Курс лекций по "Экологии транспорта"

 

Токсическое воздействие вредных составляющих ОГ на ОС и человека. Токсичные компоненты ОГ  оказывают различное физиологическое влияние на организм человека, действуют негативно на ОС. Уровень негативного воздействия определяется как концентрацией вещества в воздухе, так и уровнем его токсичности.

Оксид углерода. Представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха, практически не растворим в воде. В атмосфере сохраняется до 4-ех месяцев. Концентрация СО над различными территориями неодинакова: над океанами и морями 0,01 ... 0,1 млн^-1; сельские районы – 0,1 млн^-1; а в населённых пунктах увеличивается более чем в 10 раз.

При современном АТ парке СО является наиболее значимым по концентрации компонентом. По массе СО несколько легче воздуха, поэтому легко распространяется в атмосфере, поступает в жилые помещения. При попадании в организм человека СО соединяется с гемоглобином крови и образует карбоксигемоглобин, что приводит к ряду вредных последствий: при малых концентрациях СО вызывает головную боль, снижает работоспособность. Более высокие концентрации приводят к потере сознания и даже к смертельному исходу.

Несгоревшие углеводороды. Их токсичность проявляется в наркотическом действии на организм, вызывая состояние эйфории, что может увеличить вероятность ДТП. Токсичность возрастает при наличии в воздухе других загрязнений (в первую очередь NO_X), которые в совокупности могут образовывать ФХС.

По токсичности УГ распределяются так: парафины < олефины < алкены.

Оксиды азота. В воздухе над автомагистралями и прилегающими застройками из оксидов азота встречаются в основном NO и NO₂. При этом NO является неустойчивым соединением, которое в течение 3…100 часов (в зависимости от концентрации в воздухе) окисляется до NO₂. NO₂ действует на человека как сильный раздражитель, может вызывать отек легких. Реагируя с влагой воздуха, NO_Х образуют азотную кислоту, вызывающую коррозию металлов, уничтожение растительности. Наибольшую опасность NO_Х представляют собой как активный компонент ФХС.

Влияние трёх основных компонентов  на здоровье показано в табл. 2.11.

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.11. Влияние концентрации ВВ на человека.

Последствия и продолжительность действия	Содержание в воздухе,  мг/м3
	СО	SO2	NOX
Несколько часов без заметного  действия	115	65	15
Признаки лёгкого отравления или раздражение слизистых оболочек через 2 – 3 часа.	115 – 575	130	20
Возможно сильное отравление через 30 мин.	2300 – 3500	210 – 400	100
Опасно для жизни при кратковременном  воздействии.	5700	1600	150

 

Оксиды серы. Доля оксидов серы, выбрасываемых в атмосферу транспортом, составляет незначительное количество от общего выброса их другими промышленными источниками. Однако в местах с интенсивным движением транспорта наблюдается повышенное загрязнение атмосферы оксидами серы. В ОГ двигателей содержится в основном сернистый ангидрид - SO₂, представляющий собой бесцветный газ с острым запахом. Диоксид серы вызывает раздражение верхних дыхательных путей и слизистых оболочек глаз, при повышенных концентрациях и хроническом воздействии действует обще токсично, приводя к нарушениям в центральной нервной системе, белковом обмене и ферментативных процессах. В воздухе SO₂ может переходить в SO₃, который при контакте с атмосферной влагой образует пары H₂SO₄. Они вызывают заболевание дыхательных путей, приводят к спазмам легких. Пары H₂SO₄ усиливают коррозию металлов, наносят вред растениям. Установлено, что SO₂ и СО при длительном воздействии вызывает нарушение генетической функции организма. При малых концентрациях (0,001%) SO_X вызывает раздражение при С»0,01% отравление происходит за несколько минут. SO_X препятствует фотосинтезу растений. При С_SOX >0,9 мг/м³ через 5 – 10 дней листья и хвоя рыжеют и опадают.

Соединения свинца. Попадая в атмосферу с ОГ, они распределяются в ней следующим образом: 40% из них оседает на поверхности почвы и растениях вдоль дорог, а 60% находится в виде аэрозолей в воздухе. Соединения свинца являются чрезвычайно опасными для человека. Поражают ЦНС, желудочно-кишечный тракт, нарушают обменные процессы. Обладают кумулятивным эффектом: накапливаются в коре головного мозга. Оседающие частицы соединений свинца накапливаются в овощах и фруктах, растениях и попадают с ними в организм человека.

Твёрдые частицы. Частицы сажи размером до 0,15 мкм могут находится в воздухе во взвешенном состоянии около 8 суток.

В общем случае размеры частиц составляют 0,1…0,54 мкм в диаметре и они могут достигать альвеол легких или откладываться в носовых пазухах, трахеях или бронхах.

Воздействие ТЧ на ОС и человека опасно в трёх направлениях:

1. ТЧ при вдыхании вызывают раздражение дыхательных путей, при длительном воздействии – лёгочные заболевания.
2. ТЧ служат переносчиком канцерогенных ПАУ, которые абсорбируются на поверхности частиц. 1 г. сажи имеет площадь поверхности ~ 75 м².
3. Наличие взвешенных частиц сажи в воздухе ухудшает видимость на дорогах. Видимым выхлоп становится при концентрации ~ 130 мг/м³.

Полициклические ароматические  углеводороды (ПАУ). Являются чрезвычайно опасными для человека. Обладают канцерогенными и мутагенными свойствами, способствуют возникновению злокачественных новообразований, обладают свойством  накапливаться в организме. Количество различных ПАУ, содержащихся в ОГ двигателей, составляет несколько десятков, основными из которых являются: фенантрен, антрацен, пирен, бенз(a)пирен, флуорен, бенз(a)антрацен бенз(b)флуорен и др. Наибольшим уровнем токсичности, сравнимым с токсичностью других ПАУ, обладает бенз(a)пирен, который и является индикатором наличия ПАУ в ОГ. Переносчиком ПАУ являются ТЧ, что усиливает их опасность.

Фотохимический смог. Вредное воздействие на ОС и человека оказывают составляющие ФХС: NO₂, озон, высокоактивные недоокисленные вещества – оксиданты. Исследованиями установлено, что озон раздражает слизистые оболочки глаз, приводит к ухудшению самочувствия, особенно у лиц, страдающих лёгочными и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Озон оказывает вредное влияние на растения: вызывает образование пятен на листьях, старение растений.

NO₂ в составе ФХС и отдельно вызывает заболевания органов дыхания, снижение активности мозга, торможение роста растений.

Образовавшие в ходе реакций оксиданты: пероксиацетилнитрит (ПАН) и пероксибензоилнитрит (ПБН) оказывают раздражающее действие на слизистую оболочку глаз человека. Установлено, что при интенсивных ФХС-смогах наблюдается заболевание животных. Особую опасность представляют оксиданты для лиц с нарушениями органов дыхания (табл. 2.12).

Таблица 2.12. Влияние составляющих ФХС на ОС.

Концентрация		Время воздействия, час	Эффект
млн-1	мкг/м
Озон
0,02	40	1	Натяжение и растрескивание резины
0,03	60	8	Угнетение и гибель растительности
0,1	200	1	Спазмы дыхательных путей
2,0	3900	2	Сильный кашель
ФХ- оксиданты
0,05	100	4	Повреждение растительности
0,1	200	4	Раздражение слизистых оболочек
0,03-0,3	60-600	1	Утомляемость

 

 

Лекция № 3

Процессы образования токсичных веществ

Причины образования основных токсичных веществ, входящих в состав ОГ, достаточно полно описаны в специальной литературе. Здесь мы кратко рассмотрим основные факторы, определяющие выброс ВВ с точки зрения возможности воздействия на них в эксплуатационных условиях для уменьшения выбросов.

Оксид углерода СО. Основной фактор, определяющий содержание СО в ОГ ДВС с искровым зажиганием – состав ТВС. Обогащение смеси при неустановившихся режимах работы двигателей (холостой ход, принудительных х. х. – торможение) и при работе с полной нагрузкой резко увеличивает выбросы СО. Повышенный выброс СО вызывает любая неисправность системы питания, приводящая к обогащению смеси.

Следовательно основными направлениями  снижения выбросов Со в эксплуатационных условиях являются: поддержание двигателя (особенно системы питания) в технически исправном состоянии, т. е. обеспечение оптимальных регулировок, а также снижение доли режимов, приводящих к повышенному выбросу СО.

В дизельных ДВС, работающих при  избытке О₂ процесс образования СО отличается от такового в ДВС с искровым зажиганием.

Источниками образования СО являются:

• холодно-пламенные реакции на промежуточных стадиях горения топлива;
• капли топлива, поступающие в КС в конце впрыска и сгорающие в диффузионном пламени при недостатке О₂;
• частицы сажи, которые при общем избытке О₂ могут реагировать по реакции

2С+ О₂®2СО.

Зависимость СО от сотава ТВС в  дизелях иная, чем в ДВС с  искровым зажиганием. Здесь состав ТВС определяется нагрузкой. При сильных нагрузках и х. х. µ³1, t газов низкая, окислительные реакции протекают медленно, поэтому ­ СО в ОГ. При повышении нагрузки, несмотря на снижение µ, скорость реакций возрастает и содержание СО ¯. При полной нагрузке из-за уменьшения µ за счёт дополнительной подачи топлива в КС образуются зоны с обогащённой смесью и выбросы СО резко ­.

Следовательно уменьшить выбросы  СО с ОГ дизелей можно обеспечением работы на средних нагрузках и  сокращением доли неустановившихся режимов, особенно разгона.

Несгоревшие углеводороды. Причины образования СН связаны с физико-химическими факторами или с режимами работы двигателя. Наибольшее количество несгоревших СН (далее НСН) образуется в процессе торможения. В этих условиях часть ТВС из-за сильного разбавления ОГ ( большое разрешение во впускном коллекторе при закрытой дроссельной заслонке) способствует проникновению в КС ОГ в период перекрытия клапанов.

На средних и полных нагрузках  НСН образуются вследствие гашения  пламени возле холодных стенок КС. гашение пламени происходит из-за передачи большого количества теплоты холодной стенке и снижения температуры (скорости реакции) до нижних границ, необходимых для существования стабильного фронта пламени. Собственно говоря, гашение пламени есть основная причина образования НСН.

Влияние ТВС на образование СН проявляется  следующим образом. Невозможность полного окисления СН на богатых ТВС связана с недостатком О₂, а на бедных – нестабильностью воспламенения последующих циклах. При обогащении смеси из-за недостатка О₂ происходит выброс НСН.

Однако чрезмерное обогащение смеси  приводит также к повышенному выбросу СН из-за уменьшения скоростей реакций окисления, снижения температуры и пропусков зажигания в отдельных рабочих циклах. Важно отметить, что минимальный выброс СН соответствует наиболее устойчивой работе двигателя и, соответственно наилучшей экономичности.

Другими факторами. Влияющими на образование и выброс СН являются угол опережения и температурный режим работы двигателя. С уменьшением угла опережения зажигания, а также с увеличением t_ОГ концентрация НСН вследствие их окисления уменьшается.

Существенно влияют на концентрацию СН отложения в КС, количество которых пропорционально пробегу автомобиля. Увеличение давления во впускном коллекторе уменьшает СН до 30% из-за повышения температуры ОГ.

В дизелях выбросы СН с ОГ повышаются на режимах холостого хода и малых нагрузок, снижаются при работе на средних нагрузках и снова возрастают при полной нагрузке.

Помимо несгоревших углеводородов  – продуктов неполного сгорания топлива в составе ОГ присутствуют СН и СНО, образующиеся в результате реакций щелочно-теплового взрыва (пиролиза, синтеза). В этом случае образуются альдегиды, кетоны, фенолы, сложные ароматические УГ.

Испарение топлив, как источник выбросов СН, представляет собой сочетание двух процессов: «вырывания» молекул УГ с поверхности жидкого топлива с образованием слоя насыщенных паров УГ и диффузии паров из этого слоя в ОС.

Образование насыщенного слоя паров  определяется молекулярно-кинетическими параметрами топлива, т. е. происходит по кинетическому механизму.

Кинетическое испарение является лимитирующим при оценке суммарной скорости испарения, когда его скорость обусловлена только скоростью отрыва молекул от поверхности. При диффузионном испарении скорость определяется особенностью процессов тепломассопереноса между поверхностью испарения и ОС.

Альдегиды. Представляют собой недоокисленные УГ. В ОГ двигателей присутствуют в основном формальдегид НСОН (Н₂С=О) и акролеин СН₂=СН=СН=О. образование их в двигателях с искровым зажиганием происходит в процессе сгорания ТВС, особенно при работе, когда происходит детонационное сгорание. При этом образуются промежуточные продукты – альдегиды.

Оксиды азота. В продуктах сгорания топлива могут одновременно присутствовать шесть разновидностей соединений азота с О₂: N₂O, NO, NO₂ , NO₃, N₂О₃, N₂O₄, и N₂O₅. При реализации в тепловых двигателях рабочего процесса с максимальными температурами цикла ~ 1525 – 2525°С преобладающим в выбросах из оксидов азота становится моноксид NO (99% в ДВС с искровым зажиганием и >90% – в дизелях).

Считается, что в процессе горения NO может образоваться следующими путями:

- при высокотемпературном окислении  азота воздуха (термический NO);

- в результате низкотемпературного  окисления азотсодержащих соединений моторного топлива (топливный NO);

- вследствие столкновения углеводородных радикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсаций температуры (быстрый NO).

В большинстве КС разных типов ДВС  доминирует термический NO.

На концентрацию NO_X влияют:

  а) a; максимальная концентрация NO_X при a=1,05 – 1,07, т. е. при a~>от стехиометрического. В богатых и соответственно бедных смесях выход NO_X резко снижается: в первом случае из-за недостатка О₂ в продуктах сгорания; во втором – из-за снижения максимального t_цикла.