Кіріспе
Дизельді қозғалтқыштың газды шығарындылары – дизельдік ішкі жану қозғалтқышынан шығатын газ тәрізді шығарындылар, сондай-ақ оған қосылған бөлшектер. Оның құрамы отын түріне немесе тұтыну жылдамдығына, қозғалтқыштың жұмыс жылдамдығына (мысалы, бос жүріс, жылдамдықпен жүру немесе жүктеме астында) және қозғалтқыш жол көлігінде, шаруашылық көлігінде, локомотивте, теңіз кемесінде немесе стационарлық генераторда немесе басқа да қолданыста болған жағдайға байланысты өзгеруі мүмкін. Дизельді шығарындылар – 1-топтағы канцерогендер, олар өкпе қатерлі ісігін тудырады және көк шөлке қатерлі ісігімен байланысты. Олар IARC-ның адамға канцерогендік әсер ететін заттар тізіміне енген бірнеше заттарды қамтиды. Шығарындылардағы азот оксидтерін (NOx) және бөлшектік заттарды (PM) азайтуға арналған әдістер бар. Сондықтан, дизель отынында бензинге қарағанда көміртегі шамалы көп болғанымен (2,68 кг CO₂/литр бензинге қарағанда 2,31 кг CO₂/литр), дизельдік автомобильдің тиімділігі жоғары болғандықтан жалпы CO₂ шығарындылары көбінесе төмен болады. Орташа есеп бойынша, бұл бензин үшін шамамен 200 г CO₂/км, ал дизель үшін 120 г CO₂/км құрайды.
Diesel exhaust is the gaseous exhaust produced by a diesel type of internal combustion engine, plus any contained particulates. Its composition may vary with the fuel type or rate of consumption, or speed of engine operation (e. g., idling or at speed or under load), and whether the engine is in an on road vehicle, farm vehicle, locomotive, marine vessel, or stationary generator or other application. Diesel exhaust is a Group 1 carcinogen, which causes lung cancer and has a positive association with bladder cancer. It contains several substances that are also listed individually as human carcinogens by the IARC. Methods exist to reduce nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM) in the exhaust. So, while diesel fuel contains slightly more carbon (2.68 kg CO₂/litre) than petrol (2.31 kg CO₂/litre), overall CO₂ emissions of a diesel car tend to be lower due to higher efficiency. In use, on average, this equates to around 200 g CO₂/km for petrol and 120 g CO₂/km for diesel.
Құрамы
Мұнай отынының ауадағы жануының негізгі өнімдері көмірқышқыл газы, су және азот болып табылады. Басқа компоненттер негізінен толық емес жанудан және пиросинтезден пайда болады. Шикі (өңделмеген) дизельдік отты газдың жекелеген компоненттерінің үлесі жүктеме, қозғалтқыштың түрі сияқты факторларға байланысты өзгереді, ал кестеде типтік құрамы көрсетілген. Кез келген жағдайда дизельдік қозғалтқыштардың ішіндегі физикалық және химиялық жағдайлар, оттықпен жұмыс істейтін қозғалтқыштардан айтарлықтай ерекшеленеді, себебі дизельдік қозғалтқыштың қуаты конструкциялық түрде тікелей жанармаймен басқарылады, ал бензиндік қозғалтқыштардағыдай ауа-жанармай қоспасын басқару арқылы емес. Осы айырмашылықтардың нәтижесінде дизельдік қозғалтқыштар, әдетте, басқа ластаушы заттарды бөліп шығарады, бұл кейде сапалық (қандай ластаушы заттар бар, қандай жоқ) айырмашылықтар, бірақ көбінесе сандық (әрқайсысында қандай ластаушы заттар немесе ластаушы заттар кластары қаншалықты көп кездеседі) айырмашылықтар болып табылады. Мысалы, дизельдік қозғалтқыштар бензиндік қозғалтқыштарға қарағанда көміртек моноксидінің 28 есе аз бөлігін шығарады, себебі олар толық жүктемеде де артық ауада отынды жағайды. Алайда дизельдік қозғалтқыштардың жұмсақ жану сипаты, сондай-ақ жану процесінің жоғары температурасы мен қысымы NOx (газ тәрізді азот оксидтері) шығаруға әкеледі, оны азайту қиын мәселе болып табылады. 2012 жылға қарай бензиндік автомобильдерден шығарылатын азот оксидтерінің көлемі шамамен 96%-ға азайды, каталитикалық түрлендіргіштерді пайдалану арқасында, бірақ дизельдік автомобильдер әлі де азот оксидтерін 15 жыл бұрын шығарылған деңгейге жуық шығарады, нақты сынақтар бойынша; сондықтан дизельдік автомобильдер бензиндік автомобильдерге қарағанда 20 есе көп азот оксидтерін бөліп шығарады. Қазіргі заманғы дизельдік қозғалтқыштар, әдетте, эмиссия талаптарын орындау үшін селективті каталитикалық азайту (SCR) жүйелерін қолданады, себебі түтін газдарын қайта айналдыру (EGR) сияқты басқа әдістер көптеген елдерде қолданылатын жаңа стандарттарға сәйкес NOx-ті жеткілікті түрде азайта алмайды. Азот оксидінің ластаушы заттарын жоюға арналған дизельдік қосымша жүйелер төменде бөлек бөлімде сипатталған. Сонымен қатар, дизельдік отынның ұсақ бөлшектері (мысалы, күйе, кейде қара түтін түрінде көрінетін), дәстүрлі түрде көбірек алаңдату тудырады, себебі олар денсаулыққа қатысты басқа да мәселелерді тудырады және оттықпен жұмыс істейтін қозғалтқыштарда сирек кездеседі. Бұл ерекше зиянды бөлшектер отынның толық жануына жеткілікті оттегі болмағанда ең жоғары деңгейге жетеді; дизельдік қозғалтқыш бос жүрісте жұмыс істегенде, отынды толық жағу үшін жеткілікті оттегі болады. (Жолда жүрмейтін қозғалтқыштардағы оттегінің қажеттілігі әдетте турбонаддувпен қамтамасыз етіледі.) Дизельдік көліктердің шығарындылары бензиндік көліктерге қарағанда зиянды екені хабарланды. Дизельдік отынның ерекше иісімен көптен белгілі дизельдік түтіндер, дизельдік отынның күкірт құрамының төмендеуімен және түтін жүйелеріне катализаторлар енгізілген кезде айтарлықтай өзгерді. Дегенмен, дизельдік түтіндер әртүрлі кластардағы және әртүрлі концентрациялардағы (төменде қараңыз) әртүрлі бейорганикалық және органикалық ластаушы заттарды қамтиды, отынның құрамына және қозғалтқыштың жұмыс жағдайларына байланысты.
Түрлі көздерден алынған ауадан шығарылатын газдардың құрамы
Дизельдік түйін құрамы
Дизельдік қозғалтқыш түйін құрамының орташа мөлшері (Рейф 2014)
Дизельдік қозғалтқыш түйін құрамының орташа мөлшері (Меркер, Тейхман, 2014)
Дизельдік қозғалтқыштың алғашқы түйін құрамы (Хартенштейн, 1895)
Дизельдік қозғалтқыш түйін құрамы (Хайр, Маевски, 2006)
Дизельдік қозғалтқыш түйін құрамы (әртүрлі көздер)
Түрі Көлем пайыздық үлесі Көлем пайыздық үлесі Көлем пайыздық үлесі Көлем пайыздық үлесі (көлем?) пайыздық
Азот (N2) 75,2% 72,1% ~67%
Оттегі (O2) 15% 0,7% 0,5% ~9%
Көмірқышқыл газы (CO2) 7,1% 12,3% 12,5% ~12%
Су (H2O) 2,6% 13,8% ~11%
Көміртек оксиді (CO) 0,043% 0,09% 0,1% 100–500 ppm
Азот оксидтері 0,034% 0,13% 50–1000 ppm
Көмірсутектер (HC) 0,005% 0,09%
Альдегид 0,001% қолжетімсіз
Бөлшектер (сульфат + қатты заттар) 0,008% 0,0008% 1–30 mg·m−3
Жалпы мәселелер
Дизельдік көліктерден шығатын газдар бензиндік көліктерден шығатын газдарға қарағанда едәуір зиянды екені хабарланды. Дизельдік жанудың түтіні атмосфералық күйе мен ұсақ бөлшектердің көзі болып табылады, бұл адамдарда қатерлі ісіктердің пайда болуына байланысты ауаның ластануының құрамдас бөлігі.
Еңбек денсаулығына әсер ету
Дизельдік түйін газдары мен дизельдік бөлшектер (ДББ) жүк көліктерінің жүргізушілері, теміржол қызметкерлері, теміржол депосының жанындағы тұрғын үйлердің тұрғындары және жер асты шахталарында дизельдік жабдықты пайдаланатын кеншілер үшін кәсіби қауіпті құрайды. Қоршаған ортадағы атмосфералық бөлшектердің концентрациясы кәсіби ортадағыдан әлдеқайда төмен болған жағдайда да, жалпы халық арасында денсаулыққа зиянды әсерлер байқалған. 2012 жылдың наурыз айында АҚШ үкіметінің ғалымдары жер астындағы дизельдік түйін газдарына ұшыраған кеншілердің өкпе қатерлі ісігіне шалдығу қаупінің, аз мөлшерде ұшырағандарға қарағанда үш есе жоғары екенін көрсетті. 11,5 миллион долларлық «Кеншілердегі дизельдік түйін газдары зерттеуі» (DEMS) 12 315 кеншіні бақылауға алып, темекі шегу, радон және асбест сияқты негізгі канцерогендерді ескерді. Бұл ғалымдарға дизельдік түйін газдарының әсерін бөліп қарауға мүмкіндік берді. АҚШ-та 10 жылдан астам уақыттан бері балалардың дизельдік мектеп автобустарында мектепке бара жатқанда және қайтып келе жатқанда ДББ-ге ұшырауына қатысты алаңдаушылық туып келеді. 2013 жылы Қоршаған ортаны қорғау агенттігі (EPA) оқушылардың зиянды әсерге ұшырауын азайту мақсатымен жеке және мемлекеттік ұйымдарды біріктіру үшін «Clean School Bus USA» бастамасын құрды.
Қалдықтар туралы алаңдаушылық
Дизель бөлшектері (ДБМ), кейде дизельдік түтін бөлшектері (ДТБ) деп те аталады, дизельдік түтіннің бөлшектік құрамы болып табылады, оған дизель күйесі және күл бөлшектері, металл тозу бөлшектері, сульфаттар және силикаттар сияқты аэрозольдер кіреді. Атмосфераға шығарылған кезде ДБМ жеке бөлшектер немесе тізбекті жиынтықтар түрінде болуы мүмкін, олардың көпшілігі 100 нанометрдің көзге көрінбейтін субмикрометрлік диапазонында, сондай-ақ ультрамай бөлшектер (УМБ) немесе PM0.1 деп аталады. Дизельдік түтіннің негізгі бөлшектік фракциясы ұсақ бөлшектерден тұрады. Олардың кішкентай өлшеміне байланысты, тыныспен алынған бөлшектер оңай түрде өкпеге терең енуі мүмкін. Бұл бөлшектердің кедір-бұдыр беті оларды қоршаған ортадағы басқа уытты заттармен байланысуға мүмкіндік береді, соның салдарынан бөлшектерді жұту қаупі артады. Басқа зерттеулерге сәйкес, кейбір нақты жағдайларда (яғни, төмен жүктемелерде, қаныққан шикізаттарда) NOx шығарылымдары дизель отынына қарағанда төмен болуы мүмкін, бірақ көп жағдайда олар жоғары болады, тіпті биоотын қосылған сайын артады. Таза биодизель (B100) тіпті дизель отынына қарағанда 10-30% көбірек NOx шығарылымдарын береді.
Ерекше әсерлері
Экспозиция бас ауруы, бас айналу, есіңнің шатыруы, құсық, жөтел, тыныс алудың қиындығы немесе ауырлауы, кеудедегі қысым, көз, мұрын және тамақтың тітіркенуі сияқты жедел, қысқа мерзімді симптомдармен байланысты. Ұзақ мерзімді әсер ету жүрек-қан тамырлары аурулары, жүрек-өкпе аурулары және өкпе қатерлі ісігі сияқты созылмалы, ауыр денсаулық проблемаларына әкелуі мүмкін. Цинциннатидегі балалар аллергиясы және ауаның ластануы бойынша зерттеуде трафикке байланысты элементтік көміртек 1 жастағы және 3 жастағы тұрақты ұрықшамен байланысты болды. Лондон Корольдік колледжіндегі NERC HPA қаржыландырған «Трафик ластануы және денсаулық» жобасы қазіргі уақытта трафик ластануының денсаулыққа тигізетін әсерін түсінуді жетілдіруге тырысуда. Трафикке байланысты ауаның ластануы егде жастағы еркектерде когнитивтік функцияның төмендеуімен байланысты. Берлиндегі Umweltbundesamt (Германияның Федералдық қоршаған ортаны қорғау агенттігі) есебінде 2001 жылы дизельдік түтінге байланысты 82 миллиондық Германия халқының кемінде 14 400 адамы қаза тапқан. Нанобөлшектер мен нанотоксикологияны зерттеу әлі бастапқы кезеңде, ал барлық дизельдік қозғалтқыштардан шығатын нанобөлшектердің денсаулыққа тигізетін әсері әлі де анықталуда. Дизельдік бөлшектердің ұсақ бөлшектерінен туындаған денсаулыққа зиянды әсері ауыр және кең таралған. Бір зерттеу дизельдік түтінге қысқа мерзімді әсер етудің өкпеден тыс зиянды әсерлерге әкелетінін көрсете алмаса да, бұл әсерлер жүрек-қан тамырлары ауруларының өсуімен байланысты. 2011 жылғы Lancet журналындағы зерттеу трафикке байланысты әсер жалпы халық арасындағы жүрек шабуылының ең маңызды алдын алуға болатын себебі екенін көрсетті, ол барлық шабуылдардың 7,4% -ын құрайды. Бұл әсердің қаншалықты бөлігі трафикке байланысты стреске және қаншалықты бөлігі түтінге байланысты екенін анықтау мүмкін емес. Нанобөлшектердің зиянды әсерін зерттеу (нанотоксикология) әлі де жаңадан басталып жатыр және дизельдік түтіннің денсаулыққа тигізетін теріс әсерлерінің сипаты мен ауқымы анытала бергендіктен, дизельдік отындардың денсаулыққа тигізетін әсері бензинмен жұмыс істейтін көліктерге қарағанда жоғары ма, әлде емес пе, әлі де даулы мәселе болып қалуда.
Қозғалтқыштың жағдайына байланысты өзгерісі
Нанобөлшектердің түрлері мен мөлшері жұмыс температурасы мен қысымына, ашық оттың болуына, негізгі отын түріне және отын қоспасына, тіпті атмосфералық қоспаларға байланысты өзгеруі мүмкін. Сондықтан, әртүрлі қозғалтқыш технологияларынан және тіпті әртүрлі отындардан алынған нанобөлшектердің түрлерін міндетті түрде салыстыруға болмайды. Бір зерттеуде дизельдік нанобөлшектердің ұшпалы компонентінің 95% күймеген майлау майы екені анықталды. Ұзақ мерзімді әсерлері, сондай-ақ жүрек-өкпе аурулары бар сезімтал топтарға тигізетін әсерлері әлі де толыққанды зерттелуі керек. Дизельді қозғалтқыштардан түйінделген қара түтін (немесе дәлірек айтқанда, дизельдік бөлшектер) шығады. Бұл қара түтін отынның толық жанып үлкермеген көміртек қосылыстарынан тұрады, себебі отын тамшылары толық атомдануға жетпейтін жерлерде температура төмен болады. Бұл төмен температуралар цилиндр қабырғаларында және отынның ірі тамшыларының бетінде пайда болады. Осы салыстырмалы түрде суық аймақтарда қоспа байытылған (жалпы қоспаға қарағанда). Бай қоспада жануға жеткілікті ауа болмайды, сондықтан отынның бір бөлігі көміртек шөгіндісіне айналады. Қазіргі заманғы автомобильдерде дизельдік бөлшектер сүзгісі (ДПФ) көміртек бөлшектерін ұстап, кейін сүзгіге тікелей таңылған қосымша отынды пайдаланып, оларды үзіліс-үзіліспен жасайды. Бұл аз мөлшерде отынның ысырабына жол бермей, көміртек жиналуын болдырмайды. Дизельді қозғалтқыштың толық жүктеме шегі "қара түтін шегімен" анықталады, одан асып кеткенде отын толық жанып үлкермейді. "Қара түтін шегі" стехиометриялық арақатынастан әлдеқайда төмен болғандықтан, одан асып түсу арқылы қуатты арттыруға болады, бірақ бұл тиімсіз жануға, отынның жоғары тұтылуына және тығыз түтін бұлттарына әкеледі. Мұндай жағдай тек жоғары өнімділік қолданбаларында ғана қолданылады, онда бұл кемшіліктер маңызды емес. Қозғалтқышты суық күйден іске қосу кезінде, оның жану тиімділігі төмендейді, себебі суық қозғалтқыш блогы қысылу кезінде цилиндрден жылуды тартып алады. Нәтижесінде отын толық жанып үлкермейді, көк және ақ түтін шығып, қозғалтқыш қызғанша қуаты төмендейді. Бұл, әсіресе, жылу тиімділігі төмен жанама инжекциялық қозғалтқыштарда байқалады. Электрондық инжекция кезінде инжекция кезегінің уақыты мен ұзақтығын өтеу үшін өзгертуге болады. Ескі қозғалтқыштарда механикалық инжекциямен жабдықталған болса, уақытты өзгерту үшін механикалық және гидравликалық басқарушылар, сондай-ақ көп фазалы электрлік басқарушы жалынды тығындары қолданылуы мүмкін, олар таза жануды қамтамасыз ету үшін іске қосылғаннан кейін біршама уақыт бойы күйіп тұрады; тығындар автоматты түрде төмен қуатқа ауыстырылады. Wärtsilä компаниясының мәлімдемесіне сәйкес, ірі дизельді қозғалтқыштарда түтін пайда болуының екі себебі бар: біріншіден, отын металл бетіне тиіп, жануға үлкермейді, екіншіден, жану камерасында тым көп отын болады. Wärtsilä компаниясы қозғалтқышты сынап, дәстүрлі отын жүйесімен және ортақ рельсті отын жүйесімен түтін шығаруды салыстырды. Нәтижесінде, ортақ рельсті жүйе қолданғанда барлық жұмыс жағдайларында жақсару байқалды.
Экологиялық әсерлері
2013 жылы жүргізілген тәжірибелер дизельдік түтіннің бал аралардың майлы рапс гүлдерінің иісін анықтау қабілетін нашарлататынын көрсетті. Дизельді қозғалтқыштардан шығатын газдар жер бетіндегі озонның пайда болуына себеп болады, ол егістерге, ағаштарға және басқа да өсімдіктерге зиян келтіреді. Дизельдік түтін қышқыл жаңбырдың түзілуіне де ықпал етеді, ол топыраққа, көлдерге және өзендерге әсер етеді, сондай-ақ су, өнім, ет және балық арқылы адамның тағам тізбегіне енуі мүмкін. Дизельдік отын климаттың өзгеруіне әсер етеді. Дизельді қозғалтқыштардан шығатын парниктік газдарды (ПГ) азайту арқылы, жанармайдың үнемділігін арттыру немесе бос жүріс уақытын қысқарту сияқты шаралар қолдану арқылы климаттың өзгеруімен күресуге, елдің энергетикалық қауіпсіздігін арттыруға және экономиканы нығайтуға болады. NOx және CO сияқты ластаушы заттарды азайту үшін басқа отынға (мысалы, диметил эфиріне және диэтил эфирі сияқты басқа биоэфирлерге) көшу өте тиімді тәсіл болып табылады. Мысалы, диметил эфирімен (DME) жұмыс істегенде, бөлшектік заттардың шығарылымы дерлік болмайды, тіпті дизельдік бөлшектік сүзгілерді де қолдану қажеттігі тумайды. Сонымен қатар, DME жануарлар, азық-түлік және ауылшаруашылық қалдықтарынан жасалуы мүмкін, бұл оны көміртегі нейтралды етеді (құрамындағы дизельге қарағанда). Биоэфирді (немесе сутегі сияқты басқа отындарды) дәстүрлі дизельге қосу да шығарылатын ластаушы заттарға оң әсер етеді. Отынды ауыстырудан басқа, АҚШ инженерлері АҚШ-тың 2010 жылғы шығарындылар стандарттарына сәйкес келетін нарықтағы барлық өнімдерге қолданылатын тағы екі принцип пен ерекше жүйе ұсынды: селективті катализсіз тотығу (SNCR) және қағыс газдарды қайта айналдыру (EGR). Екеуі де дизельдік қозғалтқыштардың қағыс жүйесінде орналасқан және тиімділікті арттуға бағытталған.
Селективті каталитикалық редукция
Селективті каталитикалық редукция (SCR) дизельді қозғалтқыш құбырларына аммиак немесе мочевина сияқты тотықтырғыш затты (соңғысы сулы ерітінді түрінде, онда ол дизельдік құю сұйықтығы, DEF деп аталады) азот оксидтерін (NOx) газ тәрізді азот пен суға айналдыру үшін жібереді. SNCR жүйелерінің прототиптері құбырлардағы NOx-тің 90% дейін азайта алады, ал коммерциялық жүйелердің көрсеткіштері сәл төмен. SCR жүйелеріне міндетті түрде күйелі бөлшектерді сүзуге арналған фильтрлер қажет емес; SNCR және күйелі бөлшектерді сүзуге арналған фильтрлерді біріктіргенде, кейбір қозғалтқыштардың отын тиімділігі 3-5% артады. SCR жүйесінің кемшілігі, бастапқы әзірлеуге қосымша шығын (оны нормативтерге сәйкестік пен өнімділікті жақсарту арқылы өтеуге болады) және тотықтырғыш затты үнемі толықтыру қажеттігі болып табылады, оның жиілігі жүрілген қашықтыққа, жүктемеге және пайдалану уақытына байланысты өзгереді. SNCR жүйесі жоғары айналымдар минутына (rpm) кезінде тиімділігі төмен. SCR тиімділігін кең температура диапазонында арттыру, қызмет ету мерзімін ұзарту және басқа да коммерциялық талаптарды қанағаттандыру үшін жақсартуда. Түрбокомпрессорлы қозғалтқыштарда EGR үшін шығару коллекторы мен сору коллекторы арасындағы бақыланатын қысым айырмасы қажет, оны өзгермелі геометриялы турбокомпрессорды қолдану арқылы қамтамасыз етуге болады, ол турбинаға кіретін бағыттағыш қанатшалармен жабдықталған, бұл шығару коллекторындағы газдың кері қысымын жасап, оны сору коллекторына бағыттайды.
Бірлескен жүйелер
John Deere компаниясы, ауыл шаруашылығы техникасын өндіруші, 9 литрлік "қатарлы 6" дизельді қозғалтқышта мұндай біріктірілген SCR EGR конструкциясын енгізіп келеді, ол екі жүйе түрін – PM сүзгісі мен қосымша тотықтырғыш катализатор технологияларын қамтиды. Біріктірілген жүйеде екі турбокомпрессор бар: біріншісі – EGR жүйесін қамтитын, өзгермелі геометриялы және түтін жинағышында орналасқан, ал екіншісі – тұрақты геометриялы турбокомпрессор. Қайта айналымға түсетін түтін газы мен турбокомпрессорлардан келетін қысылған ауа жеке-жеке салқындатылады, содан кейін ауа сору коллекторына түсетін бұрын бірігеді. Барлық кіші жүйелер орталық қозғалтқыш басқару блогы арқылы басқарылады, ол түтін газына шығарылатын зиянды заттарды барынша азайтуды қамтамасыз етеді. Үндістанда Chakr Dual Fuel Kit дизель генераторларын газ бен дизельдің қоспасымен жұмыс істеу үшін жаңартады, онда 70% табиғи газ және 30% қатты отын қолданылады.
Суды қайта өңдеу
Шөлдегі әскерлердің көліктерінің түтін газдарынан ішуге жарамды су алу жолдары зерттелген.