Автомобильный транспорт - основной потребитель (свыше 65%) наиболее дефицитных и ценных светлых нефтепродуктов, получаемых на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ). НПЗ являются источниками загрязнения окружающей среды в тех регионах, на территории которых они расположены. Основные загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу НПЗ, - углеводороды, диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота. Вклад прочих вредных веществ в валовой сброс невелик, но они более токсичны.

Почти на всех НПЗ все больше внимания уделяется вопросу модернизации и реконструкции технологических процессов для улучшения качества получаемых продуктов и одновременно снижения негативного влияния на окружающую среду. Все возрастающие потребности стран в нефти и продуктах нефтепереработки в результате роста энергопотребления и увеличения автомобильного парка делают весьма актуальным экономию моторного топлива, в частности за счет оснащения автомобилей дизельными двигателями, расходующими на 30% меньше топлива по сравнению с карбюраторными бензиновыми двигателями. Кроме того, при производстве дизельного топлива требуется в 2,5 раза меньше энергии, чем для производства бензина. Получается двойная экономия энергоресурсов.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) - бензиновые карбюраторные и дизельные - остаются наиболее массовой силовой установкой автомобиля. В первых топливом является воздушно - бензиновая смесь, которая приготавливается в карбюраторе и затем принудительно воспламеняется в цилиндрах двигателя. Отличительная особенность вторых - внутреннее смесеобразование: топливо (керосиновые, газойлевые или соляровые фракции прямой перегонки нефти) подается непосредственно в цилиндры и самовоспламеняется от сжатого горячего воздуха. В нашей стране автомобили с дизельными двигателями составляют около 15% от численности всего парка (для сравнения: во Франции дизельные двигатели имеют 30% автомобилей с грузоподъемностью 4-12 т и 98% - с грузоподъемностью свыше 12 т).

Важная характеристика двигателей внутреннего сгорания, влияющая на их КПД - степень сжатия рабочей (горючего) смеси в цилиндрах. Если степень сжатия небольшая, то выхлопные газы покидают двигатель, имея достаточно высокие температуры и давление и не в полной мере отдавая свою энергию поршню. В современных карбюраторных двигателях степень сжатия составляет 8-9. При высоких степенях сжатия на ряде режимов работы возникает особый вид аномального сгорания - детонация, когда воздушно - бензиновая смесь не воспламеняется, а взрывается. Причиной детонации становится разложение бензина с образованием пероксидных соединений углеводородов, сопровождающееся выделением большого количества тепла и имеющее при высоких давлениях и температурах взрывной характер. В результате детонации скорость распространения пламени возрастает до 2500 м/с и в цилиндре возникают ударные волны. Детонация снижает мощность двигателя, может вызвать его разрушение, при этом расход топлива возрастает, а за счет его неполного сгорания в выхлопных газах резко повышается содержание вредных веществ и сажи.

Наиболее эффективный способ борьбы с детонацией - повышение антидетонационных свойств бензина, используемого как моторное топливо. Показателем способности бензина противостоять возникновению детонации является октановое число, определяемое специальными методами. Принято, что октановое число очень стойкого к детонации изооктана равно 100 единицам, а октановое число сильно детонирующего гептана равно 0. Октановое число бензина показывает процентное содержание изооктана в этаноловой смеси изооктана и гептана, которая по своим детонационным свойствам эквивалентна данному бензину. Октановое число бензина указывает цифра в его маркировке. Повышение октанового числа бензина (уменьшение вероятности детонации при повышении степени сжатия рабочей смеси в цилиндре двигателя) достигается технологией его получения. бензины прямой перегонки нефти имеют октановое число не выше 50 единиц, термического крекинга - до 70, а каталитического риформинга - до 95 единиц.

В основной массе автомобильных бензинов требуемая антидетонационная стойкость достигается, главным образом, за счет добавок антидетонаторов. Наиболее распространенная антидетонационная присадка - тетраэтилсвинец Pb (C2H5) 4, несколько десятков капель которого на литр бензина предотвращают детонацию. Вместе с тетраэтилсвинцом добавляются вещества, препятствующие отложению в двигателях оксидов свинца, возникающих при сгорании такого топлива, и выносящие их из двигателя вместе с отработанными газами. Смесь тетраэтилсвинца с этими веществами называется этиловой жидкостью, а бензины с такими добавками - этилированными. Автотранспорт, использующий этилированный бензин, - основной источник свинцового загрязнения атмосферы. Мировой автомобильный парк ежегодно выбрасывает в атмосферу 250 тыс. т свинца в виде аэрозолей. Во многих странах мира уже приняты законодательные меры, ограничивающие и дозы этилирования, и объемы потребления этилированных бензинов.

В отличие от бензиновых двигателей, обычно работающих на обогащенной смеси, в которой бензин не может сгореть полностью из-за недостатка кислорода, дизельные двигатели работают на обедненной смеси, что обеспечивает более полное сгорание топлива, приводит к повышению их КПД и уменьшению токсичности выхлопных газов. Главный недостаток дизельных двигателей - их металлоемкость, ограничивающая их установку на легковых автомобилях.

Для сокращения потребления моторных топлив нефтяного происхождения перспективен поиск их заменителей, интенсивно ведущийся во всех автомобилестроительных странах. Такие топлива полностью или частично нефтяного происхождения, получили название альтернативных. Основное сырье для альтернативных моторных топлив - биомасса или природный газ. Наиболее распространенный способ получения моторных топлив из возобновляемого растительного сырья - биомассы - является ферментация (брожение), в результате чего получаются спирты, в частности метанол и этанол, которые можно применять не только как добавки к бензину, но и в чистом виде. Важное преимущество метанола - его высокая детонационная стойкость, позволяющая увеличить степень сжатия до 12-14. Однако, по данным английских исследователей, использование метанола в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания создает серьезные проблемы, связанные с загрязнением атмосферного воздуха токсичным метилнитритом, содержащимся в отработанных газах.

Более приемлем с точки зрения охраны окружающей среды этанол, или этиловый спирт. Особенно перспективен для производства этанола сахарный тростник. В настоящее время 20% -я добавка спирта в бензин рассматривается как наиболее эффективная с технико-экономической точки зрения, поскольку в этом случае не нужны модификация или дополнительная регулировка двигателя. Больше всего автомобилей, работающих на бензине с этанолом, в Бразилии.

Природный газ - один из альтернативных видов моторного топлива. Это отличное топливо для машин как вследствие его дешевизны, так и из-за значительного уменьшения загрязнения окружающей среды при его использовании. При прочих равных условиях в выхлопных газах автомобилей, работающих на газе, оксида углерода меньше на 25-40%, диоксида азота меньше на 25-30%, а сажи меньше на 40-50%, чем у автомобилей с бензиновым двигателями. У природного газа октановое число от 105 до 110 единиц (у самого высокосортного бензина только 98 единиц). Высокооктановое стабильное по составу газов топливо хорошо смешивается с воздухом и равномерно распределяется по цилиндрам двигателя, способствуя более полному сгоранию рабочей смеси и уменьшению выброса токсичных веществ. Кроме того, такое топливо не смывает смазку цилиндров и тем самым почти в 1,5 раза продлевает жизнь двигателя.

Главный претендент на звание “топлива будущего” - водород, запасы которого практически не ограничены, а процесс сжигания в двигателе характеризуется высоким энергетическим и экологическим совершенством. Для получения водорода могут быть использованы различные термохимические или биохимические способы с использованием экологически чистой энергии Солнца. В нашей стране и за рубежом уже созданы экспериментальные автомобили, использующие водород в жидком виде или в составе твердых металлогидратов в качестве основного топлива или в смеси с бензином. Бензиноводородный двигатель по сравнению с бензиновым характеризуется увеличением степени сгорания топлива, при этом уменьшаются выбросы (оксида углерода - в 9 раз, оксидов азота - в 7 раз, углеводородов - в 2 раза) и расход бензина (при 10-15% -й добавке водорода расход бензина снижается наполовину).

Преимущества водорода как автомобильного топлива несомненны. Его теплотворная способность в три раза выше, чем у бензина, а продукты сгорания содержат безобидный компонент - водяной пар. Более полувека назад профессор Орлин из МГТУ им. Баумана впервые создал и запустил карбюраторный двигатель на водороде. Использование водорода в качестве топлива потребует значительного увеличения его производства. В этом заключается одно из главных препятствий на пути широкого применения водорода как двигательное топливо.

Загрязнение воздуха автомобильным транспортом и характеристики некоторых веществ в выхлопных газах.

Воздействие автотранспорта и обеспечивающей его инфраструктуры на природную среду сопровождается не только потреблением невозобновимых природных ресурсов и связанным с этим загрязнением природной среды, но и негативными изменениями биосферы и прежде всего воздушного бассейна, обусловленными непосредственной работой современных карбюраторных и дизельных автомобильных двигателей.

Загрязнение атмосферного воздуха в результате работы автомобиля обусловлено тремя основными источниками: системой выпуска отработанных газов, системой смазки и вентиляции картера, системой питания. На долю выхлопных газов приходится наибольшая часть (70-80%) вредных веществ, выделяемых автомобильным двигателем. Камера сгорания двигателя - это своеобразный химический реактор, синтезирующий вредные вещества, которые затем поступают в атмосферу. Даже нейтральный атмосферный азот, попадая в камеру сгорания двигателя, превращается в ядовитые оксиды азота. В отработанных газах содержится более 200 различных химических соединений, из них около 150 - производные углеводородов, прямо обязанные своим появлением неполному или неравномерному сгоранию топлива в двигателе.

Доля автотранспорта в загрязнении атмосферы высокоавтомобилизированных стран составляет: во Франции - 32%, а Великобритании - 34%, в США - 60%.

Ситуация во многих городах России, по критериям Госкомсанэпидемнадзора, в последние несколько лет оценивается как критическая. Так, в Москве суточный пробег автопарка составляет в настоящее время 68 019 тысяч машинокилометров. При этом суточный выброс вредных веществ с отработанными газами автомобилей равен 3029,7 т, из них: оксида углерода - 2369,1 т, оксидов азота - 163,9 т, углеводородов - 462,1 т, сернистого ангидрида - 33 т. В числе этих выбросов такие опасные отравляющие вещества, как полициклические углеводороды и другие канцерогенные вещества - 900 кг, свинец - 700 кг. Уровень загрязнения центральной части города и вдоль отдельных магистралей по главным автомобильным поллютантам составляет 10 - 20 предельно допустимых концентраций. При сохранении сегодняшних тенденций суточный пробег автотранспорта в Москве в 2000 году составит 69 788 тысяч машино - километров, а суточный валовой выброс загрязняющих веществ - 4779,4 т.

Характеристики некоторых веществ, содержащихся в выхлопных газах