Выбросы автотранспорта являются распространенным источником загрязнения воздуха и основной причиной образования смога в некоторых крупных городах. Исследование Массачусетского технологического института (MIT), проведенное в 2013 году, показывает, что только в Соединенных Штатах ежегодно происходит 53 000 ранних смертей из-за выбросов транспортных средств. [2] Согласно другому исследованию того же университета, только в Соединенном Королевстве только выхлопные газы ежегодно становятся причиной смерти 5000 человек. [3]
Состав
Большую часть дымовых газов составляют азот (N 2 ), водяной пар (H 2 O) (кроме топлива с чистым углеродом) и диоксид углерода (CO 2 ) (кроме 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 дымовых газов представляет собой нежелательные, вредные или токсичные вещества, такие как окись углерода (CO) в результате неполного сгорания, углеводороды (правильно обозначаемые как C x H y , но обычно обозначаемые просто как «HC» в бланках испытаний на выбросы). ) от несгоревшего топлива, оксиды азота (NO x ) от чрезмерных температур сгорания и твердых частиц (в основном сажи ).
В течение первых двух минут после запуска двигателя автомобиля, который не эксплуатировался несколько часов, количество выбросов может быть очень большим. Это происходит по двум основным причинам:
Требование к богатому соотношению воздух-топливо в холодных двигателях : при запуске холодного двигателя топливо не испаряется полностью, создавая более высокие выбросы углеводородов и угарного газа , которые уменьшаются только по мере достижения двигателем рабочей температуры. Продолжительность этой фазы запуска была сокращена благодаря достижениям в области материалов и технологий, включая впрыск топлива с компьютерным управлением , более короткую длину впуска и предварительный подогрев топлива и/или всасываемого воздуха.
Неэффективный каталитический нейтрализатор в холодных условиях : Каталитические нейтрализаторы очень неэффективны, пока не прогреются до рабочей температуры . Это время было значительно сокращено за счет перемещения преобразователя ближе к выпускному коллектору и, более того, размещения небольшого, но быстро нагревающегося преобразователя непосредственно у выпускного коллектора. Небольшой преобразователь обрабатывает пусковые выбросы, что дает достаточно времени для нагрева большего основного преобразователя. Дальнейшие улучшения могут быть реализованы разными способами, [4] включая электрический нагрев, тепловую батарею, предварительный нагрев химической реакции, пламенный нагрев и суперизоляцию.
В 2000 году Агентство по охране окружающей среды США начало вводить более строгие стандарты выбросов для легковых автомобилей. Требования вводились поэтапно, начиная с автомобилей 2004 года, и к концу 2007 года все новые легковые и легкие грузовики должны были соответствовать обновленным стандартам.
Двигатели с искровым зажиганием и дизельные двигатели
В двигателях с искровым зажиганием газы, образующиеся при сгорании топливно-воздушной смеси, называются выхлопными газами. Состав варьируется от бензиновых до дизельных двигателей, но находится примерно на следующих уровнях:
10% кислорода для «дизеля» вероятно, если двигатель работал на холостом ходу, например, на испытательном стенде. Гораздо меньше, если двигатель работает под нагрузкой, хотя дизели всегда работают с избытком воздуха над топливом. [ нужна ссылка ]
Содержание CO в бензиновых двигателях варьируется от ~ 15 ppm для хорошо настроенного двигателя с впрыском топлива и каталитическим нейтрализатором до 100 000 ppm (10%) для хорошо настроенного карбюраторного двигателя, который обычно встречается на небольших генераторах и в саду. оборудование. [8]
Нитрометановая добавка
Выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания, в состав топлива которого входит нитрометан , содержат пары азотной кислоты , которые вызывают коррозию и при вдыхании вызывают мышечную реакцию, из-за которой невозможно дышать. Люди, которые могут подвергнуться его воздействию, должны носить противогаз . [9]
Дизельные двигатели
Газотурбинные двигатели
В авиационных газотурбинных двигателях «температура выхлопных газов» (EGT) является основным показателем состояния двигателя. Обычно EGT сравнивают с основным показателем мощности двигателя, называемым «коэффициентом давления двигателя» (EPR). Например: при полной мощности EPR будет максимально допустимый предел EGT. Как только двигатель достигает этапа своего срока службы, когда он достигает этого предела EGT, для устранения проблемы двигателю потребуется специальное техническое обслуживание. Сумма, которую EGT ниже лимита EGT, называется маржой EGT. Запас EGT двигателя будет наибольшим, если двигатель новый или прошел капитальный ремонт. Для большинства авиакомпаний эта информация также отслеживается удаленно отделом технического обслуживания авиакомпаний с помощью ACARS .
Реактивные двигатели и ракетные двигатели
То, что выглядит как выхлопы реактивных двигателей, на самом деле является инверсионным следом .
В терминологии паровых двигателей выхлопные газы представляют собой пар, давление которого теперь настолько низкое, что он больше не может выполнять полезную работу.
Оксиды моноазота NO и NO 2 ( NOx ) (полученные таким путем или естественным путем под воздействием молнии ) реагируют с аммиаком , влагой и другими соединениями с образованием паров азотной кислоты и связанных с ней частиц. Мелкие частицы могут проникать глубоко в чувствительную легочную ткань и повреждать ее, вызывая в крайних случаях преждевременную смерть. Вдыхание видов NO увеличивает риск рака легких [10] и колоректального рака. [11] , а вдыхание таких частиц может вызвать или усугубить респираторные заболевания, такие как эмфизема , бронхит и болезни сердца. [12] [13] [14]
По данным исследования Агентства по охране окружающей среды США, проведенного в 2005 году, наибольшие выбросы NO x приходится на дорожные автомобили, причем второй по величине вклад приходится на внедорожное оборудование , которым в основном являются бензиновые и дизельные станции. [14]
Образовавшаяся азотная кислота может быть вымыта в почву, где она превращается в нитрат , полезный для выращивания растений.
Летучие органические соединения
Внедорожная техника – это в основном бензиновые и дизельные станции. [15]
Когда оксиды азота (NOx) и летучие органические соединения (ЛОС) вступают в реакцию в присутствии солнечного света, образуется приземный озон , основной ингредиент смога . В отчете Агентства по охране окружающей среды США за 2005 год дорожные транспортные средства являются вторым по величине источником ЛОС в США (26%), а 19% приходится на внедорожное оборудование, в основном это 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 объема легких. [18] Это также имеет множество негативных последствий для всей экосистемы. [19]
Отравление угарным газом является наиболее распространенным типом смертельного отравления воздуха во многих странах. [20] Угарный газ бесцветен, не имеет запаха и вкуса, но очень токсичен. Он соединяется с гемоглобином с образованием карбоксигемоглобина , который блокирует транспорт кислорода. При концентрациях выше 1000 ppm он считается непосредственным опасным и представляет собой наиболее непосредственную опасность для здоровья при работе двигателей в плохо вентилируемых помещениях. В 2011 году 52% выбросов угарного газа были созданы мобильными транспортными средствами в США [21].
Опасные загрязнители воздуха (токсичные вещества)
Хроническое (длительное) воздействие бензола ( C 6 H 6 ) повреждает костный мозг . Это также может вызвать чрезмерное кровотечение и угнетать иммунную систему , увеличивая вероятность заражения . Бензол вызывает лейкемию и связан с другими видами рака крови и предраковыми заболеваниями крови. [22] [23]
Твердые частицы (PM 10 и PM 2,5 )
Последствия для здоровья от вдыхания взвешенных в воздухе твердых частиц широко изучались на людях и животных и включают астму , рак легких , сердечно-сосудистые заболевания и преждевременную смерть . [24] [25] [26] Из-за размера частиц они могут проникать в самые глубокие части легких. [27] Исследование, проведенное в Великобритании в 2011 году, оценивает 90 смертей в год из-за твердых частиц в легковых автомобилях. [28] В публикации 2006 года Федеральное управление шоссейных дорог США (FHWA) заявляет, что в 2002 году около 1 процента всех выбросов PM 10 и 2 процента всех выбросов PM 2,5 приходилось на выхлопы дорожных транспортных средств ( в основном от дизельных двигателей ). [29] На рынках Китая, Европы и Индии как дизельные, так и бензиновые автомобили должны иметь установленный фильтр выхлопной трубы , в то время как в Соединенных Штатах это требуется только для дизельного топлива. В 2022 году британский специалист по испытаниям Emissions Analytics подсчитал, что около 300 миллионов бензиновых автомобилей в США в течение последующего десятилетия будут выделять около 1,6 септиллиона вредных частиц. [30]
Углекислый газ (CO 2 )
Углекислый газ является парниковым газом . Выбросы CO 2 от автотранспорта являются частью антропогенного вклада в рост концентрации CO 2 в атмосфере, что, по мнению подавляющего большинства научного сообщества, является причиной изменения климата . [31] По оценкам, автотранспортные средства производят около 20% антропогенных выбросов CO 2 в Европейском Союзе , причем доля легковых автомобилей составляет около 12%. [32] Европейские стандарты выбросов ограничивают выбросы CO 2 новыми легковыми и легковыми автомобилями. Средний показатель выбросов CO2 для новых автомобилей в Европейском Союзе снизился на 5,4% за год до первого квартала 2010 года, до 145,6 г/км . [33]
Водяной пар
Выхлопные газы автомобилей содержат много водяного пара .
Восстановление воды
Было проведено исследование способов, с помощью которых войска в пустынях могут восстанавливать питьевую воду из выхлопных газов своих транспортных средств. [34]
Сокращение загрязнения
Стандарты выбросов направлены на сокращение выбросов загрязняющих веществ , содержащихся в выхлопных газах транспортных средств, а также в промышленных дымовых трубах и других источниках загрязнения воздуха на различных крупных промышленных объектах, таких как нефтеперерабатывающие заводы , заводы по переработке природного газа , нефтехимические заводы и химические производства. . [35] [36] Однако их часто называют дымовыми газами . Каталитические нейтрализаторы в автомобилях предназначены для устранения загрязнений выхлопных газов с помощью катализатора. Скрубберы на судах предназначены для удаления диоксида серы (SO 2 ) из выхлопных газов морских судов. Нормативы по выбросам диоксида серы ужесточаются, однако лишь небольшое количество специальных зон по всему миру отведено только для использования дизельного топлива с низким содержанием серы.
Одним из преимуществ современных паровых двигателей является то, что они производят меньшие количества токсичных загрязняющих веществ (например, оксидов азота), чем бензиновые и дизельные двигатели той же мощности. [ нужна цитата ] Они производят большее количество углекислого газа, но меньше угарного газа из-за более эффективного сгорания.
Исследования здоровья
Исследователи из Школы общественного здравоохранения Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сообщают, что предварительные результаты статистического исследования детей, внесенных в Калифорнийский онкологический реестр, родившихся в период с 1998 по 2007 год, показали, что загрязнение дорожного движения может быть связано с увеличением заболеваемости на 5-15%. вероятность некоторых видов рака. [37] Исследование Всемирной организации здравоохранения показало, что дизельные пары вызывают рост заболеваемости раком легких. [38]
Локализованные эффекты
Калифорнийский совет по воздушным ресурсам обнаружил в ходе исследований, что 50% или более загрязнения воздуха ( смога ) в Южной Калифорнии происходит из-за выхлопов автомобилей. [ нужна цитация ] Концентрации загрязняющих веществ, выбрасываемых двигателями внутреннего сгорания, могут быть особенно высокими вокруг регулируемых перекрестков из-за работы на холостом ходу и ускорений. Компьютерные модели часто упускают подобные детали. [39]
^ Омидварборна; и другие. (2014). «Характеристика твердых частиц, выбрасываемых транзитными автобусами, заправленными B20, на холостом ходу». 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 Х.Л.; Барретт, Стивен Р.Х. (ноябрь 2013 г.). «Загрязнение воздуха и ранняя смертность в Соединенных Штатах. Часть I: Количественная оценка воздействия основных секторов в 2005 году». Атмосферная среда . 79 : 198–208. Бибкод : 2013AtmEn..79..198C. doi :10.1016/j.atmosenv.2013.05.081.
^ Роланд Пиз. «Загрязнение дорожного движения в Великобритании убивает 5000 человек в год, говорится в исследовании». Новости BBC .
^ Пулкрабек В.В. (2004) Основы проектирования двигателей внутреннего сгорания. Пирсон Прентис Холл, Нью-Джерси
^ «Средние годовые выбросы и расход топлива легковых автомобилей и легких грузовиков» (PDF) . Транспорт и качество воздуха . Агентство по охране окружающей среды США. 19 августа 2015 г.
^ «Легковые автомобили, легкие грузовики и пассажирские автомобили средней грузоподъемности — стандарты выбросов выхлопных газов уровня 2» . Справочное руководство по стандартам выбросов . Агентство по охране окружающей среды США. 14 ноября 2012 г.
^ Программа самообучения 230: Выбросы выхлопных газов автомобилей (PDF) . АУДИ. Апрель 2000 года . Проверено 23 марта 2012 г.
^ «Отравление угарным газом: эксплуатация двигателей, работающих на ископаемом топливе, внутри зданий (AEN-206)» . Кафедра сельскохозяйственной и биосистемной инженерии . Проверено 18 июня 2023 г.
^ Хамра, Великобритания; Ладен, Ф; Коэн, Эй Джей; Раашу-Нильсен, О; Брауэр, М; Лумис, Д. (ноябрь 2015 г.). «Рак легких и воздействие диоксида азота и дорожного движения: систематический обзор и метаанализ». Перспективы гигиены окружающей среды . 123 (11): 1107–12. дои : 10.1289/ehp.1408882. ПМЦ 4629738 . ПМИД 25870974.
^ Тернер, MC; Кревский, Д; Дайвер, WR; Папа Калифорния, третий; Бернетт, RT; Джерретт, М; Маршалл, доктор медицинских наук; Гапстур, С.М. (21 августа 2017 г.). «Загрязнение окружающего воздуха и смертность от рака в исследовании профилактики рака II». Перспективы гигиены окружающей среды . 125 (8): 087013. doi : 10.1289/EHP1249. ПМЦ 5783657 . ПМИД 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 в отношении выбросов оксидов азота (EPA-456/F-98-006)» (PDF) . Агентство по охране окружающей среды США. Сентябрь 1998 года.
^ ab «Сводные данные о выбросах штата и округа: оксиды азота». Источники выбросов в атмосферу . Агентство по охране окружающей среды США. 25 октября 2013 г.
^ ab «Обзоры выбросов штатов и округов: летучие органические соединения». Источники выбросов в атмосферу . Агентство по охране окружающей среды США. 25 октября 2013 г.
^ «Летучие органические соединения (ЛОС)» . Программа гидрологии токсичных веществ . Геологическая служба США (USGS). 12 апреля 2013 г.
^ Агентство по охране окружающей среды, OAR, OAP, СПД, США. «Защита озонового слоя – Агентство по охране окружающей среды США». Агентство по охране окружающей среды США .{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ «Планирование и стандарты качества воздуха».
^ «Эффекты на экосистему | Приземный озон | Агентство по охране окружающей среды США» . www.epa.gov . Архивировано из оригинала 18 мая 2012 года.
^ «Сводные данные о выбросах штата и округа: оксид углерода» . Источники выбросов в атмосферу . Агентство по охране окружающей среды США. 25 октября 2013 г.
^ «Выбросы выхлопных газов: что выходит из выхлопных газов вашего автомобиля?». Автомобильная Ассоциация Девелопментс Лимитед. 23 февраля 2012 г.
^ «Токсичные вещества в воздухе автомобилей» (PDF) . Транспорт и качество воздуха . Агентство по охране окружающей среды США.
^ Курт, ОК; Чжан, Дж; Пинкертон, Кентукки (март 2016 г.). «Влияние загрязнения воздуха на здоровье легких». Современное мнение в области легочной медицины . 22 (2): 138–43. дои : 10.1097/MCP.0000000000000248. ПМЦ 4776742 . ПМИД 26761628.
^ Бурдрель, Т; Бинд, Массачусетс; Бежо, Ю; Морель, О; Аргача, Дж. Ф. (ноябрь 2017 г.). «Сердечно-сосудистые последствия загрязнения воздуха». Архив сердечно-сосудистых заболеваний . 110 (11): 634–642. doi :10.1016/j.acvd.2017.05.003. ПМЦ 5963518 . ПМИД 28735838.
^ Регион 4: Лабораторные и полевые операции — PM 2,5 (2008). PM 2.5 Цели и история. Агентство по охране окружающей среды США.
^ Мацци, Эрик А.; Довлатабади, Хади (2007). «Влияние смягчения последствий изменения климата на качество воздуха: политика Великобритании и выбор пассажирских транспортных средств». Экологические науки и технологии . 41 (2): 387–92. Бибкод : 2007EnST...41..387M. дои : 10.1021/es060517w . ПМИД 17310696.
^ «Качество воздуха на транспорте: избранные факты и цифры» . Федеральная дорожная комиссия Министерства транспорта США. 2006 год . Проверено 14 апреля 2010 г.
^ Льюис, Барбара; Кэри, Ник (27 апреля 2022 г.). «Из-за отсутствия фильтров американские автомобили будут выбрасывать на септиллион больше частиц – исследование». Рейтер .
^ МГЭИК, 2013: Резюме для политиков. В: Изменение климата 2013: Основы физической науки. Вклад Рабочей группы I в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата [Стокер, Т.Ф., Д. Цинь, Г.-К. Платтнер, М. Тинор, С. К. Аллен, Дж. Бошунг, А. Науэлс, Ю. Ся, В. Бекс и П. М. Миджли (ред.). Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Великобритания и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США.
^ «Комиссия планирует законодательную базу, чтобы гарантировать, что ЕС достигнет своей цели по сокращению выбросов CO2 от автомобилей» . Европейская комиссия. 7 февраля 2007 г.
^ «Средние выбросы CO2 от новых автомобилей в ЕС снизились на 5,4 процента в первом квартале» . автоэволюция . СофтНьюс НЭТ. 19 апреля 2010 г.
^ «Восстановление воды из выхлопных газов дизельного двигателя — Поиск в Google» . www.google.co.uk .
^ «Плановое английское руководство EPA по Закону о чистом воздухе» . Проверено 18 июня 2023 г.
^ Публикация Агентства по охране окружающей среды США AP 42, пятое издание, Сборник коэффициентов выбросов загрязнителей воздуха.
↑ Рейнберг, Стивен (9 апреля 2013 г.). «Воздействие смога во время беременности может повысить риск развития рака у ребенка: исследование». Новости США .
^ «Выхлопы дизельных двигателей IARC канцерогенны» . iarc.fr. _ Проверено 18 июня 2023 г.
^ Инт Панис Л; и другие. (2006). «Моделирование мгновенных выбросов трафика и влияния ограничений скорости движения». Наука об общей окружающей среде . 371 (1–3): 270–285. Бибкод : 2006ScTEn.371..270I. doi :10.1016/j.scitotenv.2006.08.017. ПМИД 17049967.
Коун, Трейси (13 ноября 2008 г.). «От загрязнения воздуха в Калифорнии умирает больше людей, чем от автокатастроф, показывают исследования». Хаффингтон Пост .
«Автомобильные выхлопные химикаты: болезнетворные последствия». Альфа Онлайн . Environmed Research Inc. Архивировано из оригинала 5 июля 2014 года.
«Автомобили, грузовики и загрязнение воздуха». Чистые транспортные средства . Союз обеспокоенных ученых. 3 сентября 2013 г.
О дизельном выхлопе:
Управление по безопасности и гигиене труда Министерства труда США: Темы по безопасности и гигиене труда: Выхлопные газы дизельных двигателей
Неполный список химических веществ, связанных с выхлопами дизельных двигателей
Частицы дизельных выхлопных газов: обоснованно предполагается, что они являются канцерогеном для человека
Научное исследование вредного воздействия дизельных выхлопов: острые воспалительные реакции в дыхательных путях и периферической крови после кратковременного воздействия дизельных выхлопов у здоровых людей-добровольцев
