POLITECHNIKA WROCŁAWSKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA

Kierunek Inżynieria Środowiska

Seminarium z przedmiotu:

OCHRONA POWIETRZA

Temat opracowania:

ROZWÓJ MOTORYZACJI A ZANIECZYSZCZENIA POWIETRZA

Prowadzący zajęcia:

Wrocław,

Spis treści:

1. Wstęp (wprowadzenie do zagadnienia motoryzacji)

2. Rozwinięcie:

2.1. Zanieczyszczenia powietrza powodowane transportem samochodowym

2.2. Podział składników spalin silnika niskoprężnego (ZI)

2.3. Opis składników spalin silnika ZI

2.4. Podział składników spalin silnika wysokoprężnego (ZS)

2.5. Opis składników spalin silnika ZS

2.6. Czynniki wpływające na spaliny ZS

2.7. Rodzaje dymów silnika wysokoprężnego

2.8. Wpływ spalin silnika wysokoprężnego na organizm człowieka

2.9. LPG jako paliwo ekologiczne

2.10. Zapobieganie zanieczyszczeniom

2.10.1. Biopaliwa

3. Podsumowanie

4. Literatura

1. WSTĘP

Kiedy w 1907 pierwszy samochód Ford'a poruszał się po drogach, nie stwarzał problemu zanieczyszczenia, mimo że na kilometr wykapywało z jego mechanizmów co najmniej 0,1 litra oleju, a dym z jego rury wylotowej był trujący, pełen sadzy i niedopalonych węglowodorów. Działo się tak, ponieważ był dobrem nieosiągalnym dla przeciętnego obywatela, dlatego liczba pojazdów była ograniczona i nie miała wpływu na środowisko.

1.1. Pierwszy samochód Henry'egoForda

Jednak w latach 80. i 90. sytuacja uległa diametralnej zmianie. Liczba aut rosła z roku na rok i nastąpił masowy rozwój motoryzacji. Problem samochodu jako źródła zanieczyszczeń pojawił się, gdy naturalne metody „oczyszczania” środowiska ze spalin (np. wiatr), okazywały się niewystarczające.

2. ROZWINIĘCIE

2.1. ZANIECZYSZCZENIA POWIETRZA POWODOWANE TRANSPORTEM SAMOCHODOWYM

Dziś trudno wyobrazić sobie życie bez samochodu. Niestety tak silny rozwój motoryzacji nie pozostaje bez echa dla środowiska naturalnego. Pośród wszystkich środków transportu, transport samochodowy, ma największy udział w zanieczyszczaniu powietrza atmosferycznego emitowanego podczas pracy silnika.

2.1.1. Udział głównych sektorów w emisji NOx w 2004 roku na terenie Polski

Na podstawie badań na temat wpływu motoryzacji na degradacje środowiska stwierdzono, iż największe zagrożenia powstają w miastach. Wiąże się to z faktem istnienia dużych natężeń ruchu, częstego zatrzymywania i ruszania pojazdów, małych prędkości. W zabudowie miejskiej występują gorsze warunki rozpraszania spalin niż na drogach szybkiego ruchu.

Na jednym z międzynarodowych kongresów drogowych, przedstawiono wyniki badań zanieczyszczenia środowiska w 12 wielkich miastach europejskich. Stwierdzono, że ponad 90% CO, 76% węglowodorów, 38% NOX (tlenków azotu), ponad 70% pyłów i prawie 100% ołowiu pochodzi z motoryzacji.

2.1.2. Dopuszczone wartości niektórych substancji w powietrzu

Lp.	Nazwa substancji	Okres uśrednienia wyników pomiaru	Teren kraju [µg/m3]
1.	Dwutlenek azotu	godzina / rok	200 / 40
2.	Tlenki azotu	godzina / rok	350 / 30
3.	Dwutlenek siarki	24 godziny / rok	125 / 20
4.	Ołów	8 godzin / rok	120 / 0,5
5.	Tlenek węgla	8 godzin	10 000

2.2. PODZIAŁ SKŁADNIKÓW SPALIN SILNIKA NISKOPRĘŻNEGO (ZI)

Składniki silnika o zapłonie iskrowym dzielimy na:
- toksyczne:

- tlenek węgla (CO)
- węglowodory (HC)
- tlenki azotu (NO)
- nietoksyczne:
- dwutlenek węgla (CO2)
- tlen (O2)
- azot (N2)
- para wodna (H2O)

2.3. OPIS SKŁADNIKÓW SPALIN SILNIKA ZI

Tlenek węgla (CO)

Jest produktem niedokończonego procesu spalania węgla (C), w komorze spalania silnika przy ograniczonej ilości powietrza. Jest gazem silnie trującym,bezbarwnym i bezwonnym, którego stężenie w spalinach może przekroczyć poziom nawet 10% (objętościowo). Stężenie od 0,10-0,20% tlenku węgla w ciągu 30 minut powoduje śmierć, gdyż tlenek węgla odbiera całą zawartość tlenu z krwi człowieka. Przy stężeniu objętościowym 0,01% tlenku węgla w ciągu dłuższego czasu mogą wystąpić przewlekłe lub ostre zatrucia. Łączy się z hemoglobiną 200-300 razy szybciej niż tlen, powodując zakłócenia procesu oddychania prowadząc do śmierci. Wysokie wartości (CO) wskazują na zbyt bogatą mieszankę paliwowo-powietrzną. W pojazdach posiadających katalizator tlenek węgla (CO) utlenia się przechodząc w dwutlenek węgla (CO2) co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia emisji tlenku węgla w spalinach.

Węglowodory (HC)
Są to nie spalone lub częściowo spalone cząsteczki paliwa- związki szczególnie trujące o bardzo negatywnym działaniu na organizm człowieka. Najbardziej niebezpieczną grupą są węglowodory aromatyczne jednopierścieniowe, a wśród nich benzen, który w dużych stężeniach powoduje śmierć. Rozpuszczając się w tłuszczach mogą kumulować się tkankach ludzi i zwierząt. Oprócz rury wydechowej źródłem węglowodorów w samochodzie są też skrzynia korbowa silnika i zbiornik paliwa. W pojazdach posiadających katalizator utlenia on zawarte w spalinach węglowodory na dwutlenek węgla (CO2) i parę wodną (H2O).

Tlenki azotu (NOx)
Wielkość emisji tlenków azotu zależy od ciśnień i szczytowych temperatur (ponad 1800oC) podczas procesu spalania w komorze silnika. W wyżej wymienionym procesie azot wchodzi w reakcję z tlenem tworząc tlenek azotu (NO) oraz niewielkie ilości dwutlenku azotu (NO2) i podtlenku azotu (N2O). Te związki azotu i tlenu wspólnie nazywamy tlenkami azotu i oznaczamy (NOx). Zaliczane są one do najbardziej toksycznych gazów spalinowych. Tlenek azotu (NO) jest gazem bezbarwnym, w organizmie ludzkim szybko reaguje z hemoglobiną, w tkankach utlenia się do (NO2). Dwutlenek azotu w kolorze czerwono-brązowym o ostrym zapachu i trujących właściwościach występuje zawsze w towarzystwie innych nitrogenów. W małych stężeniach wywołuje podrażnienie dróg oddechowych, przy stężeniu w powietrzu powyżej 0,38 (mg/dm3) prowadzi do zatrucia śmiertelnego. W pojazdach posiadających katalizator następuje redukcja tlenków azotu zawartych w spalinach - czyli odłączanie tlenu od tlenków azotu i uzyskanie czystego azotu (N2). 

Dwutlenek węgla (CO2)
Jest gazem bezbarwnym nietoksycznym bez zapachu, niepalnym, cięższym 1,5 raza od powietrza. Nadmierny wzrost zawartości tego gazu w atmosferze powoduje tzw. Efekt cieplarniany. Powstaje jako produkt spalania węgla (C) w komorze spalania silnika. Dwutlenek węgla jest wynikiem bardziej efektywnego spalania. Im wyższa procentowo zawartość CO2 w spalinach, tym efektywniej pracuje silnik 

Tlen

Jest gazem bezbarwnym, bez zapachu i smaku. Występuje w atmosferze w stanie wolnym stanowiąc 20,94 % objętości powietrza. Tlen jest bardzo potrzebny w procesie spalania - inicjuje reakcje tam zachodzące.

Azot

Jest to gaz bezbarwny, bez zapachu i smaku - główny składnik powietrza (ok. 78%), dostaje się do komory spalania, a następnie do spalin.

Para wodna (H2O)
Jest to końcowy produkt procesu spalania w silniku i utleniania w katalizatorze.

2.4. PODZIAŁ SKŁADNIKÓW SPALIN SILNIKA WYSOKOPRĘŻNEGO (ZS)

Składniki spalin silnika o zapłonie samoczynnym (wysokoprężnego):

- toksyczne:

- węgiel (sadza),

- tlenek węgla,

- węglowodory,

- dwutlenek siarki,

- dwutlenek azotu,

- aldehydy,

- nietoksyczne:

- azot,

- para wodna.

2.5. OPIS SKŁADNIKÓW SPALIN SILNIKA ZS

Sadza

Sadza jest produktem powstającym w trakcie niepełnego spalania. Głównym składnikiem sadzy jest amorficzna postać węgla. Oprócz tego zawiera drobne struktury grafitopodobne, niewielkie ilości fulerenów oraz resztki spalanych substancji organicznych, np: tłuszcze i popiół.

Dwutlenek siarki

Spalanie paliwa jest głównym źródłem emisji SO2 do atmosfery. SO2 należy do silnie toksycznych składników smogu. U ludzi związek ten powoduje uszkodzenie dróg oddechowych oraz wywołuje reakcje ogólnoustrojowe.

Aldehydy

Aldehydy rozszerzają naczynia krwionośne, powodując, że odczuwamy gorąco. Rozszerzenie naczyń krwionośnych wokół mózgu może zakończyć się bólem głowy i złym samopoczuciem.

2.6. CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA SPALINY ZS

Ilość i skład spalin silników wysokoprężnych zależeć od wielu czynników, a przede wszystkim od takich jak:

- jakość użytego oleju napędowego,

- rodzaj silnika wysokoprężnego,

- regulacji silnika,

- parametry pompy paliwowej,

- stopień obciążenia silnika,

- temperatura silnika,

- regularność używania silnika.

2.7. RODZAJE DYMÓW SILNIKA WYSOKOPRĘŻNEGO

Dym jest produktem spalania. Pojazdy napędzane silnikiem wysokoprężnym mogą produkować trzy rodzaje dymów :

- dym niebieski (głównie olej i niespalone do końca paliwo), wskazuje na zły serwis i nieodpowiednie parametry techniczne silnika,

- dym czarny (sadza, olej i niespalone do końca paliwo), wskazuje na wady techniczne silnika,

- dym biały (krople wody i niespalone do końca paliwo), produkowany jest wówczas, gdy silnik jest zimny, zanika w miarę wzrostu jego temperatury.

W przypadku starszych silników, biały dym charakteryzuje się ostrym zapachem, który

może spowodować podrażnienia górnych dróg układu oddechowego.

2.7. Kolory dymów: niebieski, czarny, biały

2.8. WPŁYW SPALIN SILNIKA WYSOKOPRĘŻNEGO NA ORGANIZM CZŁOWIEKA

Oddychanie w oparach spalin diesla może niekorzystnie wpłynąć na zdrowie. Narażenie na te spaliny może spowodować podrażnienia oczu lub dróg oddechowych. Skutki narażenia są z reguły krótkotrwałe i ustępują po oddaleniu się od źródła spalin. Jednak dłuższe narażenie na spaliny diesla, w szczególności niebieskie i czarne dymy, może powodować krztuszenie się, brak tchu, problemy z oddychaniem.

Dowiedziono, że w przypadku długo trwającego narażenia na spaliny diesla, sięgającego nawet 20 lat, występuje zwiększone ryzyko raka płuc.

Narażenie na spaliny silników benzynowych nie niesie ze sobą takiego samego ryzyka.

2.9. LPG JAKO PALIWO EKOLOGICZNE

2.9. Znak oznaczający stację autogazu

W odniesieniu do wymogów UE związanych z bezpiecznym użytkowanie energii oraz walką z globalnym ociepleniem, doskonałą alternatywą dla paliw kopalnych jest gaz płynny - LPG. Ma strukturę, która sprawia, że możemy zaliczyć go do paliw o niższej emisyjności zanieczyszczeń niż paliwa typu benzyna lub olej napędowy.

Redukcja zanieczyszczeń w transporcie dzięki LPG może sięgać:
- 10-15% mniej CO2,
- 20% mniej CO,
- 60% mniej węglowodorów.

Przy spalaniu LPG nie powstają związki siarki i ołowiu. Ponadto, emisja związków azotu jest niższa niż w wypadku oleju opałowego czy benzyny. Również pod względem wydzielania aerozoli powietrznych (PM) LPG osiąga lepsze współczynniki od innych paliw kopalnych.

Od 01.01.2007. gaz płynny do zasilania pojazdów samochodowych, (w tym wózków widłowych), powinien spełniać wymogi normy PN-EN 589, zwanej normą autogazową. Aby propan-butan mógł być stosowany jako autogaz powinien charakteryzować się:

- liczbą oktanowo - motorową nie niższą niż 89,

- zawartością siarki nie większą niż 50 mg/kg,

- prężnością par - max 1550 kPa przy 40°C.

2.10. ZAPOBIEGANIE ZANIECZYSZCZENIOM

Ograniczenie zanieczyszczeń atmosfery powodowanych przez niedoskonałe procesy technologiczne i procesy spalania polegają przede wszystkim na:
- odpylaniu, unieszkodliwianiu gazów odlotowych i eliminowaniu wyziewów przemysłowych przez:
- wprowadzenie urządzeń odpylających i oczyszczających (filtrów, odpylaczy) o wysokiej skuteczności, np. cyklonów, multicyklonów, filtrów tkaninowych, filtrów mokrych, elektrofiltrów,

2.10.1. Filtr tkaninowy

- hermetyzację procesów produkcji i transportu,
- odsiarczanie paliwa,
- zmiany technologii spalania,
- zmniejszeniu uciążliwości pojazdów przez wprowadzenie:
- benzyny bezołowiowej (wraz z niezbędnymi katalizatorami lub dodatkami do paliw),
- paliwa gazowego (propan-butan),

2.10.2. Przekrój przez katalizator

- wprowadzaniu alternatywnych źródeł zasilania takich jak:

- silniki elektryczne,

- silniki wodorowe,

2.10.3. Supernowoczesny samochód na baterie słoneczne

- stosowaniu biopaliw.

Rodzaj zanieczyszczeń	Emisja 1989r	Emisja 2004r
Pyły zawieszone (TSP)	835	443
SO2	4180	1241
NOx	1550	804
CO	7300	3425

2.10. Całkowita emisja głównych zanieczyszczeń powietrza w Polsce

2.10.1. BIOPALIWA

Biopaliwo to paliwo powstałe z przetwórstwa produktów organizmów żywych np. roślinnych, zwierzęcych czy mikroorganizmów. Dzięki zastosowaniu biopaliw możliwe jest zmniejszenie importu i zużycia ropy, co wpływa korzystnie nie tylko na gospodarkę kraju, ale również ma znaczenie dla ekologii. Spalanie biomasy nie powoduje bowiem emisji tak dużej ilości szkodliwych pierwiastków, jak to ma miejsce podczas spalania innych paliw. Komisja Europejska do 2020 r. przy użyciu biopaliw proponuje ograniczyć o 20% emisję gazów cieplarnianych oraz zwiększyć do 15% udział energii odnawialnej.

2.10.1. Trzcina cukrowa wykorzystywana do produkcji biopaliw

3. PODSUMOWANIE

Obecnie zanieczyszczenie powietrza nie jest już niestety tylko problemem lokalnym. Stanowi problem międzynarodowy. W związku z tym podpisywane są umowy międzynarodowe dotyczące ograniczania emisji szkodliwych gazów i pyłów. Dnia 13 listopada 1979 roku 35 krajów (w tym Polska) podpisało Konwencję o Transgranicznym Zanieczyszczeniu Powietrza. Ma ona na celu ograniczanie ilości i zasięgu rozprzestrzeniania zanieczyszczeń powietrza.

Problem zanieczyszczenia powietrza spalinami samochodowymi jest zagadnieniem obecnie rozwiązywanym zarówno przez konstruktorów silników jak i przedsiębiorców, finansujących opracowanie tanich technologii.
Mając na uwadze, że silniki spalinowe przez szereg lat będą dominującym źródłem napędu pojazdów samochodowych konieczne są dalsze badania prowadzące do zmniejszenia toksyczności oddziaływania spalin na środowisko.

4. LITERATURA

1. Chwiałkowski R., Tumasz W., „SISKOM - Drogi a środowisko” (publikacja dostępna w internecie: http://siskom.waw.pl/nauka-srodowisko.htm)

2. Pośniak M., Makhniashvili I., Kozieł E., Kowalska J., „Spaliny silników Diesla - zagrożenie dla zdrowia pracowników” (publikacja dostępna w internecie: http://www.ciop.pl/5902)

3. Zatorski W., „Kontrola narażenia na spaliny silników Diesla w miejscu pracy” (publikacja dostępna w HSE Books pod numerem: HSG187 ISBN 0 7176 1662 2)

---