Устройство автомобилей

Выхлопные газы и человеческий организм

Бурная эволюция машиностроительных отраслей, обусловленная извечной тягой человечества к повышению комфорта собственного бытия и удовлетворения разнообразных нужд, сопровождается и негативными последствиями, в первую очередь – для здоровья людей и окружающей природной среды. Причем не только для ныне живущих, но и для будущих поколений человеческой расы, да и для планеты в целом.

Интенсивное развитие легкой и особенно тяжелой промышленности, а также автотранспорта, приводит к колоссальным выбросам в атмосферу, на почву и водные ресурсы планеты самых разнообразных химических веществ, нарушающих нежный баланс условий существования живой природы. При этом выхлопные газы, являющиеся непременным спутником работающих двигателей внутреннего сгорания, составляют почти 90% от общего объема загрязнений окружающей среды.

Мировой парк автомобилей, дорожно-строительной и сельскохозяйственной техники в настоящее время насчитывает миллионы машин разных типов, назначения и производительности. Львиная доля этой техники оснащена двигателями внутреннего сгорания, и при работе оказывают негативное влияние на окружающий живой мир. Так, один легковой автомобиль, в среднем, способен за день работы выбросить в атмосферу почти килограмм разнообразных токсичных и канцерогенных веществ, которые способны не только оказывать очевидный сиюминутный вред, но и накапливаться в окружающей среде длительный период времени, проявляя негативные последствия через годы и десятилетия. Тяжелые грузовики и автобусы наносят еще более существенный вред, чем легковушки.

Особенно заметно сказывается негативное влияние выхлопных газов автомобилей в крупных мегаполисах и городах, особенно в часы интенсивного движения на улицах и дорогах. И если на заре появления автотранспорта эти негативы казались достаточно безобидными, то в наше время жители мегаполисов начинают задыхаться в буквальном смысле этого слова. Но и это не весь «арсенал» вреда, наносимый выбросами из автомобильных глушителей – многие компоненты отработавших газов способны годами накапливаться в живых тканях и со временем проявлять себя, вызывая онкологию и даже мутацию организма.

Что представляют собой выхлопные газы автомобилей?

Выхлопные газы автомобилей – это сочетание десятков и сотен видов химических соединений, среди которых присутствуют и достаточно безобидные вещества, и относительно вредные, и даже смертельно опасные для живых существ. Все эти вещества образуются в результате химических реакций, протекающих в процессе сгорания автомобильного топлива, либо содержатся в топливе, не успевшем сгореть в цилиндрах двигателя и выброшенном в атмосферу в виде чистых или недоокислившихся нефтепродуктов.
Определенный вред наносят и твердые частички сажи, содержащиеся в продуктах сгорания некоторых видов автомобильного топлива, например, дизельного, а также банальная пыль и прочие твердые частицы, выбрасываемые выпускным трактом системы питания, поскольку они способны не только негативно влиять на дыхание, но и адсорбируют другие вредные компоненты отработавших газов.

Химический и механический состав выхлопных газов

Выхлопные газы могут образоваться в результате сгорания различных видов топлива, при этом в них могут содержаться вредные компоненты, перечисленные ниже.

Оксиды углерода

Чрезвычайно опасен монооксид углерода СО (угарный газ). Менее опасен углекислый газ СО₂, но и он при определенной концентрации в воздухе способен оказывать негативное влияние на организм человека.

Оксиды азота

Наибольшую опасность для человеческого организма представляют диоксид азота NO₂ и монооксид азота NO.

Оксиды серы

Наиболее опасен диоксид серы SО₂ (двуокись серы, сернистый газ, сернистый ангидрид).

Бензопирен

Бензопирен — ароматическое соединение из числа полициклических углеводородов. Способен аккумулироваться в организме и приводить к серьезным заболеваниям, оказывая канцерогенные и мутагенные действия.

Альдегиды

К альдегидам относят класс органических соединений, содержащих альдегидную группу CHO. Эти вещества обладают раздражающим и нейротоксическим действием на живые организмы. Некоторые альдегиды обладают канцерогенными свойствами, т. е. способны вызвать онкологические заболевания.

Ароматические углеводороды

К ароматическим углеводородам относят обширную группу углеродистых соединений (бензол и его гомологи — ксилол, толуол, стирол и др.), способных оказывать разнообразное воздействие на живой организм.

Соединения свинца

Из различных соединений свинца наибольшее токсикологическое значение имеют арсенат, ацетат, хромат, карбонат, хлорид, нитрат и ряд других солей этого металла.

Сажа и взвешенные частицы (пыль)

Эти компоненты выхлопных газов сами по себе не являются токсичными, но они способны вызывать дисфункции дыхательных органов. Кроме того, поверхность этих частиц насыщена другими, более токсичными газообразными компонентами продуктов сгорания топлива, которые адсорбируют в твердые частицы.

Воздействие компонентов выхлопных газов на организм человека

Вследствие содержания в выхлопных газах автомобилей вредных и даже ядовитых веществ, они способны вызывать развитие острых и хронических заболеваний, особенно при постоянном или систематическом действии на организм человека.

Для органов дыхания характерные следующие заболевания:

• аллергические реакции;
• астма;
• бронхит;
• гайморит;
• образование злокачественных опухолей;
• воспаление дыхательных путей;
• эмфизема.

Для сердечнососудистой системы свойственны такие заболевания:

• кислородное голодание;
• нарушения дыхания в виде отдышки;
• головокружения;
• проявления признаков стенокардии;
• инфаркт миокарда;
• повышение вязкости крови, как итог – тромбозы, тромбоэмболии;
• кислородное голодание, так называемая гипоксия тканей.

Для нервных клеток характерно развитие таких нарушений:

• общее недомогание;
• повышенная возбудимость;
• сонливость и стойкое нарушение сна.

Многие химические соединения, входящие в состав выхлопных газов, в особенности тяжелые металлы, характеризуются свойством накапливаться в живых тканях и органах. Это приводит к зашлаковыванию организма с последующим развитием серьезных заболеваний.

Наибольший объем токсинов присутствует в выхлопных газах при пуске холодного двигателя, при работе на холостом ходу или в режиме повышенных нагрузок. В этих случаях система питания подает двигателю обогащенную или даже богатую горючую смесь, в результате происходит неполное сгорание топлива и выброс несгоревших или недоокислившихся компонентов в атмосферу.

По степени действия на человека, составляющие выхлопных газов можно разбить на шесть групп:

К первой группе относятся малотоксичные компоненты отработавших газов. К ним относят азотные соединения, водород, водяной пар, кислород, углекислый газ и прочие составляющие атмосферы. Такие вещества не несут непосредственно вред здоровью человека, однако способствуют возникновению неблагоприятных условий существования людей, так как оказывают действие на состав окружающего воздуха. Негативное воздействие этих веществ на живой организм существенно возрастает с повышением их концентрации в атмосферном воздухе.

Ко второй группе относится оксид углерода (угарный газ), который является чрезвычайно токсичным веществом. Отравиться угарным газом можно, например, при работающем двигателе автомобиля в помещении с плотно прикрытыми воротами или во время ночлега в машине с не заглушенным мотором.
Угарный газ вызывает кислородное голодание и, как результат, нарушение функций всех внутренних систем человеческого организма. Степень интоксикации угарным газом определяется его концентрацией, временем действия и иммунитетом человека, на которого воздействует это вещество.
При легком отравлении учащается сердцебиение, наблюдается пульсация в висках и темнеет в глазах.
Для среднего отравления характерны сонливость и неясное сознание.
Тяжелая степень отравления газом с концентрацией более 1% приводит к потере сознания, а в отдельных случаях, даже к летальному исходу.

К третьей группе относятся окислы азота и серы. Некоторые из этих соединений считаются даже более токсичными элементами, чем угарный газ.
Диоксид азота тяжелее воздуха и скапливается внизу помещений, в приямках, нишах и каналах, а при повышенных концентрациях является очень опасным работников, занимающихся регулярным обслуживанием автомобилей. При продолжительном действии таких газов человек может заболеть астмой, отеком легких, хроническим бронхитом, воспалением слизистой пищеварительной системы, сердечной недостаточностью и нервными расстройствами.
Интоксикация оксидами азота, в зависимости от условий (концентрация и соотношение веществ во вдыхаемом воздухе), может развиваться либо по удушающему (токсический отек легких), либо по шокоподобному (метгемоглобинообразование, ожог легких), либо по обратимому (падение АД) типу.
Наиболее типичным для оксидов азота является удушающее действие, приводящее к развитию отека легких.
Вдыхание диоксида азота в очень высоких концентрациях приводит к быстрому развитию нитритного шока, часто заканчивающегося гибелью пострадавших.
В случае преобладания в газовой смеси монооксида азота развивается так называемая обратимая форма интоксикации. Поражение сопровождается одышкой, рвотой, падением артериального давления за счет сосудорасширяющего действия NO. Эти явления быстро проходят после удаления пораженного из зараженной атмосферы.
Очень токсичным компонентом этой группы является диоксид серы SO₂. Симптомы при отравлении сернистым газом — насморк, кашель, охриплость, сильное першение в горле и своеобразный привкус. При вдыхании сернистого газа более высокой концентрации — удушье, расстройство речи, затруднение глотания, рвота, возможен острый отёк лёгких.
При кратковременном вдыхании оказывает сильное раздражающее действие, вызывает кашель и першение в горле.
Установлено, что чувствительность к сернистому газу может сильно отличаться у отдельных людей, животных и растений. Так, среди растений наиболее устойчивы по отношению к сернистому газу берёза и дуб, наименее — роза, сосна и ель.

Четвертая группа является самой многочисленной по количеству веществ, включает более полутора сотен различных соединений. Сюда входят самые разнообразные углеводороды, например, парафиновые алканы, нафтеновые цикланы и определенные ароматические бензолы. Эти вещества ядовиты и пагубно действуют на функции сердечнососудистой системы.
Помимо этого, углеводородные соединения являются канцерогенами и способствуют возникновению и росту злокачественных опухолей;

В пятую группу входят органические альдегиды, такие как формальдегид, акролеин и уксусный альдегид. Подобные вещества также ядовитые и являются продуктом неполного сгорания топлива на режимах обогащенной или богатой смеси, особенно если температура отработавших газов невысокая.
Вредное воздействие таких соединений выражается в раздражение слизистых оболочек, поражении внутренних дыхательных органов и нервных клеток.

К шестой группе относится сажа и мелкие элементы, являющиеся результатом износа и внутреннего нагара на двигателе, а также добавления аэрозолей и масел. Такие частицы не оказывают непосредственного негативного влияния на здоровье человека, но способны оказывать раздражающее действие на дыхательные пути и собирают на своей поверхности опасные химические компоненты, содержащиеся в выхлопных газах.

Современные тенденции развития автотранспортной техники характеризуются динамичным повышением требований к экологичности автомобиля и элементов его конструкции, в первую очередь – двигателей внутреннего сгорания. Возрастают требования к составу отработавших газов, которые контролируются газоанализаторами различных типов. Уделяется колоссальное внимание оптимизации системы питания ДВС.
В наши дни ведутся интенсивные разработки, направленные на скорейшую замену силовых агрегатов автомобилей менее опасными с экологической точки зрения – электрическими двигателями, а также двигателями, способными работать на альтернативном и более экологически безопасном топливе.

Состав выхлопных газов

Небольшой ликбез для любителей подышать из выхлопной трубы.

Отработавшие газы ДВС содержат около 200 компонентов. Период их существования длится от нескольких минут до 4 -5 лет. По химическому составу и свойствам, а также характеру воздействия на организм человека их объединяют в группы.

Первая группа. В нее входят нетоксичные вещества (естественные компоненты атмосферного воздуха).

Вторая группа. К этой группе относят только одно вещество — оксид углерода, или угарный газ (СО). Продукт неполного сгорания нефтяных видов топлива не имеет цвета и запаха, легче воздуха. В кислороде и на воздухе оксид углерода горит голубоватым пламенем, выделяя много теплоты и превращаясь в углекислый газ.

Оксид углерода обладает выраженным отравляющим действием. Оно обусловлено его способностью вступать в реакцию с гемоглобином крови, приводя к образованию карбоксигемоглобина, который не связывает кислород. Вследствие этого нарушается газообмен в организме, появляется кислородное голодание и возникает нарушение функционирования всех систем организма. Отравлению угарным газом часто подвержены водители автотранспортных средств при ночевках в кабине с работающим двигателем или при прогреве двигателя в закрытом гараже. Характер отравления оксидом углерода зависит от его концентрации в воздухе, длительности воздействия и индивидуальной восприимчивости человека. Легкая степень отравления вызывает пульсацию в голове, потемнение в глазах, повышенное сердцебиение. При тяжелом отравлении сознание затуманивается, возрастает сонливость. При очень больших дозах угарного газа (свыше 1 %) наступают потеря сознания и смерть.

Третья группа. В ее составе оксиды азота, главным образом NO -оксид азота и NO₂ — диоксид азота. Это газы, образующиеся в камере сгорания ДВС при температуре 2800 °С и давлении около 10 кгс/см 2 . Оксид азота — бесцветный газ, не взаимодействует с водой и мало растворим в ней, не вступает в реакции с растворами кислот и щелочей. Легко окисляется кислородом воздуха и образует диоксид азота. При обычных атмосферных условиях NO полностью превращается в NO₂ -газ бурового цвета с характерным запахом. Он тяжелее воздуха, поэтому собирается в углублениях, канавах и представляет большую опасность при техническом обслуживании транспортных средств.

Для человеческого организма оксиды азота еще более вредны, чем угарный газ. Общий характер воздействия меняется в зависимости от содержания различных оксидов азота. При контакте диоксида азота с влажной поверхностью (слизистые оболочки глаз, носа, бронхов) образуются азотная и азотистая кислоты, раздражающие слизистые оболочки и поражающие альвеолярную ткань легких. При высоких концентрациях оксидов азота (0,004 — 0,008 %) возникают астматические проявления и отек легких. Вдыхая воздух, содержащий оксиды азота в высоких концентрациях, человек не имеет неприятных ощущений и не предполагает отрицательных последствий. При длительном воздействии оксидов азота в концентрациях, превышающих норму, люди заболевают хроническим бронхитом, воспалением слизистой желудочно-кишечного тракта, страдают сердечной слабостью, а также нервными расстройствами.

Вторичная реакция на воздействие оксидов азота проявляется в образовании в человеческом организме нитритов и всасывании их в кровь. Это вызывает превращение гемоглобина в метагемоглобин, что приводит к нарушению сердечной деятельности.

Оксиды азота оказывают отрицательное воздействие и на растительность, образуя на листовых пластинах растворы азотной и азотистой кислот. Этим же свойством обусловлено влияние оксидов азота на строительные материалы и металлические конструкции. Кроме того, они участвуют в фотохимической реакции образования смога.

Четвертая группа. В эту наиболее многочисленную по составу группу входят различные углеводороды, то есть соединения типа С_xН_y. В отработавших газах содержатся углеводороды различных гомологических рядов: парафиновые (алканы), нафтеновые (цикланы) и ароматические (бензольные), всего около 160 компонентов. Они образуются в результате неполного сгорания топлива в двигателе.

Несгоревшие углеводороды являются одной из причин появления белого или голубого дыма. Это происходит при запаздывании воспламенения рабочей смеси в двигателе или при пониженных температурах в камере сгорания.

Углеводороды токсичны и оказывают неблагоприятное воздействие на сердечно-сосудистую систему человека. Углеводородные соединения отработавших газов, наряду с токсическими свойствами, обладают канцерогенным действием. Канцерогены — это вещества, способствующие возникновению и развитию злокачественных новообразований.

Особой канцерогенной активностью отличается ароматический углеводород бенз-а-пирен С₂₀H₁₂, содержащийся в отработавших газах бензиновых двигателей и дизелей. Он хорошо растворяется в маслах, жирах, сыворотке человеческой крови. Накапливаясь в организме человека до опасных концентраций, бенз-а-пирен стимулирует образование злокачественных опухолей.

Углеводороды под действием ультрафиолетового излучения Солнца вступают в реакцию с оксидами азота, в результате образуются новые токсичные продукты — фотооксиданты, являющиеся основой «смога».

Фотооксиданты биологически активны, оказывают вредное воздействие на живые организмы, ведут к росту легочных и бронхиальных заболеваний людей , разрушают резиновые изделия, ускоряют коррозию металлов, ухудшают условия видимости.

Пятая группа. Ее составляют альдегиды — органические соединения, содержащие альдегидную группу -СHO , связанную с углеводородным радикалом (СН₃, С₆Н₅ или др.).

В отработавших газах присутствуют в основном формальдегид, акролеин и уксусный альдегид.Наибольшее количество альдегидов образуется на режимах холостого хода и малых нагрузок, когда температуры сгорания в двигателе невысокие.

Формальдегид НСНО — бесцветный газ с неприятным запахом, тяжелее воздуха, легко растворимый в воде. Он раздражает слизистые оболочки человека, дыхательные пути, поражает центральную нервную систему. Обуславливает запах отработавших газов, особенно у дизелей.

Акролеин СН₂=СН-СН=O, или альдегид акриловой кислоты, — бесцветный ядовитый газ с запахом подгоревших жиров. Оказывает воздействие на слизистые оболочки.

Уксусный альдегид СН₃СНО — газ с резким запахом и токсичным действием на человеческий организм.

Шестая группа. В нее выделяют сажу и другие дисперсные частицы (продукты износа двигателей, аэрозоли, масла, нагар и др.). Сажа — частицы твердого углерода черного цвета, образующиеся при неполном сгорании и термическом разложении углеводородов топлива. Она не представляет непосредственной опасности для здоровья человека, но может раздражать дыхательные пути. Создавая дымный шлейф за транспортным средством, сажа ухудшает видимость на дорогах. Наибольший вред сажи заключается в адсорбировании на ее поверхности бенз-а-пирена , который в этом случае оказывает более сильное негативное воздействие на организм человека, чем в чистом виде.

Седьмая группа. Представляет собой сернистые соединения — такие неорганические газы, как сернистый ангидрид, сероводород, которые появляются в составе отработавших газов двигателей, если используется топливо с повышенным содержанием серы. Значительно больше серы присутствует в дизельных топливах по сравнению с другими видами топлив, используемых на транспорте.

Для отечественных месторождений нефти (особенно в восточных районах) характерен высокий процент присутствия серы и сернистых соединений. Поэтому и получаемое из нее дизельное топливо по устаревшим технологиям отличается более тяжелым фракционным составом и вместе с тем хуже очищено от сернистых и парафиновых соединений. Согласно европейским стандартам, введенным в действие в 1996 году, содержание серы в дизельном топливе не должно превышать 0,005 г/л, а по российскому стандарту — 1,7 г/л. Наличие серы усиливает токсичность отработавших газов дизелей и является причиной появления в них вредных сернистых соединений.

Сернистые соединения обладают резким запахом, тяжелее воздуха, растворяются в воде. Оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки горла, носа, глаз человека, могут привести к нарушению углеводного и белкового обмена и угнетению окислительных процессов, при высокой концентрации (свыше 0,01 %) — к отравлению организма. Сернистый ангидрид губительно воздействует и на растительный мир.

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, повышающую октановое число. Оно определяет способность двигателя работать без детонации. Чем выше октановое число, тем более стоек бензин против детонации. Детонационное сгорание рабочей смеси протекает со сверхзвуковой скоростью, что в 100 раз быстрее нормального. Работа двигателя с детонацией опасна тем, что двигатель перегревается, мощность его падает, а срок службы резко сокращается. Увеличение октанового числа бензина способствует снижению возможности наступления детонации.

В качестве присадки, повышающей октановое число, используют антидетонатор — этиловую жидкость Р-9. Бензин с добавлением этиловой жидкости становится этилированным. В состав этиловой жидкости входят собственно антидетонатор — тетраэтилсвинец РЬ(С₂Н₅)₄, выноси-тель — бромистый этил (ВгС₂Н₅) и α-монохлорнафталин (C₁₀H₇Cl), наполнитель — бензин Б-70, антиокислитель — параоксидифениламин и краситель. 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 дорог.

В придорожном пространстве примерно 50 % выбросов свинца в виде микрочастиц сразу распределяются на прилегающей поверхности. Остальное количество в течение нескольких часов находится в воздухе в виде аэрозолей, а затем также осаждается на землю вблизи дорог. Накопление свинца в придорожной полосе приводит к загрязнению экосистем и делает близлежащие почвы непригодными к сельскохозяйственному использованию. Добавление к бензину присадки Р-9 делает его высокотоксичным. Разные марки бензина имеют различное процентное содержание присадки. Чтобы различать марки этилированного бензина, их окрашивают, добавляя в присадку разноцветные красители. Неэтилированный бензин поставляется без окрашивания (табл. 9).

В развитых странах мира применение этилированного бензина ограничивается или уже полностью прекращено. В России он еще находит широкое применение. Однако ставится задача отказаться от его использования. Крупные промышленные центры и курортные местности переходят на использование неэтилированных бензинов.

Негативное воздействие на экосистемы оказывают не только рассмотренные компоненты отработавших газов двигателей, выделенные в восемь групп, но и сами углеводородные топлива, масла и смазки. Обладая большой способностью к испарению, особенно при повышении температуры, пары топлив и масел распространяются в воздухе и отрицательно влияют на живые организмы.

В местах заправки транспортных средств топливом и маслом происходят случайные разливы и намеренные сливы отработанного масла прямо на землю или в водоемы. На месте масляного пятна длительное время не произрастает растительность. Нефтепродукты, попавшие в водоемы, губительно воздействуют на их флору и фауну.

Печатается с некоторыми сокращениями по книге Павлова Е. И. Экология транспорта. Подчеркивания и выделение — мои.