Введение
Газообразный выхлоп, образуемый дизельным двигателем.
Дизельный выхлоп – это газообразный выхлоп, образуемый дизельным двигателем внутреннего сгорания, а также содержащиеся в нем твердые частицы. Его состав может меняться в зависимости от типа топлива, скорости его потребления, режима работы двигателя (например, на холостом ходу, при движении или под нагрузкой), а также от того, используется ли двигатель в автомобильном, сельскохозяйственном, железнодорожном транспорте, морских судах, стационарных генераторах или других областях применения. Дизельный выхлоп является канцерогеном 1-й группы, вызывающим рак легких и связанным с повышенным риском развития рака мочевого пузыря. Он содержит несколько веществ, которые также классифицированы Международным агентством по изучению рака (IARC) как канцерогены для человека. Существуют методы снижения содержания оксидов азота (NOx) и твердых частиц (PM) в выхлопных газах. Хотя дизельное топливо содержит немного больше углерода (2,68 кг CO₂/литр) по сравнению с бензином (2,31 кг CO₂/литр), общие выбросы CO₂ от дизельного автомобиля, как правило, ниже благодаря более высокой эффективности. В среднем, при эксплуатации, это составляет около 200 г CO₂/км для бензиновых автомобилей и 120 г CO₂/км для дизельных.
Состав
Основными продуктами сгорания нефтяного топлива в воздухе являются углекислый газ, вода и азот. Остальные компоненты образуются преимущественно в результате неполного сгорания и пиросинтеза. Хотя состав отдельных компонентов сырого (необработанного) дизельного выхлопа варьируется в зависимости от таких факторов, как нагрузка, тип двигателя и т. д., в прилегающей таблице представлен типичный состав. Физические и химические условия внутри любого дизельного двигателя при любых режимах работы значительно отличаются от условий в двигателях с искровым зажиганием, поскольку, по конструкции, мощность дизельного двигателя напрямую регулируется подачей топлива, а не соотношением воздух/топливо, как в обычных бензиновых двигателях. В результате этих различий дизельные двигатели обычно производят иной спектр загрязняющих веществ, чем двигатели с искровым зажиганием; эти различия могут быть как качественными (какие загрязнители присутствуют, а какие отсутствуют), так и, чаще, количественными (какое количество конкретных загрязнителей или классов загрязнителей содержится в выхлопе). Например, дизельные двигатели производят в 28 раз меньше монооксида углерода, чем бензиновые, поскольку они сжигают топливо в избытке воздуха даже при полной нагрузке. Однако обедненная топливно-воздушная смесь в дизельных двигателях, а также высокие температуры и давление в процессе сгорания приводят к значительному образованию NOx (газообразных оксидов азота) – загрязнителя воздуха, представляющего собой уникальную проблему с точки зрения его снижения. В то время как общий объем оксидов азота от бензиновых автомобилей снизился примерно на 96% благодаря внедрению каталитических нейтрализаторов выхлопных газов к 2012 году, дизельные автомобили по-прежнему производят оксиды азота на уровне, сопоставимом с автомобилями, приобретенными 15 лет назад, согласно результатам реальных испытаний; следовательно, дизельные автомобили выделяют примерно в 20 раз больше оксидов азота, чем бензиновые. Современные дизельные двигатели, как правило, используют системы селективного каталитического восстановления (SCR) для соответствия нормам выбросов, поскольку другие методы, такие как рециркуляция отработавших газов (EGR), не позволяют адекватно снизить уровень NOx для соответствия новым стандартам, действующим во многих странах. Вспомогательные дизельные системы, предназначенные для очистки от оксидов азота, описаны в отдельном разделе ниже. Кроме того, мелкие частицы (мелкая пыль) в дизельном выхлопе (например, сажа, иногда видимая в виде непрозрачного темного дыма) традиционно вызывает больше опасений, поскольку представляет различные риски для здоровья и редко образуется в значительных количествах двигателями с искровым зажиганием. Эти особенно вредные частицы достигают максимальной концентрации, когда двигатель работает с недостаточным количеством кислорода для полного сгорания топлива; при работе дизельного двигателя на холостом ходу обычно присутствует достаточно кислорода для полного сгорания топлива. (Обеспечение достаточного количества кислорода в двигателях, работающих не на холостом ходу, обычно достигается с помощью турбонаддува.) С точки зрения выбросов частиц, выхлопные газы дизельных транспортных средств считаются значительно более вредными, чем от бензиновых. Выхлопные газы дизельного топлива, давно известные своим характерным запахом, значительно изменились с уменьшением содержания серы в дизельном топливе и вновь изменились после внедрения каталитических нейтрализаторов в выхлопные системы. Тем не менее, выхлопные газы дизельного топлива продолжают содержать множество неорганических и органических загрязнителей, различных классов и в различных концентрациях (см. ниже), в зависимости от состава топлива и режима работы двигателя.
Состав выхлопных газов по различным источникам
+Состав выхлопных газов дизельного двигателя
Средний состав выхлопных газов дизельного двигателя (Рейф 2014)
Средний состав выхлопных газов дизельного двигателя (Меркер, Тейхман, 2014)
Состав выхлопных газов первого дизельного двигателя (Хартенштейн, 1895)
Состав выхлопных газов дизельного двигателя (Хайр, Маевски, 2006)
Состав выхлопных газов дизельного двигателя (различные источники)
Виды
Объемный процент
Объемный процент
Объемный процент
Объемный процент (Объем?)
Азот (N2) 75,2% 72,1% ~67%
Кислород (O2) 15% 0,7% 0,5% ~9%
Диоксид углерода (CO2) 7,1% 12,3% 12,5% ~12%
Вода (H2O) 2,6% 13,8% ~11%
Окись углерода (CO) 0,043% 0,09% 0,1% 100–500 ppm
Окислы азота 0,034% 0,13% 50–1000 ppm
Углеводороды (HC) 0,005% 0,09%
Альдегид 0,001% n/a
Твердые частицы (сульфат + твердые вещества) 0,008% 0,0008% 1–30 mg·m−3
Общие проблемы
По сообщениям, выбросы дизельных автомобилей значительно более опасны для здоровья, чем выбросы бензиновых автомобилей. Выхлопные газы при сгорании дизельного топлива содержат атмосферную сажу и мелкие частицы, которые являются компонентом загрязнения воздуха, вызывающего рак у людей.
Влияние на здоровье на рабочем месте
Воздействие выхлопных газов дизельного топлива и дизельных твердых частиц (ДТЧ) является профессиональной опасностью для водителей грузовиков, железнодорожников, жителей жилых домов вблизи железнодорожных депо и шахтеров, использующих дизельное оборудование в подземных шахтах. Неблагоприятные последствия для здоровья наблюдались также у населения в целом при концентрациях атмосферных частиц в окружающей среде, значительно ниже, чем на рабочих местах. В марте 2012 года ученые правительства США показали, что у шахтеров, работающих под землей и подвергающихся воздействию высоких уровней дизельных выбросов, риск заболеть раком легких в три раза выше, чем у тех, кто подвергается воздействию низких уровней. Исследование "Выхлопные газы дизельного топлива у шахтеров" (DEMS) стоимостью 11,5 миллиона долларов США охватило 12 315 шахтеров, с учетом ключевых канцерогенов, таких как табачный дым, радон и асбест. Это позволило ученым изолировать влияние дизельных выбросов. Более 10 лет в США выражалась обеспокоенность по поводу воздействия ДТЧ на детей во время поездок в школьных автобусах с дизельными двигателями. В 2013 году Агентство по охране окружающей среды (EPA) инициировало программу "Чистый школьный автобус США" с целью объединения частных и государственных организаций для снижения воздействия на учащихся.
Опасения по поводу твердых частиц
Двигательные частицы дизельного топлива (DPM), иногда также называемые дизельными выхлопными частицами (DEP), являются твердой фракцией дизельного выхлопа, включающей дизельную сажу и аэрозоли, такие как частицы пепла, частицы металлического износа, сульфаты и силикаты. Попадая в атмосферу, DPM может существовать в виде отдельных частиц или цепочечных агрегатов, при этом большинство из них находится в невидимом субмикронном диапазоне, около 100 нанометров, также известных как ультрадисперсные частицы (UFP) или PM0.1. Основная фракция твердых частиц в дизельном выхлопе состоит из мелких частиц. Благодаря своему небольшому размеру, вдыхаемые частицы могут легко проникать глубоко в легкие. Шероховатая поверхность этих частиц способствует их связыванию с другими токсинами в окружающей среде, тем самым увеличивая опасность при вдыхании. Другие исследования показали, что в определенных случаях (например, при низкой нагрузке или использовании более насыщенного сырья) выбросы NOx могут быть ниже, чем при использовании дизельного топлива, однако в большинстве случаев выбросы NOx выше и даже возрастают при увеличении доли биотоплива в смеси. Чистый биодизель (B100) в конечном итоге приводит к выбросам NOx на 10-30% больше, чем при использовании обычного дизельного топлива.
Специфические эффекты
При воздействии на организм возникают острые кратковременные симптомы, такие как головная боль, головокружение, легкость в голове, тошнота, кашель, затрудненное дыхание, стеснение в груди, раздражение глаз, носа и горла. Длительное воздействие может привести к хроническим, более серьезным проблемам со здоровьем, таким как сердечно-сосудистые заболевания, кардиопульмональные заболевания и рак легких. Элементарный углерод, связанный с дорожным движением, был значительно ассоциирован с хрипами в возрасте 1 года и стойкими хрипами в возрасте 3 лет в когортном исследовании аллергии и загрязнения воздуха в детстве, проведенном в Цинциннати. Проект "Загрязнение воздуха от транспорта и здоровье в Лондоне", финансируемый NERC HPA, в настоящее время реализуется в Королевском колледже Лондона с целью углубленного изучения влияния загрязнения воздуха от транспорта на здоровье. Загрязнение воздуха, связанное с дорожным движением, ассоциировалось со снижением когнитивных функций у пожилых мужчин. Согласно официальному отчету № 2352 Федерального агентства по охране окружающей среды Германии (Umweltbundesamt Berlin), в 2001 году смертность, связанная с воздействием дизельной сажи, составила не менее 14 400 человек из 82 миллионов населения Германии. Изучение наночастиц и нанотоксикологии находится на начальной стадии, и последствия для здоровья от наночастиц, образующихся при работе всех типов дизельных двигателей, все еще выясняются. Очевидно, что негативное влияние дизельных выбросов мелких частиц на здоровье серьезно и широко распространено. Хотя одно исследование не выявило значимых доказательств того, что кратковременное воздействие выхлопных газов дизельного топлива вызывает неблагоприятные экстрапульмональные эффекты, связанные с увеличением риска сердечно-сосудистых заболеваний, исследование 2011 года, опубликованное в журнале The Lancet, пришло к выводу, что воздействие дорожного движения является наиболее серьезным предотвратимым фактором, провоцирующим сердечные приступы у населения, являясь причиной 7,4% всех случаев. Невозможно определить, какая часть этого эффекта обусловлена стрессом, связанным с дорожным движением, а какая – воздействием выхлопных газов. Поскольку изучение вредного воздействия наночастиц на здоровье (нанотоксикология) все еще находится в зачаточном состоянии, а характер и масштабы негативного воздействия выхлопных газов дизельного топлива продолжают изучаться, остается предметом споров, является ли влияние дизельных двигателей на здоровье населения более значительным, чем влияние автомобилей, работающих на бензине.
Изменения в зависимости от состояния двигателя
Типы и количество наночастиц могут варьироваться в зависимости от рабочих температур и давлений, наличия открытого пламени, основного типа топлива и состава топливной смеси, а также атмосферных смесей. Следовательно, типы наночастиц, образующиеся в различных технологиях двигателей и даже при использовании разных видов топлива, не всегда сопоставимы. Одно исследование показало, что 95% летучей составляющей дизельных наночастиц – это несгоревшее смазочное масло. Долгосрочные последствия требуют дальнейшего изучения, равно как и влияние на уязвимые группы людей, страдающих сердечно-легочными заболеваниями. Дизельные двигатели могут выбрасывать черный сажу (или, точнее, дизельные твердые частицы) с выхлопными газами. Черный дым состоит из углеродных соединений, которые не сгорают из-за локально низких температур, при которых топливо не полностью распыляется. Эти локальные низкие температуры возникают на стенках цилиндров и на поверхности крупных капель топлива. В этих областях, где относительно холодно, смесь становится богатой (в отличие от общей обедненной смеси). В богатой смеси недостаточно воздуха для сгорания, и часть топлива превращается в углеродные отложения. Современные автомобильные двигатели используют дизельный сажевый фильтр (DPF) для улавливания частиц углерода, которые затем периодически сжигаются путем впрыска дополнительного топлива непосредственно в фильтр. Это предотвращает накопление сажи за счет незначительных потерь топлива. Предельная мощность дизельного двигателя при нормальной эксплуатации определяется "пределом черного дыма", за которым топливо не может быть полностью сожжено. Поскольку "предел черного дыма" все еще значительно ниже стехиометрического соотношения, можно получить большую мощность, превысив его, однако неэффективное сгорание приведет к снижению эффективности, высокому расходу топлива и густым облакам дыма. Это допустимо только в высокопроизводительных приложениях, где эти недостатки не имеют существенного значения. При холодном пуске эффективность сгорания снижается, поскольку холодный блок двигателя отводит тепло из цилиндра во время такта сжатия. В результате топливо сгорает не полностью, образуя синий и белый дым и снижая мощность до тех пор, пока двигатель не прогреется. Это особенно характерно для двигателей с косвенным впрыском, которые менее теплоэффективны. В двигателях с электронным впрыском время и продолжительность впрыска могут быть изменены для компенсации этого эффекта. Старые двигатели с механическим впрыском могут быть оснащены механическими и гидравлическими регуляторами для изменения времени впрыска, а также многофазными электрически управляемыми свечами накаливания, которые остаются включенными в течение некоторого времени после запуска для обеспечения чистого сгорания; свечи автоматически переключаются на меньшую мощность, чтобы предотвратить их перегорание. Компания Wärtsilä утверждает, что существует два способа образования дыма в больших дизельных двигателях: первый – попадание топлива на металл и отсутствие времени для его сгорания, а второй – избыток топлива в камере сгорания. Компания Wärtsilä провела испытания двигателя, сравнив выбросы дыма при использовании традиционной топливной системы и системы common rail. Результаты показали улучшение показателей во всех режимах работы при использовании системы common rail.
Экологические последствия
Эксперименты, проведенные в 2013 году, показали, что выхлопные газы дизельного топлива ухудшают способность пчел обнаруживать запах цветов рапса. Выбросы дизельных двигателей способствуют образованию приземного озона, который может наносить вред сельскохозяйственным культурам, деревьям и другой растительности. Выхлопные газы дизельного топлива также способствуют образованию кислотных дождей, которые влияют на почву, озера и ручьи и могут попадать в пищевую цепь человека через воду, сельскохозяйственную продукцию, мясо и рыбу. Выхлопные газы дизельного топлива играют роль в изменении климата. Сокращение выбросов парниковых газов (ПГ) от дизельных двигателей за счет повышения эффективности использования топлива или сокращения времени работы в холостом ходу может помочь решить проблему изменения климата, улучшить энергетическую безопасность страны и укрепить экономику. Переход на другое топливо (например, диметилэфир и другие биоэфиры, такие как диэтиловый эфир) является эффективным способом снижения выбросов загрязняющих веществ, таких как NOx и CO. Например, при работе на диметилэфире (DME) выбросы твердых частиц практически отсутствуют, что позволяет даже отказаться от использования дизельных сажевых фильтров. Кроме того, поскольку DME может быть получен из отходов животного происхождения, пищевых и сельскохозяйственных отходов, он может быть даже углеродно-нейтральным (в отличие от обычного дизельного топлива). Добавление биоэфира (или других видов топлива, таких как водород) в обычное дизельное топливо также оказывает положительное влияние на состав выбросов. Помимо изменения топлива, американские инженеры разработали два других принципа и отдельные системы, применяемые ко всем продуктам, представленным на рынке и соответствующим критериям выбросов США 2010 года: селективное некаталитическое восстановление (SNCR) и рециркуляция отработавших газов (EGR). Обе системы установлены в выхлопной системе дизельных двигателей и предназначены для повышения их эффективности.
Селективное каталитическое восстановление
В системе селективного каталитического восстановления (SCR) в выхлоп дизельного двигателя вводится восстановитель, такой как аммиак или мочевина (последняя в водном растворе, известном как дизельная выхлопная жидкость, DEF), для преобразования оксидов азота (NOx) в газообразный азот и воду. Были созданы прототипы систем SNCR, снижающих содержание NOx в выхлопной системе на 90%, хотя коммерческие системы демонстрируют несколько более низкие показатели. Системы SCR не всегда требуют фильтров твердых частиц (PM); при совместном использовании SNCR и фильтров PM некоторые двигатели показывают повышение топливной эффективности на 3–5%. К недостаткам системы SCR, помимо дополнительных первоначальных затрат на разработку (которые могут быть компенсированы соответствием нормам и улучшением характеристик), относится необходимость периодической заправки восстановителя, частота которой зависит от пробега, нагрузки и времени работы. Система SNCR менее эффективна при высоких оборотах в минуту (rpm). Ведется оптимизация SCR для повышения эффективности в более широком диапазоне температур, увеличения срока службы и удовлетворения других коммерческих требований. В турбированных двигателях для системы EGR необходим контролируемый перепад давления между выхлопным и впускным коллекторами, что может быть достигнуто, например, с помощью турбокомпрессора с изменяемой геометрией, оснащенного входными направляющими лопатками на турбине для создания противодавления в выхлопном коллекторе и направления выхлопных газов во впускной коллектор.
Комбинированные системы
John Deere, производитель сельскохозяйственной техники, внедряет подобную комбинированную систему SCR EGR в 9-литровом рядном 6-цилиндровом дизельном двигателе, включающую оба типа систем, фильтр сажевых частиц и дополнительные технологии окислительного катализатора. Комбинированная система включает два турбокомпрессора: первый – на выхлопном коллекторе, с изменяемой геометрией и интегрированной системой EGR; и второй – с фиксированной геометрией. Отработавшие газы и сжатый воздух от турбокомпрессоров охлаждаются раздельно, а затем смешиваются перед впускным коллектором. Все подсистемы управляются центральным блоком управления двигателем, который оптимизирует снижение выбросов загрязняющих веществ в выхлопных газах. В Индии комплект Chakr Dual Fuel Kit позволяет модернизировать дизельную генераторную установку для работы на смеси газа и дизельного топлива в соотношении 70% природного газа и 30% ископаемого топлива.
Восстановление воды
Проводились исследования методов получения питьевой воды войсками в пустыне из выхлопных газов транспортных средств.