны, что затрудняет их размещение в машинных отделениях речных судов. Основным конструкционным материалом нейтрализатора и фильтра-катализатора, предлагаемого для судов речного флота, является блочная сотовая высокопористая и термостойкая керамика. Ее важнейшим достоинством считается не только способность улавливания твердых аэрозольных частиц сажи и тяжелых углеводородов (НС) на фильтре при всех режимах работы двигателя, но и способность регенерации и самооочистки в температурном окне работы катализатора (250…450 °С) без существенного ухудшения газодинамического сопротивления. Стендовые испытания макета нейтрализатора показали,что он позволяет снизить концентрацию NOх на 20…30 %, а СО и легких углеводородов на 40…60 %.

В настоящее время готовятся дополнительные испытания в судовых условиях нейтрализаторов конструкции ЦНИДИ и «Эко-нейтраль». Относительная стоимость этих устройств применительно к наиболее распространенным на речном флоте двигателям 6Ч 15/18 и 6Ч 18/22 составляет соответственно 13 и 7 %. Кроме того, указанным нейтрализаторам свойственна простота конструкции и малые габариты, позволяющие свободно размещать их на речных судах всех типов. Проведенные научно-исследовательские изыскания показали, что из всех способов предотвращения образования вредных веществ в дизелях наиболее универсальным является сжигание топлива в виде водотопливной эмульсии (ВТЭ), причем этот способ хорошо подходит для судовых условий. При работе двигателя на ВТЭ (содержание воды в топливе 15…40 %) в результате улучшения полноты сгорания дымность ОГ снижается в 2…3 раза и на 20…30 % сокращаются выбросы оксидов азота. Однако на холостом ходу и при малых нагрузках дизеля применение ВТЭ создает совокупный отрицательный эффект.

Известно, что все технологии уменьшения NOx связаны с удорожанием стоимости дизелей в изготовлении и некоторым ростом расходов на обслуживание при эксплуатации. По данным научных исследований увеличение стоимости малотоксичной модификации дизеля по сравнению со стоимостью базового дизеля может достигать $10 тыс. Московской государственной академией водного транспорта разрабатываются рекомендации по средствам снижения вредных выбросов с учетом типа судна и основных параметров ДВС, установленных на них.

Учитывая, что по медицинским нормам наибольшими показателями относительной опасности обладают окислы азота (41,1 усл.т/т), сернистый газ (16 усл.т/т) и сажа (41,5 усл.т/т), основные научно-исследовательские работы на речном флоте направлены на снижение выбросов указанных веществ. В частности, для снижения NOx предлагается применение системы частичной рециркуляции ОГ, а для снижения продуктов неполного сгорания топлива — метод каталитической нейтрализации ОГ (фильтр-нейтрализатор). Дооборудование судового двигателя внутреннего сгорания мощностью 100 кВт приводит к его удорожанию на $2 тыс.

Мероприятия, направленные на снижение выбросов в атмосферу судовыми дизелями на речном флоте можно ранжировать в следующем порядке:

1. Использование трехкомпонентного каталитического нейтрализатора на двигателях, работающих на дизельном топливе (снижение оксидов азота).
2. Применение водотопливной эмульсии в дизелях, работающих на тяжелом топливе (снижение выбросов продуктов неполного сгорания — оксидов азота).
3. Десятипроцентная рециркуляция выпускного газа (снижение выбросов оксидов азота приблизительно на 30 % без существенного изменения расхода топлива, но с некоторым возрастанием дымности).
4. Уменьшение угла опережения подачи топлива (снижение оксидов азота до 10…30 % при незначительном увеличении дымности на 2…5 % и ухудшении экономичности на 4…5 %). Данный способ может быть рекомендован только для судов, работающих в густонаселенных пунктах.
5. Переход на природный газ (снижение выбросов сажистых частиц в два раза). Применение природного газа совместно с рециркуляцией и использованием нейтрализатора приводит к снижению выбросов оксидов азота примерно в 10 раз и сажистых частиц в 2 раза.
6. Установка временного ограничителя хода рейки топливного насоса высокого давления (снижение дымности на переходных режимах: максимальной примерно в 2 раза, суммарной на 40 %).
7. Применение системы частичной рециркуляции (снижение выбросов оксидов азота ОГ) и метода каталитической нейтрализации ОГ фильтром-нейтрализатором (снижение выбросов продуктов неполного сгорания топлива). Это эффективно для двигателей речных судов мощностью 100…200 кВт.
8. Прямой впрыск воды и другие мероприятия, которые могут быть реализованы в основном на этапе проектирования и изготовления двигателя и его систем. Для существующего парка двигателей этот путь неприемлем из-за существенных финансовых затрат и значительного объема работ, связанных с заменой целых агрегатов и систем.

Следует отметить, что в настоящее время не существует комплексной оценки (или критерия) эффективности методов (средств) улучшения экологических показателей судовых дизелей. Представляется целесообразным в комплексной оценке учитывать стоимость самих устройств и величину предотвращенного ущерба, хотя методы оценки последней недостаточно отработаны.

Имеющиеся методики позволяют сделать только относительные оценки эффективности средств снижения выбросов, поэтому дальнейшей задачей научно-исследовательских организаций и надзорных органов является создание системы комплексной оценки предлагаемых методов и средств улучшения экологических показателей судовых дизелей при их эксплуатации.

Пять систем, которые снижают ресурс двигателя автомобиля

Не секрет, что новые моторы разрабатываются исходя из требований экономичности и экологичности, а потребительские характеристики при этом уходят на дальний план. В итоге снижается надежность и ресурс двигателя.

При выборе автомобиля стоит учитывать эту тенденцию. Есть список характеристик, которые неизбежно сокращают ресурс двигателя.

Первый пункт — это снижение объема камер сгорания. Это уменьшает выброс вредных веществ в атмосферу. При этом обозначенная мощность мотора обеспечивается за счет увеличенной степени сжатия, которая позволяет улучшить скорость сгорания.

Степень сжатия ограничена топливными характеристиками и материалами, из которых сделаны механизмы поршневой группы. Если степень сжатия увеличивается на треть, то воздействие на поршень и подвижные части вырастает в два раза. С этой точки зрения в легковых авто оптимальными потребительскими свойствами обладают 1,6-литровые 4-цилиндровые двигатели, пишет aif.ru.

Второй пункт — применение поршней с короткой юбкой. Логика производителя следующая. Чем меньше поршень, тем он легче. И благодаря этому он обеспечивает большую отдачу и эффективность. Сокращение юбки поршня в сочетании уменьшением плеча шатуна влечет за собой рост нагрузки на стенки цилиндров. На высоких оборотах такой поршень иногда пробивает масляную пленку и соприкасается с металлом цилиндров. Что, конечно, не продляет службу поршневой группы.

Третьим в списке идет использование турбонаддува на малообъемных моторах. Чаще всего встречается турбонаддув, работающий на энергии выхлопных газов для вращения центростремительной турбины. Температура в ней достигает 1000 градусов. Чем больше литровая мощность мотора — тем сильнее износ. Чаще всего турбоагрегат ломается на пороге 100 тысяч километров. Турбина может быстро вывести из строя поршневую часть, поскольку турбокомпрессор возьмет весь запас моторного масла.

Четвертый пункт — отсутствие прогрева двигателя при минусовых температурах. Действительно, современные моторы могут начинать работу без прогрева благодаря новейшим системам впрыска. При понижении температуры нагрузка на детали резко возрастает: двигателю нужно прокачать масло и прогреться хотя бы минут пять. Но из-за экологических требований производители опускают эту рекомендацию. А срок службы шатунно-поршневой группы сокращается.

Пятой в списке стоит система «старт/стоп». Ее придумали немецкие автопроизводители для отсечения режима холостого хода, при котором в атмосферу выбрасывается немало вредных веществ. Как только скорость автомобиля падает до нуля, система отключает двигатель. Проблема в том, что каждый мотор рассчитан на определенное число пусков. Без этой системы за 20 лет двигатель запустится, в среднем, 100 тысяч раз. С ней — около 10 миллионов. Чем больше пусков — тем сильнее происходит выработка трущихся частей.

Аналитики FinExpertiza назвали регионы с самым грязным воздухом

26 Августа 2020

В 2019 году российские предприятия и транспорт выбросили в атмосферу 22,7 млн тонн загрязняющих веществ — выяснила аналитическая служба международной аудиторско-консалтинговой сети FinExpertiza. По своей массе атмосферные загрязнения сопоставимы с половиной произведенного за год в стране бензина. На среднего жителя России пришлось около 155 кг вредных выбросов в год, эта цифра колеблется от 23 кг до 1,6 тонн в зависимости от региона. Около трех четвертей всех выбросов генерируют предприятия, одну четверть отравляющих воздух веществ производят автомобили.

По абсолютным показателям выбросов в атмосферу в ТОП-10 регионов вошли индустриально развитый Красноярский край (2,6 млн тонн в год), где среди отраслей превалирует обрабатывающее металлургическое производство, а также угледобывающая Кемеровская область (1,8 млн тонн) и нефтегазовый Ханты-Мансийский автономный округ (1,3 млн тонн). В числе лидеров по загрязнениям также Свердловская область (1 млн тонн), Ямало-Ненецкий автономный округ (787,4 тыс. тонн), Иркутская область (714,7 тыс. тонн), Башкортостан (599,4 тыс. тонн), Челябинская область (594,9 тыс. тонн), Оренбургская область (551,4 тыс. тонн) и Краснодарский край (495,3 тыс. тонн).

В Москве за минувший год было зафиксировано 410,3 тыс. тонн вредных выбросов в атмосферу (16-е место среди регионов), в Санкт-Петербурге в 2 раза меньше — 202 тыс. тонн (35-е место).

Наиболее благополучная ситуация наблюдается в Севастополе и Тыве, где за 2019 год было произведено меньше всего выбросов (по 11,2 тыс. тонн), а также в Алтайском крае (13,4 тыс. тонн), Калмыкии (18,1 тыс. тонн), Чукотке (19,2 тыс. тонн), Еврейской автономной области (21,3 тыс. тонн), Адыгее (21,6 тыс. тонн), Кабардино-Балкарии (24,1 тыс. тонн), Карачаево-Черкесии (26,5 тыс. тонн) и Северной Осетии (31,4 тыс. тонн).

Выбросы загрязняющих атмосферу веществ в 2019 г., тыс. тонн

Сколько вредных веществ на россиянина?

Рассматривая объем выбросов на одного жителя, следует отметить, что подобный пересчет не говорит о концентрации вредных веществ в воздухе, а является условным показателем, который дает приблизительное понимание, сколько мог бы вдохнуть в течение года средний житель региона, если бы все выбросы были разделены поровну на все население данной территории. Естественно, что чем меньше жителей в регионе, тем выше итоговый показатель. Очевидно также, что атмосферные загрязнения не распределяются равномерно по территории региона, а обнаруживают наивысшую концентрацию в непосредственной близости от промышленных объектов и автомагистралей.

Среди регионов больше всего вредных веществ в воздухе в пересчете на одного жителя фиксируется в Ненецком автономном округе (1,6 тонн выбросов на человека), что объясняется прежде всего небольшой численностью населения. Далее следуют Ямало-Ненецкий автономный округ (1,4 тонн на человека), Красноярский край (915 кг/чел.) и Ханты-Мансийский автономный округ (802 кг/чел.) — все эти субъекты входят также в пятерку по абсолютному количеству выбросов. Кроме того, в десятку регионов по самому высокому количеству вредных веществ на человека вошли Магаданская область (713 кг/чел.), Кемеровская область (689 кг/чел.), Коми (550 кг/чел.), Вологодская область (391 кг/чел.), Чукотский АО (381 кг/чел.) и Мурманская область (342 кг/чел.).

Наименьшее соотношение выбросов и количества людей фиксируется в Дагестане (23 кг выбросов на человека в год), Севастополе (25 кг/чел.), Кабардино-Балкарии (28 кг/чел.), Москве (32 кг/чел.), Тыве (34 кг/чел.), Санкт-Петербурге (37 кг/чел.), Пензенской области (40 кг/чел.), Крыму (41 кг/чел.), Чувашии (43 кг/чел.) и Северной Осетии (45 кг/чел.). Средний показатель по России составил 155 кг/чел.

Выбросы загрязняющих атмосферу веществ в 2019 г., кг/чел.

Сколько вредных веществ с учетом территории?

Масштабность выбросов можно также представить, сопоставив их объем с площадью каждого из регионов. В этом случае меньше всего повезло двум столицам: годовой показатель по Москве — 160,2 тонн на один квадратный километр, по Санкт-Петербургу — 140,3 тонн. Далее следуют Кемеровская область (19,1 т/км2), Липецкая область (14,6 т/км2), Севастополь (12,5 т/км2), Московская область (9,3 т/км2), Ингушетия (8,9 т/км2), Белгородская область (7,4 т/км2), Чечня (7,2 т/км2) и Тульская область (7,1 т/км2).

Меньше всего выбросов на квадратный километр в год на Чукотке, в Тыве, Якутии, Камчатском крае и Алтае — не более 144 кг/км2, в Хабаровском крае, Магаданской области, Калмыкии (по 200 кг/км2), в Забайкальском крае (300 кг/км2) и Бурятии (400 кг/км2). В среднем по России на 1 кв. км приходится 1,3 тонны выбросов в год.

Выбросы загрязняющих атмосферу веществ в 2019 г., т/км2

«Регионами с самым грязным воздухом оказались прежде всего индустриальные территории, где развиты металлургия, энергетика, добыча полезных ископаемых. Автотранспорт обеспечивает около четверти всех выбросов, но при этом именно автомобильные выхлопы практически ежедневно в буквальном смысле вдыхают жители всех российских городов.

С одной стороны, вредные выбросы в некоторой степени являются индикаторами развития территории — указывают на степень индустриализации и количества автомобилей. Однако по мере глобального экономического роста эта корреляция ослабевает. И в первую очередь именно развитые страны, достигнувшие определенного уровня благосостояния, начинают сокращать негативное воздействие на окружающую среду. Напротив, бедные страны во главу угла ставят сугубо промышленные показатели без оглядки на природу, поскольку экологические вопросы рассматриваются по остаточному принципу.

Например, в США, крупнейшей экономике мира и третьей стране по размеру населения, всеми источниками, в том числе автомобильным транспортом, генерируется 45 млн тонн угарного газа, что примерно в два раза превышает аналогичные выбросы на территории Европы. При этом и США, и ЕС с каждым годом сокращают выбросы монооксида углерода, в то время как их экономики растут. Германия, ведущая европейская экономика, в воздух выбрасывает 2,8 млн тонн угарного газа. Российская экономика, сопоставимая с немецкой по паритету покупательной способности, генерирует в три раза больше угарного газа — 8,6 млн т.

Наша страна находится в начале «пути очищения». Россия лишь недавно начала официально декларировать важность экологичного производства. Вероятно, что интенсивность работы в этом направлении также будет во многом зависеть от динамики экономических показателей страны», — комментирует президент FinExpertiza Елена Трубникова.

Сколько выбрасывает промышленность?

Из 22,7 млн тонн загрязняющих веществ, выброшенных в атмосферу за 2019 год, 17,3 млн (76%) исходило из стационарных источников — это выбросы предприятий. 5,4 млн тонн (24%) пришлось на передвижные источники: авто- и железнодорожный транспорт (авиационный и водный транспорт не учитываются).

За последние 20 лет выбросы загрязняющих веществ в атмосферу со стороны предприятий сократились на 8%. Фактически динамика была более позитивной, если учитывать произошедший за это время рост производственных мощностей. Последние шесть лет выбросы держались примерно на одном и том же уровне.

Выбросы предприятий по годам, млн тонн

Выбросы предприятий учитываются как от организованных, так и от неорганизованных источников. К организованным источникам относятся специальные устройства: трубы, аэрационные фонари, вентиляционные шахты и другие приспособления, посредством которых осуществляется выброс загрязняющих веществ в атмосферу. К неорганизованным источникам относятся горящие (пылящие) терриконы и отвалы, резервуары — то есть источники, загрязняющие вещества от которых поступают в атмосферный воздух в результате негерметичности технологического оборудования, газоотводов и т.д. Загрязняющие вещества, поступившие в атмосферу в результате аварий на трубопроводах, также учитываются в составе показателя.

Отрасли-загрязнители

86% всех выбросов российских предприятий приходится всего на 10 сфер деятельности. Среди сильнее всего загрязняющих атмосферу отраслей — металлургическое производство (3,7 млн тонн в выбросов год, или 21% от общих выбросов предприятий), на втором месте — энергетика (обеспечение электрической энергией, газом и паром, кондиционирование воздуха; 3 млн тонн, или 17%), на третьем — добыча нефти и газа (2,4 млн тонн, или 14%).

Далее следуют транспортные предприятия и трубопроводы (1,7 млн тонн, или 10%), добыча угля (1,3 млн тонн, или 8%), производство кокса и нефтепродуктов (721,6 тыс. тонн, или 4,2%), предоставление услуг в области добычи полезных ископаемых (речь идет о разработке месторождений; 622 тыс. тонн, или 3,6%), мусорная отрасль (557,8 тыс. тонн, или 3,2%), добыча металлических руд (491,6 тыс. тонн, или 2,8%), производство прочей неметаллической минеральной продукции (речь идет о стекле, огнеупорных изделиях, бетоне; 382,4 тыс. тонн, или 2,2%).

Распределение выбросов по сферам деятельности, 2019 г., млн тонн

Сколько выбрасывает транспорт?

В структуре транспортных выбросов на автотранспорт приходится около 97%, а на железнодорожный транспорт лишь 3%.

Объем загрязняющих атмосферу выбросов со стороны транспорта зависит прежде всего от количества автомобилей. Если в среднем по России на транспорт приходится почти четверть от всех выбросов, то в зависимости от региона эта доля может колебаться от 3-4%, как, например, в Ямало-Ненецком автономном округе с развитой нефтегазовой промышленностью, или в центре российской угледобычи Кемеровской области — регионах, где доминируют индустриальные загрязнения, до более чем 80% в относительно неиндустриализованных Кабардино-Балкарии, Чечне, Дагестане или автомобилизированной Москве.

Доля транспорта в общем объеме выбросов в 2019 году по регионам

До 2019 года выбросы от транспорта из года в год оставались достаточно стабильными и на протяжении двадцатилетнего периода статистических наблюдений колебались в диапазоне 12,8-15,4 млн тонн. Однако с 2019 года Росприроднадзор изменил методику подсчета автомобильных выхлопов, в результате годовое количество выбросов стало оцениваться уже в 5,4 млн тонн. Новая методология, в отличие от старого усредненного подхода, учитывает такие факторы, как категория автотранспортного средства, экологический класс топлива, тип двигателя, а также характеристику дороги, по которой движется автомобиль (это могут быть дороги в крупных и малых городах либо в сельской местности). Уточнение методики коснулось только автотранспорта, выбросы железнодорожного транспорта считаются согласно прежней методологии.

Выбросы транспорта по годам, млн тонн

Состав грязного воздуха

Основная часть (37,8%) загрязняющих атмосферу выбросов приходится на монооксид углерода, или угарный газ. Это крайне токсичное соединение без вкуса и запаха, образующееся при сгорании топлива. Второе самое распространенное вещество в «грязном воздухе» — диоксид серы (16,3%), за ним следуют метан (17,5%), оксид азота (12,6%), летучие органические соединения (ЛОС, 7,5%; сюда относят этилен, бензол, ксилол, толуол, ацетон, бензин, керосин и др.). Наконец, 7,3% приходится на твердые вещества — в воздух выбрасываются оксиды железа, марганца, никеля, хрома, а также свинцовые соединения, мазутная зола, пыль, сажа и другие вещества. Менее 1% вредных выбросов приходится на прочие газообразные и жидкие вещества.

Структура вредных выбросов в атмосферу, 2019 г.

Все эти вещества имеют разный уровень опасности — от сравнительно безопасных до очень опасных. Например, монооксид углерода и метан относятся к 4-му, малоопасному классу, а диоксид серы и оксид азота причисляют к более опасному 3-му классу. При этом отнесение вещества к последнему классу опасности не означает, что данное соединение безвредно — все зависит от концентрации: повышенное содержание соответствующего вещества способно привести к смерти организма.

Сборные категории, такие как твердые вещества, летучие органические соединения и прочие газообразные и жидкие вещества, содержат полный спектр веществ различной степени опасности. Например, толуол, пыль, сажа относятся к 3-му классу. Такие вещества как сероводород, сероуглерод, серная кислота, фенол, твердые фториды, фторид водорода, формальдегид относятся ко 2-му классу. К 1-му, самому опасному классу, относятся бензапирен, соединения свинца, ртути, кадмия, хрома.

Также вредные вещества подразделяются по эффекту воздействия на живой организм. При этом некоторые вещества относятся сразу к нескольким классам:

Общетоксические — вещества, вызывающие отравление организма в целом. При их воздействии наблюдаются судороги, расстройства нервной системы, паралич. Например, это мышьяк, бензол, свинец, ртуть, монооксид углерода.

Раздражающие — вещества, поражающие кожу, слизистую оболочку дыхательных путей, легких, глаз, носоглотки. Длительное воздействие приводит к нарушениям дыхания, интоксикации и летальному исходу (ацетон, аммиак, хлор, оксиды азота).

Сенсибилизаторы — химикаты, вызывающие аллергическую реакцию (формальдегид, гексахлоран, пыль).

Канцерогены — одна из самых опасных групп веществ, провоцирующая возникновение онкологических заболеваний (бензапирен, асбест, бериллий).

Мутагены — вещества, изменяющие генотип человека. Они снижают сопротивляемость организма к заболеваниям, вызывают раннее старение и могут сказаться на здоровье потомства (бензапирен, свинец, ртуть, марганец).

Влияющие на репродуктивное здоровье — вещества, вызывающие отклонения в развитии у потомства, необязательно в первом поколении (аммиак, борная кислота).

Выхлопные газы, их состав и действие на организм человека

Выхлопные газы — основной источник токсичных веществ двухтактного и четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, которые загрязняют нашу окружающую среду. Наиболее остро это ощущается в крупных городах. Отработавшие газы — это неоднородная смесь различных газообразных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха, аэрозолей и различных микропримесей (как газообразных, так и в виде жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателей в его выпускную систему. В своем составе они содержат около 300 различных веществ, большинство из которых — токсичны.

Основными нормируемыми токсичными компонентами выхлопных газов двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводорода. Кроме того, с выхлопными газами в атмосферу поступают предельные и непредельные углеводороды, альдегиды, канцерогенные вещества, сажа и другие компоненты.

Состав выхлопных газов

Компоненты выхлопного газа	Содержание по объему, %		Токсичность
	Двигатель
	бензин	дизель
Азот	74,0 — 77,0	76,0 — 78,0	нет
Кислород	0,3 — 8,0	2,0 — 18,0	нет
Пары воды	3,0 — 5,5	0,5 — 4,0	нет
Диоксид углерода	5,0 — 12,0	1,0 — 10,0	нет
Оксид углерода	0,1 — 10,0	0,01 — 5,0	да
Углеводороды неканцерогенные	0,2 — 3,0	0,009 — 0,5	да
Альдегиды	0 — 0,2	0,001 — 0,009	да
Оксид серы	0 — 0,002	0 — 0,03	да
Сажа, г/м3	0 — 0,04	0,01 — 1,1	да
Бензопирен, мг/м3	0,01 — 0,02	до 0,01	да

При работе двигателя на этилированном бензине в составе выхлопных газов присутствует свинец, а у двигателей, работающих на дизельном топливе — сажа.

Мероприятия по снижению концентрации токсичных веществ в выхлопных газах

В настоящее время Правительства всех стран вводит определенные нормы на концентрацию вредных веществ в выхлопных газах автомобилей. Поэтому производители автомобилей, чтобы попасть на рынок, вынуждены проводить модернизацию систем ДВС с целью снижения уровня токсичных веществ.

Такими системами могут служить каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры, мочевина и многое другое. Так, например, для дизельных двигателей устанавливаются нейтрализаторы выхлопных газов, которые позволяют снизить токсичность на 80%. В системах безниновых двигателй устанавливают антитоксикатор в систему питания, что также позволяет добиться снижения концентрации вредных веществ.

Недоксид или моноксид — он же угарный газ (CO)

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). 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 последующем сгорании после воспламенения (после верхней мертвой точки, на такте расширения) возможно горение оксида углерода при наличии кислорода с образованием диоксида. 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.

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 NOx составляет оксид азота NO, который ещё в системы выпуска, а затем и в атмосфере легко окисляется в диоксид (NO2). 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 NOx проявляется не сразу, а постепенно, причем каких либо нейтрализующих средств нет.

Закись азота (N2O гемиоксид, веселящий газ) газ с приятным запахом, хорошо растворим в воде. Обладает наркотическим действием.

NO2 (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/м3. 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. 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 Не полностью сгоревшие CH, выбрасываемые с выхлопными газами и представляющие собой смесь нескольких сотен химических соединений, имеют неприятный запах. CH являются причиной многих хронических заболеваний. Токсичны также и пары бензина, которые являются углеводородами. Допустимая среднесуточная концентрация паров бензина составляет 1,5 мг/м3. Содержание CH в выхлопных газах возрастает при дросселировании, при работе двигателя на режимах принудительного холостого хода (ПХХ, например, при торможении двигателем). При работе двигателя на указанных режимах ухудшается процесс смесеобразования (перемешивания топливовоздушного заряда), уменьшается скорость сгорания, ухудшается воспламенение и, как результат, — возникают его частые пропуски. Выделение CH вызывается неполным сгоранием вблизи холодных стенок, если до конца сгорания остаются места с сильным локальным недостатком воздуха, недостаточным распыливанием топлива, при неудовлетворительном завихрение воздушного заряда и низких температурах (например, режим холостого хода). Углеводороды образуются в переобогащенных зонах, где ограничен доступ кислорода, а также вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания. Они играют активную роль в образовании биологически активных веществ, вызывающих раздражение глаз, горла, носа и их заболевание, и наносящих ущерб растительному и животному миру.

Углеводородные соединения оказывают наркотическое действие на центральную нервную систему, могут являться причиной хронических заболеваний, а некоторые ароматические CH обладают отравляющими свойствами. Углеводороды (олефины) и оксиды азота при определенных метеорологических условиях активно способствуют образованию смога.

Смог от выхлопных газов.

Смог (Smog, от smoke дым и fog — туман) ядовитый туман, образуемый в нижнем слое атмосферы, загрязненной вредными веществами от промышленных предприятий, выхлопными газами от автотранспорта и теплопроизводящих установок при неблагоприятных погодных условиях. Он представляет собой аэрозоль, состоящую из дыма, тумана, пыли, частичек сажи, капелек жидкости (во влажной атмосфере). Возникает в атмосфере промышленных городов при определенных метеорологических условиях. Поступающие в атмосферу вредные газы вступают в реакцию между собой и образуют новые, в том числе и токсичные соединения. В атмосфере при этом происходят реакции фотосинтеза, окисления, восстановления, полимеризации, конденсации, катализа и т.д. В результате сложных фотохимических процессов, стимулируемых ультрафиолетовой радиацией Солнца, из оксидов азота, углеводородов, альдегидов и других веществ образуются фотооксиданты (окислители).

Низкие концентрации NO2 могут создать большое количество атомарного кислорода, который в свою очередь образует озон и вновь реагирует с веществами, загрязняющими атмосферный воздух. Наличие в атмосфере формальдегида, высших альдегидов и других углеводородных соединений также способствует вместе с озоном образованию новых перекисных соединений. Продукты диссоциации взаимодействуют с олефинами, образуя токсичные гидроперекисные соединения. При их концентрации более 0,2 мг/м3 наступает конденсация водяных паров в виде мельчайших капелек тумана с токсичными свойствами. Их количество зависит от сезона года, времени суток и других факторов. В жаркую сухую погоду смог наблюдается в виде желтой пелены (цвет придает присутствующий в воздухе диоксид азота NO2 капельки желтой жидкости). Смог вызывает раздражение слизистых оболочек, особенно глаз, может вызвать головную боль, отеки, кровоизлияния, осложнения заболеваний дыхательных путей. Ухудшает видимость на дорогах, увеличивая тем самым количество дорожно-транспортных происшествий. Опасность смога для жизни человека велика. Так, например, лондонский смог 1952 г. называют катастрофой, так как за 4 дня от смога погибло около 4 тыс. человек. Наличие в атмосфере хлористых, азотных, сернистых соединений и капелек воды способствует образованию сильных токсичных соединений и паров кислот, что губительно сказывается на растениях, а также сооружениях, особенно на исторических памятниках, сложенных из известняка. Природа смогов различна. Например, в Нью-Йорке образованию смога способствуют реакции фтористых и хлористых соединений с капельками воды; в Лондоне присутствие паров серной и сернистой кислот; в Лос-Анджелесе (калифорнийский или фотохимический смог) наличие в атмосфере оксидов азота, углеводородов; в Японии — присутствие в атмосфере частиц сажи и пыли.