Выхлопные газы

Значительным источником токсичных выбросов является двигатель современного автомобиля. Конкретная концентрация токсичных выбросов определяется газоанализаторами (для бензиновых двигателей) и дымомерами (для дизельных автомобилей).

Чтобы оценить состав выхлопных газов, необходимо иметь в виду основные характеристики каждого из видов газов, а также роль катализаторов дожига, установленных в транспортных средствах.

Оксид углерода (СО, угарный газ). Прозрачный, не имеющий запаха ядовитый газ, немного легчче воздуха, плохо растворим в воде. В камере сгорания двигателя СО образуется при неудовлетворительном распылении 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 СО продолжается и в выпускном трубопроводе. Необходимо отметить, что при эксплуатации дизелей концентрация СО в выхлопных газах невелика (примерно 0,1 — 0,2 %), поэтому, как правило, концентрацию СО определяют для бензиновых двигателей.

Оксиды азота (NO, NO2, N2O, N2O3, N2O5, далее — 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 при высоких температурах азот активно вступает в реакцию с кислородом. В выхлопных газах двигателей более 90 % всего количества NOx составляет оксид азота NO, который еще в системе выпуска, а затем 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. 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.к. 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 СН. Наличие СН в отработавших газах объясняется тем, что смесь в камере сгорания является неоднородной, поэтому у стенок, в переобогащенных зонах, происходит гашение пламени и обрыв цепных реакций. Неполностью сгоревшие СН, выбрасываемые с выхлопными газами, и представляющие собой смесь нескольких сотен химических соединений, имеют неприятный запах. СН являются причиной многих хронических заболеваний. Содержание СН 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 следствие, возникают его частые пропуски. Выделение СН вызывается неполным сгоранием вблизи холодных стенок, если до конца сгорания остаются места с сильным локальным недостатком воздуха, недостаточным распыливанием топлива, при неудовлетворительном завихрении воздушного заряда и низких температурах (например, режим холостого хода). Углеводородные соединения оказывают наркотическое действие на центральную нервную систему, могут являться причиной хронических заболеваний, а некоторые ароматические СН обладают отравляющими свойствами. Углеводороды (олефины) и оксиды азота при определенных метеорологических условиях активно способствуют образованию смога.

Оксиды серы (SOx). Влияют на здоровье человека, растительный и животный мир, разрушают различные материалы. Сернистый газ неядовит, но в соединении с другими загрязнениями и влагой раздражает глаза, нос, горло, вредно влияет на легкие. Сернистый газ образует сернистую кислоту и далее серную, обладающую высокой коррозионной агрессивностью. Диоксиды серы и азота являются причиной выпадания так называемых кислотных дождей. Выпадение кислотных дождей приводит к гибели лесов, повышению кислотности почвы и может отрицательно влиять на урожайность сельскохозяйственных культур.

О2 — остаточный кислород. Количество остаточного кислорода в процессе сгорания топлива и возрастающий его объем свидетельствуют о том, что двигатель функционирует на бедной смеси или деятельность катализатора слаба. Кислород не является ни загрязняющим, ни отравляющим газом, в двигателях, снабженных катализаторами, его объем не должен превышать 0,2 % от состава выхлопных газов.

Примерный состав отработавших газов в различных типах двигателей представлен ниже в таблице и на рисунке.