NOx, CO i pyły zawieszone - czym są i dlaczego nam szkodzą?

NOx, CO i pył to trzy główne grupy szkodliwych gazów i substancji emitowanych z układu wydechowego pojazdów z silnikiem spalinowym: tlenki azotu powstają, gdy w wysokich temperaturach spalania tlen reaguje z azotem zawartym w powietrzu, tlenek węgla jest produktem niepełnego spalania przy niedoborze tlenu, a pył składa się z drobnych cząstek sadzy, szczególnie widocznych w silnikach wysokoprężnych. Wszystkie trzy szkodzą układowi oddechowemu i krążenia, dlatego są głównym celem norm emisji.

Czym jest NOx i jak silnik go wytwarza?

NOx to zbiorcza nazwa tlenków azotu. Dwa najczęstsze składniki to tlenek azotu (NO, jeden atom azotu i jeden atom tlenu) oraz dwutlenek azotu (NO2, jeden atom azotu i dwa atomy tlenu). NO w atmosferze może w reakcjach przekształcać się w NO2; w raportach o jakości powietrza NO2 służy jako wskaźnik dla całej grupy NOx. Prostuję tu także częstą pomyłkę: podtlenek azotu (N2O), będący gazem cieplarnianym i wpływający na klimat, to inne zanieczyszczenie niż NOx.

Mechanizm powstawania to prosta kwestia chemii. Temperatura wewnątrz cylindra silnika jest wystarczająca, aby cząsteczki azotu (N2) i tlenu (O2) zawarte w powietrzu weszły ze sobą w reakcję. To nie pożądany cel spalania, lecz nieunikniony produkt uboczny wysokiej temperatury. Im wyższa temperatura i ciśnienie, tym więcej NOx.

Dlatego silniki wysokoprężne wysuwają się na pierwszy plan. Diesle pracują z nadmiarem powietrza, czyli w ubogim spalaniu bogatym w tlen; wartości tlenu przypadającego na jednostkę paliwa oraz temperatury i ciśnienia w cylindrze sprawiają, że produkcja NOx jest obfitsza i silniejsza niż w silniku benzynowym. Dlatego kontrola NOx zawsze koncentrowała się po stronie diesli; natomiast emisje NOx pochodzące z pojazdów są również regulowane od lat 60.

Tlenek węgla: Bezwonny, bezbarwny, trujący

Tlenek węgla to gaz bezwonny i bezbarwny, powstający przy niepełnym spalaniu węgla. Za jego niebezpieczeństwem stoi jasna zasada: gdy CO dostaje się do krwi, zaburza transport tlenu. Skutkiem jest zmęczenie, ból głowy, zawroty głowy i problemy z koncentracją wynikające z niedotlenienia mózgu. Do pierwszych objawów należą ból głowy, senność i nudności; dłuższa ekspozycja prowadzi aż do wymiotów i utraty przytomności. Ponieważ jest bezwonny, poważna ekspozycja może osiągnąć śmiertelny poziom, zanim zostanie zauważona.

Obraz przewlekłej ekspozycji również nie jest do lekceważenia; przewlekła ekspozycja na CO jest najczęściej wiązana z zaburzeniami pamięci, uwagi i koncentracji oraz z zaburzeniami ruchowymi typu parkinsonowskiego. Wiadomo również, że regularna ekspozycja na spaliny przygotowuje grunt pod problemy oddechowe, takie jak zapalenie oskrzeli, astma i rak płuc.

Technicznie rzecz biorąc, dobra wiadomość jest taka: CO to zanieczyszczenie, które w katalizatorze może zostać przekształcone w nietoksyczny dwutlenek węgla. Ryzyko pozostaje w gazach, które nie docierają do konwertera; jeśli w układzie wydechowym jest nieszczelność, CO może wydostać się na zewnątrz bez oczyszczenia. Dlatego integralność układu wydechowego to nie tylko kwestia hałasu, lecz także kwestia bezpieczeństwa.

Dlaczego Cząstki Stałe (PM) Są Tak Niebezpieczne Jak PM2.5?

Cząstki stałe to mieszanina drobnych cząstek stałych i ciekłych zawartych w powietrzu; to właśnie to, co w języku potocznym nazywamy „sadzą" lub „kurzem". Skala zagrożenia jest bezpośrednio związana z wielkością cząstki. Cząstki PM2.5 o średnicy poniżej 2,5 mikrona dzięki swoim małym rozmiarom przenikają głęboko w głąb układu oddechowego i krążenia. Z kolei ultradrobne cząstki, które stanowią 80–95% sadzy diesla, są na tyle małe, że mogą wnikać do komórek płuc.

Uważa się, że PM jest głównym sprawcą negatywnych skutków zdrowotnych związanych z ekspozycją na spaliny silników wysokoprężnych. Skutki wymieniane przez władze ochrony zdrowia są następujące:

• Przedwczesna śmierć u osób z chorobami serca lub płuc
• Nieśmiertelne zawały serca i zaburzenia rytmu serca
• Nasilenie astmy, zapalenie dróg oddechowych i trudności w oddychaniu
• Wzrost ryzyka ostrej śmierci u osób z chorobami sercowo-naczyniowymi lub istniejącymi schorzeniami układu oddechowego przy zwiększeniu krótkotrwałej ekspozycji

Wpływ nie ogranicza się jednak do zdrowia. Zanieczyszczenie cząstkami stałymi zmniejsza widzialność, negatywnie wpływa na klimat i ekosystemy oraz powoduje degradację materiałów. Innymi słowy, sadza wydostająca się z układu wydechowego to nie tylko problem oddechowy, ale i problem inżynierii środowiska.

Niespalone węglowodory (HC): Skąd Się Biorą?

W tabeli spalin jest jeszcze jedno zanieczyszczenie, które pojawia się rzadziej niż NOx, ale figuruje w tej samej tabeli: niespalone węglowodory. Ich źródła brzmią znajomo. Gazami przedmuchowymi przedostającymi się z obudowy wału korbowego z powrotem do komory spalania, mieszaniną paliwowo-powietrzną uwięzioną w rowkach pierścieni tłokowych, ciekłym paliwem w kolektorze dolotowym i filmem olejowym na ściankach cylindra - to główne z nich; przy pracy pod dużym obciążeniem rowki pierścieni tłokowych są głównym źródłem tych emisji. Istnieje jednak źródło spoza silnika:

Jest jeszcze jedno źródło poza komorą spalania: Do emisji z układu wydechowego dochodzą także straty powstałe w wyniku parowania paliwa ze zbiornika i przewodów. Na przykład mieszanki etanolu w niskich proporcjach powodują łatwiejsze parowanie benzyny, zwiększając w ten sposób emisje parowania. Spalanie niecałkowite, niedobór tlenu lub złe warunki spalania to czynniki ze strony spalania, które bezpośrednio zwiększają emisję HC. Jaki Standard Emisyjny Celuje w Jaki Gaz i Dlaczego?

Euro standardy emisyjne to zbiór zasad określających maksymalną ilość zanieczyszczeń, jaką pojazd może legalnie emitować;

Standardy emisji Euro to zbiór zasad określających maksymalną ilość zanieczyszczeń, jaką pojazd może legalnie emitować; Wprowadzone w 1992 roku wraz z katalizatorem. Logika jest prosta: ponieważ każdy zanieczyszczacz ma inny mechanizm szkodliwości, dla każdego z nich ustala się oddzielny limit. CO atakuje transport tlenu, NO2 drogi oddechowe, a PM serce i płuca, dlatego normy mierzą wszystkie trzy oddzielnie.

Historia norm również pokazuje tę logikę różnicowania: Od etapu Euro 2 Europa ustala różne limity dla samochodów wysokoprężnych i benzynowych. Diesle podlegają ostrzejszym limitom CO, ale dopuszcza się u nich wyższe wartości NOx; natomiast samochody benzynowe były do Euro 4 zwolnione z normy dotyczącej cząstek stałych. Euro 6, które weszło w życie we wrześniu 2014 roku, znacząco zaostrzyło limity NOx i PM dla pojazdów wysokoprężnych oraz wprowadziło wymóg ograniczający nie tylko masę, ale także liczbę drobnych cząstek zarówno w silnikach wysokoprężnych, jak i benzynowych z wtryskiem bezpośrednim (GDI). Po stronie diesli wymóg ten wymusił powszechne przyjęcie filtra cząstek stałych (DPF).

Różnica między laboratorium a rzeczywistą drogą trafiła zaś w centrum debaty po Dieselgate. Od września 2017 roku pojazdy poddawane są testom RDE, mierzącym emisje w rzeczywistych warunkach jazdy. Efekt jest mierzalny: W okresie objętym normami Euro emisje NOx spadły z 2001 do 2017 roku o 84%. Surowe limity wymusiły ponadto upowszechnienie systemów SCR w silnikach wysokoprężnych.

Jak te gazy są oczyszczane, zanim opuszczą układ wydechowy?

Nowoczesny łańcuch oczyszczania spalin projektuje oddzielne rozwiązanie dla każdego zanieczyszczacza. SCR (selektywna redukcja katalityczna) wstrzykuje do strumienia spalin płyn oparty na moczniku - potocznie zwany AdBlue; w katalizatorze NOx ulega redukcji do nieszkodliwego azotu i wody. Redukcja NOx może sięgać 90%; w tym samym procesie HC i CO spadają o 50-90%, a PM o 30-50%. DPF natomiast fizycznie zatrzymuje sadzę; DPF + SCR + DEF jednocześnie zatrzymuje sadzę i obniża NOx, a łączący filtr ze SCR system SDPF wykonuje tę samą pracę jeszcze skuteczniej. Oczyszczanie zachodzi również wewnątrz cylindra:112|EGR (recyrkulacja spalin) zawraca część spalin z powrotem do cylindra, obniżając ilość tlenu i temperaturę spalania; EGR (recyrkulacja spalin wydechowych) kieruje część spalin z powrotem do cylindra, obniżając ilość tlenu i temperaturę spalania; a ponieważ temperatura spada, powstaje mniej NOx.

Dzięki temu profil emisji nowych pojazdów wyraźnie się zmienił. Nowe modele produkują nieco więcej CO2, ale znacząco ograniczają emisje CO i NOx w porównaniu z poprzednimi generacjami. Z inżynierskiego punktu widzenia jest to akceptowalny kompromis: wpływ na klimat i wpływ na zanieczyszczenie to różne skale, a przed 2015 rokiem definicja "pojazdu niskoemisyjnego" koncentrowała się wyłącznie na niskim CO2; po Dieselgate na pierwszy plan wysunęły się zanieczyszczacze takie jak NOx.

Jakie jest tło sporu o NOx w Europie?

W 2015 roku ujawniono, że Volkswagen manipulował systemami kontroli emisji swoich samochodów z silnikiem diesla, aby zdawać testy laboratoryjne; pojazdy na prawdziwej drodze emitowały nawet 40 razy więcej tlenków azotu niż deklarowano. Ten pojedynczy incydent nie pozostał problemem jednego producenta: w kolejnych latach pojawiły się dowody na to, że niemal wszyscy europejscy producenci diesli stosowali legalne lub prawdopodobnie nielegalne strategie, aby schodzić poniżej limitów testowych. To, że testy laboratoryjne nie odzwierciedlają rzeczywistej jazdy, wyjaśnia również, dlaczego spór o wiarygodność norm trwa nieprzerwanie.

Liczby dotyczące zdrowia pokazują powagę sporu. Obliczono, że nadmierne emisje samochodów Volkswagen sprzedawanych w Niemczech najprawdopodobniej doprowadzą do około 1200 przedwczesnych zgonów; nadmierne emisje NOx z diesli w 2015 roku wiąże się na całym świecie z około 38 000 przedwczesnych zgonów, a większość tego obciążenia przypada na Europę. W Europie co roku około 10 000 osób przedwcześnie umiera z powodu emisji samochodów z silnikiem diesla przekraczających limity prawne; szacuje się, że w 2012 roku ekspozycja na NO2 w miastach przyczyniła się na kontynencie europejskim do około 75 000 przedwczesnych zgonów. Szacuje się, że roczne koszty zdrowotne zanieczyszczenia powietrza pochodzącego z transportu drogowego w UE wynoszą 67-80 miliardów euro.

Badania dotyczące długotrwałej ekspozycji na NO2; raportują związki między śmiertelnością z przyczyn ogólnych, oddechową i sercowo-naczyniową a objawami oddechowymi i funkcją płuc u dzieci.

Tabela nie postępuje jednak tylko w jedną stronę. W latach 2005-2023 zgony przypisywane PM2.5 w UE spadły o 57%, a cel redukcji o 55% na 2023 rok został osiągnięty. Oznacza to, że gdy regulacje, technologia i nadzór działają razem, możliwa jest mierzalna poprawa. Zdania na temat tego, gdzie szukać rozwiązania, również są podzielone: jedno podejście koncentruje się na technologiach kontroli emisji i egzekwowaniu norm, podczas gdy inne twierdzi, że najszybsza redukcja NOx prowadzi przez przejście użytkowników najbardziej paliwożernych pojazdów na samochody elektryczne.

Najczęściej zadawane pytania o NOx, CO i cząstki stałe

Dlaczego PM2.5 jest groźniejsze niż PM10?

Odpowiedź kryje się w wielkości. Cząstki PM2.5 dzięki swoim rozmiarom mogą przenikać do układu oddechowego i krążenia; cząstki takie jak PM10 nie docierają do tej głębokości. Im głębiej wnikają, tym większe ryzyko transportu na poziomie komórkowym i do układu sercowo-naczyniowego.

Diesel czy benzyna wytwarza więcej NOx?

Diesel. Silniki wysokoprężne wytwarzają większe ilości NOx, ponieważ pracują w wyższej temperaturze i ciśnieniu, przy spalaniu bogatym w tlen. To jest jednocześnie odpowiedź na pytanie, dlaczego kontrola NOx w dieslach wymaga dodatkowych systemów, takich jak SCR i EGR.

Jakie są objawy zatrucia tlenkiem węgla?

Pierwsze objawy to ból głowy, zawroty głowy, senność i nudności; w miarę postępu pojawiają się wymioty i utrata przytomności. CO jest bezbarwne i bezwonne, dlatego narażenie na nie pozostaje niezauważone, aż do pojawienia się objawów.

Czy powietrze wewnątrz pojazdu naprawdę może być bardziej zanieczyszczone?

Tak, w intensywnym ruchu drogowym powietrze wdychane wewnątrz pojazdu może być gorsze niż to, którym oddycha pieszy idący tą samą drogą; spaliny mogą przedostawać się bezpośrednio do kabiny. To praktyczny dowód na to, dlaczego ustawienia zamkniętych okien i cyrkulacji powietrza są tak ważne.

Podsumowując: każdy zanieczyszczający wydostający się z układu wydechowego ma swój mechanizm powstawania, drogę szkodliwości i zaprojektowane przeciwko niemu rozwiązanie. NOx to podpis wysokiej temperatury, CO niepełnego spalania, PM sadzy, a HC niespalonego paliwa; ponieważ normy mierzą te cztery osobno, łatwiej jest zrozumieć, po co istnieje dana technologia.

Źródła

• Emisje NOx z pojazdów: podstawy
• Tlenki azotu (NOx)
• Podstawowe informacje o NO2 | US EPA
• Czym jest tlenek azotu i jak powstaje w samochodach?
• Tlenki azotu | ToxFAQs™ | ATSDR
• Wpływ pyłów zawieszonych (PM) na zdrowie i środowisko
• Tlenek węgla a zdrowie | California Air Resources Board
• Narażenie straży granicznej na tlenek węgla (CO)
• Pyły zawieszone inhalowalne a zdrowie (PM2.5 i PM10)
• Systematyczny przegląd badań nad wpływem spalin diesla na zdrowie
• Europejskie normy emisji
• Fakty o SCR
• Wpływ nadmiernej emisji NOx z samochodów z silnikiem diesla na jakość powietrza
• Nadmierne emisje VW i przedwczesne zgony
• Nowe badanie określa skutki emisji NOx z pojazdów z silnikiem diesla
• Zanieczyszczenie powietrza | Europejska Agencja Środowiska
• Mechanizmy emisji niespalonych węglowodorów w małych silnikach
• Zanieczyszczenie powietrza wewnątrz samochodu