11.1. Характеристика викидів двигунів внутрішнього згорання

Забруднення навколишнього середовища викидами двигунів внутрішнього згорання представляє останніми роками все більшу небезпеку через зростання загрози здоров’ю людини і навколишньому середовищу.

У загальному балансі забруднення атмосфери антропогенними джерелами транспортні засоби є найбільш істотним джерелом, хоча основну частку цих забруднень складають відносно неотруйні оксиди вуглецю.

Сучасний спосіб життя і розвинене виробництво тісно пов’язані з автомобільним транспортом, який набув широкого поширення, маючи ряд переваг: 1) відносно високу швидкість руху по вдосконалених дорогах; 2) хороша прохідність і маневреність; 3) можливість економічного перевезення дрібних партій вантажів; 4) менш високі капітальні вкладення в будівництво автодоріг порівняно із залізничним транспортом. На початку XX ст. на нашій планеті налічувалося 6 тис. автомобілів. До 1998 р. число транспортних засобів з бензиновим двигуном у всьому світі перевищило 1,5 млрд. Протяжність автомобільних доріг з асфальтовим покриттям тільки в Європі і Північній Америці досягла майже 10 млн. км. По ним щорічно перевозиться 16 млрд. т вантажів.

Разом з тим автомобілі є одним з основних джерел забруднення навколишнього середовища, перш за все повітряного басейну, такими токсикантами, як монооксид вуглецю, оксиди азоту, свинець, вуглеводні і ін. Загалом у викидах двигунів внутрішнього згорання (ДВЗ) міститься понад 100 шкідливих речовин, які умовно поділяють на шість груп:

• СО₂, водяна пара, водень, кисень, азот (нетоксичні);

• оксид карбону;

• оксиди нітрогену;

• вуглеводні (в тому числі бенз(а)пірен);

• альдегіди;

• кіптява.

Розвиток і збільшення автомобільного парку породжує зростання забруднення атмосфери. Приблизно 60% забруднення атмосфери припадає на автотранспорт. На інші види транспорту доводиться невелика частина забруднень атмосфери. Так, в 1990 р. викиди автотранспорту по основних забруднювачах в світі склали, млн. т: вуглеводні − 39, монооксиди вуглецю − 231, діоксид вуглецю − 3969, оксиди азоту − 32. До 70% токсичних з’єднань свинцю, що містяться в етилованому бензині, також потрапляють в атмосферу. Токсичними викидами автомобілів, окрім вказаних вище вихлопних газів, є також гази картерів, пари палива з карбюратора і паливного бака.

Автотранспорт істотно забруднює також воду (нафта, мастила, розчинники) і грунт (нафта, нафтопродукти, кольорові метали і гума як наслідок стирання деталей автомашин і покришок). На місці масляних плям протягом 20 років нічого не росте, смуга шириною 50...100 м по обидві сторони від доріг є зоною деградації грунтово-рослинного покриву з надлишком важких металів (10...20 ГДК) і дефіцитом біогенних елементів.

У забрудненні атмосферного повітря великих міст світу частка автомобільного транспорту варіює, %: 88...97 СО, 31...33 NO_x, 63...95 вуглеводнів. Особливо високий вміст оксиду вуглецю в повітрі відмічений на вуличних перехрестях, де двигуни автомобілів працюють на збагачених сумішах перед світлофором. Вихлопні гази і сильні коливання ґрунту від автомобілів прискорюють процес старіння будівель, призводять до деградації придорожньої рослинності.

У районах з вузькими вулицями і високими будинками велика концентрація оксиду вуглецю розсівається поволі і викликає хронічні отруєння людей, що тривалий час знаходяться в цих районах, особливо на перехрестях (регулювальників вуличного руху, вуличних торговців і так далі).

Основні екологічні занепокоєння пов’язані з високою токсичністю вихлопних газів і незадовільними шумовими характеристиками автомобілів. Пробіг в 1000 км для кожного легкового автомобіля супроводжується використанням значної кількості кисню і викидом з вихлопної труби до 40 кг речовин, що забруднюють атмосферу.

Кількісний склад газоподібних викидів ДВЗ залежить передусім від типу двигуна, режиму його роботи та справності. Зношування частин двигунів, як карбюраторних, ежекторних, так і дизельних, призводить до збільшення витрат палива. Це, в свою чергу, призводить до збільшення кількості шкідливих речовин у викидах. Так, при збільшенні витрат пального на 10%, кількість шкідливих речовин у викидах збільшується на 15…50%.

Речовини, які містяться у відпрацьованих газах автомобілів − десятки компонентів, значна частина з яких канцерогенні, що викликають кисневе голодування, порушення функцій центральної нервової системи, роздратування слизистих оболонок очей, носа. Основними забруднювачами транспортних засобів є вуглеводні, оксид вуглецю і оксиди азоту.

Вуглеводні − це широкий клас абсолютно довільних сумішей вуглеводневих сумішей. Вони походять з бензину, дизельного палива і продуктів їх згорання. До складу цих палив входять сотні вуглеводневих сполук. Для спрощення зазвичай з вуглеводнів виділяють якусь певну сполуку і оперують надалі з нею, припускаючи, що останні еквівалентні їй. В якості такої сполуки вибирають зазвичай метан (СН₄), пропан (С₃Н₈) або гексан (С₆Н₁₄).

В інженерній термінології для невідомої суміші оксидів азоту прийнято позначення NO_x. Як правило, у викидах оксидів азоту домінує оксид азоту (NO) з невеликою домішкою (<10%) діоксиду азоту (NO₂). У атмосферних умовах NO перетворюється на NO₂.

Викиди двигунів внутрішнього згорання діляться на викиди від карбюраторних і дизельних двигунів. Такий розподіл пов’язаний з тим, що карбюраторні двигуни (КД) працюють з однорідними паливноповітряними сумішами, тоді як дизельні двигуни (ДД) − з гетерогенними сумішами.

Викиди забруднень від двигунів внутрішнього згорання карбюраторного типу включають вуглеводні, оксиди вуглецю, оксиди азоту і нерегулярні викиди. Забруднення виникають внаслідок реакцій і в процесі горіння в об’ємі і на поверхнях. Прорив газів через поршневі кільця і вихлоп з циліндрів є менш інтенсивним джерелом викидів забруднень.

У 1980 р. 4% легкових і вантажних автомобілів, що випускаються в світі, було оснащено дизелями, а до кінця 80-х років цей показник зріс до 25%. Основні викиди забруднень дизельних двигунів ті ж самі, що і карбюраторних двигунів (вуглеводні, оксид вуглецю, оксиди азоту, нерегулярні викиди), але до них додаються частинки вуглецю (аерозоль сажі).

Вміст шкідливих речовин у викидах автомобілів коливається в широких межах і залежить від багатьох чинників, наприклад, при швидкості 70 км/год у вихлопі автомобіля міститься 0,2...0,3% СО, при швидкості більше 100 км/год і при роботі двигуна на холостому ходу вміст цього небезпечного газу досягає 12%.

Легковий автомобіль викидає оксиду вуглецю СО до 3 м³/год, вантажний, − до 6 м³/год (3...6 кг/год).

Про склад вихлопних газів автомобілів з різними типами двигунів можна судити з даних, приведених в табл. 11.1.

Таблиця 11.1

Склад вихлопних газів автомобілів

Викиди оксиду вуглецю і вуглеводнів у карбюраторних двигунів істотно вищі, ніж у дизельних двигунів.