Выхлопной газ или дымовой газ выбрасывается в результате сгорания топлива, такого как природный газ , бензин (бензин) , дизельное топливо , мазут , биодизельные смеси [1] или уголь . В зависимости от типа двигателя он выбрасывается в атмосферу через выхлопную трубу , дымовую трубу или сопло . Он часто рассеивается по ветру в виде шлейфа выхлопных газов .
Он является основным компонентом выбросов автотранспортных средств (и стационарных двигателей внутреннего сгорания ), которые также могут включать прорывы картерных газов и испарения неиспользованного бензина.
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]
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 (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).
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:
Сопоставимо с европейскими нормами выбросов EURO III, которые применялись в октябре 2000 г.
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.
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]
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]
Дизельный выхлоп — это выхлопной газ, производимый дизельным двигателем , плюс любые содержащиеся в нем частицы . Его состав может меняться в зависимости от типа топлива или скорости потребления, или скорости работы двигателя (например, на холостом ходу или на скорости или под нагрузкой), а также от того, находится ли двигатель в дорожном транспортном средстве, сельскохозяйственном транспортном средстве, локомотиве, морском судне или стационарном генераторе или другом применении. [10]
Дизельный выхлоп является канцерогеном группы 1 , который вызывает рак легких и имеет положительную связь с раком мочевого пузыря . [11] [12] [13] [14] [15] Он содержит несколько веществ, которые также по отдельности включены в список канцерогенов для человека МАИР . [ 16]
Существуют методы снижения содержания оксидов азота (NO x ) и твердых частиц (PM) в выхлопных газах. Таким образом, хотя дизельное топливо содержит немного больше углерода (2,68 кг CO 2 /литр), чем бензин (2,31 кг CO 2 /литр), общие выбросы CO 2 дизельного автомобиля, как правило, ниже из-за более высокой эффективности. При использовании в среднем это составляет около 200 г CO 2 /км для бензина и 120 г CO 2 /км для дизельного топлива.
В реактивных и ракетных двигателях выхлоп из сопел , в некоторых случаях применения образующий ударные алмазы . [ необходима ссылка ]
В терминологии паровых двигателей выхлопными газами называют пар, давление которого настолько низкое, что он больше не может выполнять полезную работу.
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 [17] и колоректального рака. [18] и вдыхание таких частиц может вызвать или ухудшить респираторные заболевания, такие как эмфизема и бронхит , а также болезни сердца. [19] [20] [21]
В исследовании Агентства по охране окружающей среды США, проведенном в 2005 году , наибольшие выбросы NOx были получены от дорожных транспортных средств, а вторым по величине источником выбросов была внедорожная техника , в основном это бензиновые и дизельные станции . [21]
Образовавшаяся азотная кислота может быть вымыта в почву, где она превращается в нитрат , полезный для выращивания растений.
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. [22] 27% выбросов ЛОС приходится на растворители, которые используются при производстве красок и разбавителей для красок, а также в других целях. [23]
Озон полезен в верхних слоях атмосферы, [24] но на уровне земли озон раздражает дыхательную систему , вызывая кашель, удушье и снижение жизненной емкости легких. [25] Он также имеет множество негативных последствий для всей экосистемы. [26]
Отравление угарным газом является наиболее распространенным типом смертельного отравления воздухом во многих странах. [27] 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 [28]
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. [29] [30]
Влияние вдыхания твердых частиц в воздухе на здоровье широко изучалось у людей и животных и включает астму , рак легких , сердечно-сосудистые проблемы, преждевременную смерть . [31] [32] [33] Из-за размера частиц они могут проникать в самую глубокую часть легких. [34] Исследование, проведенное в Великобритании в 2011 году, оценивает 90 смертей в год из-за твердых частиц легковых автомобилей. [35] 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 ). [36] На рынках Китая, Европы и Индии 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. [37]
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 . [38] Подсчитано, что автотранспортные средства генерируют около 20% антропогенных выбросов CO2 в Европейском союзе , а на легковые автомобили приходится около 12%. [39] 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 . [40]
Выхлопные газы автомобилей содержат много водяного пара .
Были проведены исследования способов, с помощью которых войска в пустынях могут извлекать питьевую воду из выхлопных газов своих транспортных средств. [41]
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. [42] [43] 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.
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 %. [44] Исследование Всемирной организации здравоохранения показало, что пары дизельного топлива вызывают увеличение заболеваемости раком легких. [45]
Калифорнийский совет по воздушным ресурсам обнаружил в своих исследованиях, что 50% или более загрязнения воздуха ( смога ) в Южной Калифорнии вызваны выбросами автомобилей. [ требуется ссылка ] 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. [46]
состав может существенно различаться в зависимости от состава топлива, типа двигателя, условий эксплуатации... при сгорании нефтяного топлива в основном образуются углекислый газ, вода и азот... риск для здоровья заключается в мелких, невидимых или плохо видимых частицах... углеродное (EC) ядро дизельной сажи... служит ядром для конденсации органических соединений из несгоревшего или не полностью сгоревшего топлива... по-прежнему представляется, что нитрированные ПАУ являются наиболее распространенными бактериальными мутагенами
Научные данные были тщательно рассмотрены рабочей группой, и в целом был сделан вывод о том, что имеется достаточно доказательств канцерогенности дизельного выхлопа у людей. Рабочая группа установила, что дизельный выхлоп является причиной рака легких (достаточные доказательства), а также отметила положительную связь (ограниченные доказательства) с повышенным риском рака мочевого пузыря
Предполагается, что воздействие частиц выхлопных газов дизельных двигателей является канцерогеном для человека, на основании ограниченных доказательств канцерогенности, полученных в ходе исследований на людях, и подтверждающих данных, полученных в ходе исследований на подопытных животных и механистических исследований.
Согласно пересмотренному проекту Руководства по оценке канцерогенного риска Агентства по охране окружающей среды США от 1999 г. (US EPA, 1999), выхлоп дизельного двигателя (DE) может быть канцерогенным для человека при вдыхании из окружающей среды.
недельного совещания международных экспертов Международное агентство по изучению рака (МАИР), являющееся частью Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), сегодня классифицировало выхлопные газы дизельных двигателей как вероятно канцерогенные для человека (группа 1) на основании достаточных доказательств того, что их воздействие связано с повышенным риском рака легких.
{{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link) 
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)