Выбросы автотранспорта являются распространенным источником загрязнения воздуха и основным компонентом образования смога в некоторых крупных городах. Исследование Массачусетского технологического института (MIT) за 2013 год показывает, что только в Соединенных Штатах ежегодно происходит 53 000 преждевременных смертей из-за выбросов автотранспорта. [2] Согласно другому исследованию того же университета, только выхлопные газы транспортных средств ежегодно становятся причиной смерти 5 000 человек только в Соединенном Королевстве. [3]
Состав
Большая часть большинства газообразных продуктов сгорания — это азот (N 2 ), водяной пар (H 2 O) (за исключением чистого углеродного топлива) и углекислый газ (CO 2 ) (за исключением топлива без углерода); они не токсичны и не вредны (хотя водяной пар и углекислый газ являются парниковыми газами , которые способствуют изменению климата ). Относительно небольшая часть газообразных продуктов сгорания — это нежелательные, вредные или токсичные вещества, такие как оксид углерода (CO) от неполного сгорания, углеводороды (правильно обозначенные как C x H y , но обычно показываемые просто как «HC» в квитанциях об испытаниях на выбросы) от несгоревшего топлива, оксиды азота (NO x ) от чрезмерных температур сгорания и твердые частицы (в основном сажа ).
Температура выхлопных газов
Температура выхлопных газов (EGT) важна для функционирования каталитического нейтрализатора двигателя внутреннего сгорания . Она может быть измерена с помощью датчика температуры выхлопных газов . EGT также является мерой работоспособности двигателя в газотурбинных двигателях (см. ниже).
Холодные двигатели
В течение первых двух минут после запуска двигателя автомобиля, который не эксплуатировался в течение нескольких часов, количество выбросов может быть очень высоким. Это происходит по двум основным причинам:
Требование к богатому соотношению воздух-топливо в холодных двигателях : при запуске холодного двигателя топливо не испаряется полностью, что приводит к более высоким выбросам углеводородов и оксида углерода , которые уменьшаются только по мере достижения двигателем рабочей температуры. Продолжительность этой фазы запуска была сокращена за счет достижений в области материалов и технологий, включая компьютерный впрыск топлива , более короткие длины впускных отверстий и предварительный нагрев топлива и/или всасываемого воздуха.
Неэффективный каталитический нейтрализатор в холодных условиях : каталитические нейтрализаторы очень неэффективны, пока не прогреты до рабочей температуры . Это время было значительно сокращено за счет перемещения нейтрализатора ближе к выпускному коллектору и, что еще более важно, размещения небольшого, но быстро нагревающегося нейтрализатора непосредственно на выпускном коллекторе. Маленький нейтрализатор обрабатывает пусковые выбросы, что дает достаточно времени для нагрева большего основного нейтрализатора. Дальнейшие улучшения могут быть реализованы многими способами, [4] включая электрический нагрев, тепловую батарею, предварительный нагрев химической реакцией, нагрев пламенем и суперизоляцию.
В 2000 году Агентство по охране окружающей среды США начало внедрять более строгие стандарты выбросов для легковых автомобилей. Требования вводились поэтапно, начиная с автомобилей 2004 года, и все новые автомобили и легкие грузовики должны были соответствовать обновленным стандартам к концу 2007 года.
Типы
Двигатели внутреннего сгорания
Двигатели с искровым зажиганием и дизельные двигатели
В двигателях с искровым зажиганием газы, образующиеся при сгорании смеси топлива и воздуха, называются выхлопными газами. Состав варьируется от бензиновых до дизельных двигателей, но находится примерно на следующих уровнях:
10% кислорода для «дизеля» вероятны, если двигатель работал на холостом ходу, например, на испытательном стенде. Они намного меньше, если двигатель работает под нагрузкой, хотя дизельные двигатели всегда работают с избытком воздуха над топливом. [ необходима цитата ]
Содержание CO для бензиновых двигателей варьируется от ≈15 ppm для хорошо настроенного двигателя с впрыском топлива и каталитическим нейтрализатором до 100 000 ppm (10%) для хорошо настроенного карбюраторного двигателя, такого, который обычно встречается на небольших генераторах и садовом оборудовании. [8]
Нитрометановая добавка
Выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания, в состав топлива которого входит нитрометан , будут содержать пары азотной кислоты , которые являются едкими и при вдыхании вызывают мышечную реакцию, делая невозможным дыхание. Людям, которые могут подвергнуться его воздействию, следует носить противогаз . [ 9]
Дизельные двигатели
Газотурбинные двигатели
В авиационных газотурбинных двигателях «температура выхлопных газов» (EGT) является основным показателем работоспособности двигателя. Обычно EGT сравнивается с первичным показателем мощности двигателя, называемым «степень повышения давления в двигателе» (EPR). Например: при полной мощности EPR будет максимально допустимый предел EGT. Как только двигатель достигнет этапа своего срока службы, на котором он достигнет этого предела EGT, двигателю потребуется специальное обслуживание для устранения проблемы. Величина, на которую EGT ниже предела EGT, называется пределом EGT. Предел EGT двигателя будет наибольшим, когда двигатель новый или прошел капитальный ремонт. Для большинства авиакомпаний эта информация также отслеживается удаленно отделом технического обслуживания авиакомпании с помощью ACARS .
В терминологии паровых двигателей выхлопными газами называют пар, давление которого настолько низкое, что он больше не может выполнять полезную работу.
Основные выбросы автотранспорта
НЕТх
Монооксиды азота NO и NO 2 ( NOx ) (произведенные таким образом или естественным образом молнией ) реагируют с аммиаком , влагой и другими соединениями, образуя пары азотной кислоты и связанные с ними частицы. Мелкие частицы могут глубоко проникать в чувствительную легочную ткань и повреждать ее, вызывая преждевременную смерть в крайних случаях. Вдыхание видов NO увеличивает риск рака легких [10] и колоректального рака. [11] и вдыхание таких частиц может вызвать или ухудшить респираторные заболевания, такие как эмфизема и бронхит , а также болезни сердца. [12] [13] [14]
Образовавшаяся азотная кислота может быть вымыта в почву, где она превращается в нитрат , полезный для выращивания растений.
Летучие органические соединения
Когда оксиды азота (NOx) и летучие органические соединения (ЛОС) реагируют в присутствии солнечного света, образуется приземный озон , основной ингредиент смога . В отчете Агентства по охране окружающей среды США за 2005 год дорожные транспортные средства указаны как второй по величине источник ЛОС в США с 26%, а 19% приходится на внедорожную технику, которая в основном представляет собой бензиновые и дизельные станции. [15] 27% выбросов ЛОС приходится на растворители, которые используются при производстве красок и разбавителей для красок, а также в других целях. [16]
Озон
Озон полезен в верхних слоях атмосферы, [17] но на уровне земли озон раздражает дыхательную систему , вызывая кашель, удушье и снижение жизненной емкости легких. [18] Он также имеет множество негативных последствий для всей экосистемы. [19]
Окись углерода (СО)
Отравление угарным газом является наиболее распространенным типом смертельного отравления воздухом во многих странах. [20] Угарный газ не имеет цвета, запаха и вкуса, но очень токсичен. Он соединяется с гемоглобином , образуя карбоксигемоглобин , который блокирует транспортировку кислорода. При концентрации выше 1000 ppm он считается немедленно опасным и представляет собой самую непосредственную опасность для здоровья при работе двигателей в плохо проветриваемом помещении. В 2011 году 52% выбросов угарного газа были созданы передвижными транспортными средствами в США [21]
Опасные загрязнители воздуха (токсичные вещества)
Хроническое (длительное) воздействие бензола ( C 6 H 6 ) повреждает костный мозг . Он также может вызвать чрезмерное кровотечение и подавить иммунную систему , увеличивая вероятность инфекции . Бензол вызывает лейкемию и связан с другими видами рака крови и предраковыми заболеваниями крови. [22] [23]
Твердые частицы (ТЧ)10и премьер-министр2.5)
Влияние вдыхания твердых частиц в воздухе на здоровье широко изучалось у людей и животных и включает астму , рак легких , сердечно-сосудистые проблемы, преждевременную смерть . [24] [25] [26] Из-за размера частиц они могут проникать в самую глубокую часть легких. [27] Исследование, проведенное в Великобритании в 2011 году, оценивает 90 смертей в год из-за твердых частиц легковых автомобилей. [28] В публикации 2006 года Федеральное управление автомобильных дорог США (FHWA) заявило, что в 2002 году около 1 процента всех выбросов твердых частиц PM 10 и 2 процента всех выбросов твердых частиц PM 2,5 приходилось на выхлопные газы дорожных транспортных средств (в основном дизельных двигателей ). [29] На китайском, европейском и индийском рынках как дизельные, так и бензиновые транспортные средства должны иметь установленный фильтр выхлопной трубы , в то время как в Соединенных Штатах это является обязательным только для дизельных автомобилей. В 2022 году британская компания Emissions Analytics, специализирующаяся на тестировании, подсчитала, что около 300 миллионов автомобилей с бензиновым двигателем в США за следующее десятилетие будут выбрасывать в атмосферу около 1,6 септиллиона вредных частиц. [30]
Углекислый газ (CO2)2)
Углекислый газ является парниковым газом . Выбросы CO2 от автотранспортных средств являются частью антропогенного вклада в рост концентрации CO2 в атмосфере, который, по мнению подавляющего большинства научного сообщества, вызывает изменение климата . [31] Подсчитано, что автотранспортные средства генерируют около 20% антропогенных выбросов CO2 в Европейском союзе , а на легковые автомобили приходится около 12%. [32] Европейские стандарты выбросов ограничивают выбросы CO2 новыми легковыми автомобилями и легковыми автомобилями. Средний показатель выбросов CO2 новыми автомобилями Европейского союза снизился на 5,4% в течение года по сравнению с первым кварталом 2010 года, до 145,6 г/км . [33]
Водяной пар
Выхлопные газы автомобилей содержат много водяного пара .
Восстановление воды
Были проведены исследования способов, с помощью которых войска в пустынях могут извлекать питьевую воду из выхлопных газов своих транспортных средств. [34]
Сокращение загрязнения
Стандарты выбросов направлены на снижение загрязняющих веществ, содержащихся в выхлопных газах транспортных средств, а также в промышленных дымовых трубах и других источниках загрязнения воздуха на различных крупных промышленных предприятиях, таких как нефтеперерабатывающие заводы , заводы по переработке природного газа , нефтехимические заводы и химические производственные предприятия. [35] [36] Однако их часто называют дымовыми газами . Каталитические нейтрализаторы в автомобилях предназначены для разложения загрязнений выхлопных газов с помощью катализатора. Скрубберы на судах предназначены для удаления диоксида серы (SO2 ) из морских выхлопных газов. Правила выбросов диоксида серы в морских судах ужесточаются, однако только небольшое количество специальных районов во всем мире было выделено для использования только дизельного топлива с низким содержанием серы.
Одним из преимуществ, утверждаемых для двигателей с передовой паровой технологией, является то, что они производят меньшее количество токсичных загрязняющих веществ (например, оксидов азота), чем бензиновые и дизельные двигатели той же мощности. [ необходима цитата ] Они производят большее количество углекислого газа, но меньше угарного газа из-за более эффективного сгорания.
Исследования в области здравоохранения
Исследователи из Школы общественного здравоохранения Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе заявили, что предварительные результаты их статистического исследования детей, внесенных в Калифорнийский реестр онкологических заболеваний, родившихся в период с 1998 по 2007 год, показали, что загрязнение воздуха транспортом может быть связано с увеличением вероятности возникновения некоторых видов рака на 5–15 %. [37] Исследование Всемирной организации здравоохранения показало, что пары дизельного топлива вызывают увеличение заболеваемости раком легких. [38]
Локализованные эффекты
Калифорнийский совет по воздушным ресурсам обнаружил в своих исследованиях, что 50% или более загрязнения воздуха ( смога ) в Южной Калифорнии вызваны выбросами автомобилей. [ необходима цитата ] Концентрации загрязняющих веществ, выбрасываемых двигателями внутреннего сгорания, могут быть особенно высокими вблизи регулируемых перекрестков из-за холостого хода и ускорений. Компьютерные модели часто упускают такие детали. [39]
^ Омидварборна и др. (2014). «Характеристика твердых частиц, выбрасываемых транзитными автобусами, работающими на топливе B20 в режиме ожидания». Журнал экологической химической инженерии . 2 (4): 2335–2342. doi :10.1016/j.jece.2014.09.020.
^ Кайаццо, Фабио; Ашок, Акшай; Вайц, Ян А.; Йим, Стив HL; Барретт, Стивен Р.Х. (ноябрь 2013 г.). «Загрязнение воздуха и ранняя смертность в Соединенных Штатах. Часть I: Количественная оценка воздействия основных секторов в 2005 г.». Atmospheric Environment . 79 : 198–208. Bibcode : 2013AtmEn..79..198C. doi : 10.1016/j.atmosenv.2013.05.081.
^ Роланд Пиз. «Загрязнение от дорожного движения убивает 5000 человек в год в Великобритании, говорится в исследовании». BBC News .
^ Pulkrabek WW (2004) Инженерные основы двигателя внутреннего сгорания. Pearson Prentice Hall, Нью-Джерси
^ "Среднегодовые выбросы и расход топлива для легковых автомобилей и легких грузовиков" (PDF) . Транспорт и качество воздуха . Агентство по охране окружающей среды США. 19 августа 2015 г.
^ "Легкогрузовые автомобили, легковые грузовики и среднегрузовые пассажирские автомобили — стандарты выбросов выхлопных газов Tier 2". Справочник по стандартам выбросов . Агентство по охране окружающей среды США. 14 ноября 2012 г.
^ Программа самостоятельного обучения 230: Выбросы выхлопных газов автотранспортных средств (PDF) . AUDI. Апрель 2000 г. Получено 23 марта 2012 г.
^ «Отравление угарным газом: эксплуатация двигателей на ископаемом топливе внутри зданий (AEN-206)». Департамент сельскохозяйственной и биосистемной инженерии . Получено 18 июня 2023 г.
^ "Race Fuel - Nitromethane". www.turbofast.com.au . Архивировано из оригинала 13 марта 2018 года . Получено 23 января 2008 года .
^ Хамра, ГБ; Ладен, Ф; Коэн, А.Дж.; Раашу-Нильсен, О; Брауэр, М; Лумис, Д (ноябрь 2015 г.). «Рак легких и воздействие диоксида азота и дорожного движения: систематический обзор и метаанализ». Перспективы охраны окружающей среды и здоровья . 123 (11): 1107–12. doi :10.1289/ehp.1408882. PMC 4629738. PMID 25870974 .
^ Тернер, MC; Кревски, D; Дайвер, WR; Поуп CA, 3-й; Бернетт, RT; Джерретт, M; Маршалл, JD; Гапстур, SM (21 августа 2017 г.). «Загрязнение окружающего воздуха и смертность от рака в исследовании профилактики рака II». Перспективы охраны окружающей среды . 125 (8): 087013. doi :10.1289/EHP1249. PMC 5783657. PMID 28886601 .{{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
^ "Здоровье". Диоксид азота . Агентство по охране окружающей среды США. 14 февраля 2013 г.
^ "Региональный перенос озона: новые правила Агентства по охране окружающей среды по выбросам оксидов азота (EPA-456/F-98-006)" (PDF) . Агентство по охране окружающей среды США. Сентябрь 1998 г.
^ ab "State and County Emission Summarys: Nitrogen Oxides". Источники выбросов в атмосферу . Агентство по охране окружающей среды США. 25 октября 2013 г.
^ ab "State and County Emission Summarys: Volatile Organic Compounds". Источники выбросов в атмосферу . Агентство по охране окружающей среды США. 25 октября 2013 г.
^ "Летучие органические соединения (ЛОС)". Программа по гидрологии токсичных веществ . Геологическая служба США (USGS). 12 апреля 2013 г. Архивировано из оригинала 5 сентября 2015 г. Получено 2 июня 2014 г.
^ EPA, OAR, OAP, SPD, США. "Защита озонового слоя - US EPA". US EPA .{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ «Планирование и стандарты качества воздуха».
^ "Экологические эффекты | Приземный озон | Агентство по охране окружающей среды США". www.epa.gov . Архивировано из оригинала 18 мая 2012 г.
^ Omaye ST. (2002). «Метаболическая модуляция токсичности оксида углерода». Токсикология . 180 (2): 139–150. doi :10.1016/S0300-483X(02)00387-6. PMID 12324190.
^ "State and County Emission Summarys: Carbon Monoxide". Источники выбросов в атмосферу . Агентство по охране окружающей среды США. 25 октября 2013 г.
^ «Выбросы выхлопных газов: что выходит из выхлопной трубы вашего автомобиля?». Automobile Association Developments Limited. 23 февраля 2012 г.
^ "Воздух токсичные вещества от автотранспорта" (PDF) . Транспорт и качество воздуха . Агентство по охране окружающей среды США.
^ Курт, OK; Чжан, J; Пинкертон, KE (март 2016 г.). «Влияние загрязнения воздуха на здоровье легких». Current Opinion in Pulmonary Medicine . 22 (2): 138–43. doi :10.1097/MCP.00000000000000248. PMC 4776742. PMID 26761628 .
^ Babadjouni, RM; Hodis, DM; Radwanski, R; Durazo, R; Patel, A; Liu, Q; Mack, WJ (сентябрь 2017 г.). «Клинические эффекты загрязнения воздуха на центральную нервную систему; обзор». Journal of Clinical Neuroscience . 43 : 16–24. doi :10.1016/j.jocn.2017.04.028. PMC 5544553. PMID 28528896 .
^ Регион 4: Лабораторные и полевые работы — PM 2.5 (2008). Цели и история PM 2.5. Агентство по охране окружающей среды США.
^ Mazzi, Eric A.; Dowlatabadi, Hadi (2007). «Влияние смягчения последствий изменения климата на качество воздуха: политика Великобритании и выбор пассажирского транспорта». Environmental Science & Technology . 41 (2): 387–92. Bibcode : 2007EnST...41..387M. doi : 10.1021/es060517w . PMID 17310696.
^ «Качество воздуха на транспорте: избранные факты и цифры». Федеральная дорожная комиссия Министерства транспорта США. 2006. Архивировано из оригинала 16 июня 2006 года . Получено 14 апреля 2010 года .
^ Льюис, Барбара; Кэри, Ник (27 апреля 2022 г.). «Из-за отсутствия фильтров американские автомобили будут выбрасывать в атмосферу на септиллион больше частиц — исследование». Reuters .
^ IPCC, 2013: Резюме для политиков. В: Изменение климата 2013: Физическая научная основа. Вклад Рабочей группы I в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата [Стокер, ТФ, Д. Цинь, Г.-К. Платтнер, М. Тигнор, СК Аллен, Дж. Бошунг, А. Науэлс, И. Ся, В. Бекс и П. М. Мидгли (ред.). Cambridge University Press, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США.
^ "Комиссия планирует законодательную базу для обеспечения достижения ЕС своей цели по сокращению выбросов CO2 автомобилями". Европейская комиссия. 7 февраля 2007 г.
^ "Средний уровень выбросов CO2 новыми автомобилями в ЕС снизился на 5,4 процента в первом квартале". autoevolution . SoftNews NET. 19 апреля 2010 г.
^ "извлечение воды из выхлопных газов дизельных двигателей - Поиск Google". www.google.co.uk .
^ "Руководство EPA Plain English по Закону о чистом воздухе" . Получено 18 июня 2023 г.
^ Публикация Агентства по охране окружающей среды США AP 42, пятое издание, Сборник коэффициентов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу
^ Рейнберг, Стивен (9 апреля 2013 г.). «Воздействие смога во время беременности может повысить риск развития рака у ребенка: исследование». USNews .
^ "IARC Выхлопные газы дизельных двигателей канцерогенны". iarc.fr . Получено 18 июня 2023 г. .
^ Int Panis L; et al. (2006). «Моделирование мгновенной эмиссии трафика и влияние ограничений скорости трафика». Science of the Total Environment . 371 (1–3): 270–285. Bibcode : 2006ScTEn.371..270I. doi : 10.1016/j.scitotenv.2006.08.017. PMID 17049967.
Коун, Трейси (13 ноября 2008 г.). «Загрязнение воздуха в Калифорнии убивает больше людей, чем автомобильные аварии, показывают исследования». Huffington Post .
«Автомобильные выхлопные химикаты: болезнетворные эффекты». Alpha Online . Environmed Research Inc. Архивировано из оригинала 5 июля 2014 г.
«Автомобили, грузовики и загрязнение воздуха». Чистые транспортные средства . Союз обеспокоенных ученых. 3 сентября 2013 г.
О выхлопе дизельного двигателя:
Министерство труда США, Управление по охране труда и здоровья: Темы по охране труда и здоровья: Выхлопные газы дизельных двигателей
Частичный список химических веществ, связанных с выхлопными газами дизельных двигателей
Твердые частицы выхлопных газов дизельных двигателей: обоснованно предполагается, что они являются канцерогенами для человека
Научное исследование вредного воздействия выхлопных газов дизельных двигателей: острые воспалительные реакции в дыхательных путях и периферической крови после кратковременного воздействия выхлопных газов дизельных двигателей на здоровых добровольцах