Spaliny silników – co zawierają i jak to wpływa na człowieka?

Ostatnie lata to czas szaleńczego wyścigu o dobro środowiska naturalnego. Dzięki rozbudowanym katalizatorom, wysokosprawnym silnikom, systemom start-stop oraz dodatkom do utylizacji spalin w formie środka AdBlue samochody emitują znacznie mniej spalin niż jeszcze 10 lat temu. Do tego stopnia, że wiele aut, jeżdżąc w wielkomiejskim, zanieczyszczonym środowisku, emituje czystsze powietrze niż pobiera.

Zredukowano właściwie wszystkie formy zanieczyszczeń. Nawet z pozoru trudne do eliminacji cząstki stałe zostały poskromione poprzez specjalne filtry. Zmniejszono udział nawet tych, których na razie nie da się wyeliminować – jak ograniczenie emisji dwutlenku węgla poprzez zmniejszenie spalania.

Spaliny silników są mieszaniną substancji znajdujących się w różnych stanach skupienia. Przeważają substancje znajdujące się w gazowym stanie skupienia, ale są również substancje ciekłe i stałe.

W miarę obniżania się temperatury spalin wyemitowanych z silnika rośnie w nich względny udział substancji ciekłych oraz stałych. Przyczyny powstawania poszczególnych składników spalin są następujące:

• spalanie zupełne i całkowite paliwa i oleju;
• spalanie niezupełne paliwa i oleju;
• spalanie niecałkowite paliwa i oleju;
• dysocjacja termiczna składników spalin;
• dysocjacje termiczna par paliwa i oleju;
• procesy towarzyszące spalaniu paliwa, m.in. utlenianie azotu zawartego w powietrzu;
• procesy absorpcji i desorpcji par oleju i paliwa w cylindrach silnika w czasie suwów dolotu sprężania;
• emitowanie produktów powstających z zanieczyszczeń i dodatków do paliwa i oleju;
• procesy zachodzące z udziałem składników spalin w atmosferze.

Składniki spalin silników można klasyfikować według wielu kryteriów. Produkty spalania zupełnego wśród składników spalin to:

• dwutlenek węgla CO2,
• woda H2O,
• trójtlenek siarki SO3.

Produktami spalania niecałkowitego są węglowodory, oznaczane HC lub THC i ich pochodne. Z kolei produktami spalania niezupełnego są:

• węglowodory HC;
• pochodne węglowodorów, m.in. aldehydy RCHO (R – węglowodorowa grupa funkcyjna);
• tlenek węgla CO;
• sadza C (w rzeczywistości sadza jest odwodornionym wielopierścieniowym węglowodorem);
• tlenek siarki.

Substancje szkodliwe dla zdrowia organizmów żywych, występujące w spalinach silników w stosunkowo dużych stężeniach, to przede wszystkim:

• tlenek węgla CO;
• węglowodory HC i ich pochodne, w wielu wypadkach zamiennie określane jako lotne związki organiczne VOC;
• tlenek azotu (tlenek i dwutlenek);
• tlenki siarki (tlenek, dwutlenek, trójtlenek);
• ołów i jego związki;
• sadza, dymy, popioły, metale, inne substancje stałe, ciężkie związki organiczne w fazie ciekłej, częściowo zamiennie określane jako cząstki stałe PM (TPM).

Wśród substancji nieszkodliwych bezpośrednio dla zdrowia organizmów żywych lub występujących w spalinach w niewielkich stężeniach są substancje szkodliwe dla środowiska. Sprzyjają one w szczególności powstawaniu zjawiska cieplarnianego w atmosferze. Należą do nich głównie:

• dwutlenek węgla CO2,
• metan CH4,
• amoniak NH3,
• podtlenek azotu N2O.

Substancjami nieszkodliwymi dla zdrowia organizmów żywych i dla środowiska są:

• tlen,
• azot,
• wodór.

• Tlenki azotu - jedne z najbardziej toksycznych gazów spalinowych. Powstają podczas procesu spalania przy udziale wysokiej temperatury. Azot tworzy z tlenem następujące rodzaje tlenków azotu: podtlenek azotu, tlenek azotu, dwutlenek azotu, trójtlenek dwuazotu, czterotlenek azotu, pięciotlenek azotu. Najgroźniejsze dla człowieka są głównie dwutlenek azotu oraz tlenek azotu.Oba te związki występują przede wszystkim w aglomeracjach miejskich. Tlenek azotu wchłonięty do organizmu reaguje z hemoglobiną, tworząc NO-hemoglobinę. Wewnątrz tkanek tlenek azotu utlenia się do dwutlenku azotu. Zatrucie tlenkiem azotu objawia się m.in. osłabieniem organizmu, zawrotami głowy i drętwieniem kończyn. Z kolei dwutlenek węgla powoduje obrzęk płuc, osłabienie tętna i zwyrodnienie mięśnia sercowego.
• Tlenek węgla - jest to bezwonny i bezbarwny gaz, którego rocznie emituje się do atmosfery około 230 milionów ton. Jest niebezpieczny dla organizmu ze względu na jego łatwość do łączenia się z hemoglobiną i powstające niedotlenienie organizmu. Powtarzające się niedotlenienia mogą powodować uszkodzenie tkanki mózgowej, osłabienia pamięci i zmiany psychiczne.Osoby poddane częstym małym stężeniom mają takie objawy, jak: bóle i zawroty głowy, uczucie senności, kołatanie serca zaburzenia ciśnienia krwi. Poddanie się stężeniu większemu od 600 ppm powoduje tzw. zaczadzenie i śmierć.
• Węglowodory - powstają w wyniku niecałkowitego spalania paliwa, ale też w wyniku parowania lekkich frakcji benzyny oraz podczas transportu i przeładunku paliw. Węglowodory szybko reagują z tlenem i związkami azotu, tworząc m.in. nadtlenki i aldehydy. Najbardziej niebezpieczne są węglowodory nienasycone, ponieważ łączą się z hemoglobiną we krwi, działając jak narkotyk.Szczególnie groźnym węglowodorem jest aromatyczny, jednopierścieniowy benzen, który może spowodować śmierć (wysokie stężenie). Z kolei węglowodory aromatyczne wielopierścieniowe tzw. PAH rozpuszczają się w tłuszczach i kumulują się w organizmie człowieka i zwierząt. Metabolizowane w wątrobie, działają rakotwórczo ze względu na zdolność reagowania z białkami DNA i RNA.
• Cząstki stałe - są to produkty wydostające się z układu wylotowego silnika o konsystencji ciekłej lub stałej, zawierające między innymi pewną ilość cząstek węgla, związków siarki i azotu, metali oraz ciężkich węglowodorów. Kiedyś źródłem były też produkowane z azbestu klocki hamulcowe i okładzin sprzęgieł.Te małe cząsteczki długo utrzymują się w atmosferze i są łatwo wchłanialne. Ponieważ nasycają się innymi niebezpiecznymi związkami, umożliwiają wniknięcie do organizmu metali ciężkich, w tym ołowiu, siarki, azotu i różnych węglowodorów.
• Tlenki siarki - dwutlenek siarki i trójtlenek siarki powstają głównie w przemyśle energetycznym. Udział motoryzacji jest niewielki i wynosi 3 proc. Reagują one z tlenkiem węgla i pyłami, tworząc tzw. smog londyński. Dwutlenek siarki jest również składnikiem kwaśnego deszczu.Gaz ten jest silnie drażniący, rozpuszcza się w błonach śluzowych, tworząc kwas siarkowy, co powoduje podrażnienie dróg oddechowych i zapalenie spojówek. Powoduje też zmiany morfologiczne krwi.
• Aldehydy - związki organiczne aktywne chemicznie. Pochodzą z niespalonych węglowodorów, które w łańcuchowych reakcjach fotochemicznych utleniają się w powietrzu na aldehydy i ketony. Stężenie aldehydów w gazach spalinowych jest niewielkie i wynosi od 10 do 300ppm.Przy zatruciu związki te powodują podrażnienie błon śluzowych i układu oddechowego. Przy przewlekłym zatruciu następstwem jest bezsenność, bóle głowy i nerwice. Formalina powoduje schorzenia skóry.