มลภาวะทางรถยนต์ : เข้าใจอันตราย
แม้จะมีวิวัฒนาการทางเทคโนโลยี แต่เครื่องยนต์สันดาปของรถยนต์ยังคงเป็นส่วนสำคัญต่อมลพิษในเมืองต่างๆ
ภาพ: Evgeny Chebotarev บน Unsplash
เครื่องยนต์แรกปรากฏขึ้นในศตวรรษที่ 18 พวกเขาถูกขับเคลื่อนโดยการเผาไหม้ภายนอกด้วยการใช้ฟืน - เครื่องยนต์ไอน้ำที่มีชื่อเสียง ในศตวรรษที่ 19 เครื่องยนต์สันดาปภายในเครื่องแรกปรากฏขึ้นซึ่งเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้ภายในเครื่องยนต์ เครื่องยนต์สันดาปภายในมีข้อได้เปรียบเหนือเครื่องยนต์ไอน้ำ เนื่องจากมีความเก่งกาจ ประสิทธิภาพ และความเป็นไปได้ในการปรับให้เข้ากับเครื่องจักรประเภทต่างๆ อย่างไรก็ตาม พวกเขาส่วนใหญ่รับผิดชอบในการผลิตมลพิษจากรถยนต์
เครื่องยนต์สันดาปภายในเริ่มมีการศึกษาและปรับปรุง ซึ่งปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในวิธีการขนส่ง - เครื่องบิน รถยนต์ ถนน และยานยนต์อื่นๆ เรือ ฯลฯ ด้วยการเติบโตของการใช้งาน ทำให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับปัญหาที่เกิดขึ้นกับเครื่องยนต์ เช่น การปล่อยก๊าซที่ก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศและก่อให้เกิดปัญหาสุขภาพในประชากร
ตลอดหลายปีที่ผ่านมา เครื่องยนต์สันดาปภายในได้รับการปรับปรุง ปล่อยมลพิษน้อยลงและน้อยลงกว่ารุ่นก่อน การปรับปรุงเหล่านี้ส่วนใหญ่เกิดจากมาตรการต่างๆ เช่น การเปลี่ยนคาร์บูเรเตอร์ซึ่งใช้ในการป้อนส่วนผสมของอากาศ/เชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ไปยังระบบหัวฉีดอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งใช้เชื้อเพลิงน้อยลงและสร้างส่วนผสมในอุดมคติมากขึ้น การสร้างเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา (หรือตัวเร่งปฏิกิริยา) ซึ่งเปลี่ยนส่วนหนึ่งของก๊าซที่เกิดขึ้นระหว่างการเผาไหม้ให้เป็นก๊าซที่ไม่เป็นพิษก่อนที่จะปล่อยก๊าซออกทางไอเสียของรถยนต์ ตลอดจนมาตรการอื่นๆ อย่างไรก็ตาม การเพิ่มขึ้นของกองยานพาหนะและความเข้มข้นของประชากรในใจกลางเมืองเป็นปัจจัยที่ทำให้ปัญหามลพิษทางรถยนต์ในอากาศเป็นจริง
คุณรู้หรือไม่ว่าเครื่องยนต์รถของคุณทำงานอย่างไร?
เพื่อให้เข้าใจว่าก๊าซมลพิษก่อตัวอย่างไรในรถยนต์ จำเป็นต้องเรียนรู้วิธีการทำงานของเครื่องยนต์ รถยนต์ส่วนใหญ่มีเครื่องยนต์สี่จังหวะที่เรียกว่า: ไอดี การอัด การขยายตัว-การระเบิด และไอเสีย วิดีโอนี้มีแอนิเมชั่นอธิบายการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินและดีเซลกล่าวโดยสรุป สิ่งที่เครื่องยนต์ของรถยนต์ทำคือการรวมอากาศในบรรยากาศ (ที่มีความเข้มข้นของออกซิเจนสูง) เข้ากับเชื้อเพลิง ส่วนผสมนี้ก่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมีแบบคายความร้อน (ด้วยการปล่อยความร้อน) ที่ทำให้เกิดการขยายตัวของก๊าซในห้องเผาไหม้ โดยการกดลูกสูบ ซึ่งทำให้เกิดการเคลื่อนที่แบบโรตารี่ในเครื่องยนต์ ซึ่งเปลี่ยนความร้อนให้กลายเป็นงาน และก๊าซที่เกิดจากการเผาไหม้ ถูกกำจัดโดยการเปิดวาล์วไอเสีย - นั่นคือมลพิษจากรถยนต์
การเผาไหม้
การเผาไหม้จะต้องประกอบด้วยสามองค์ประกอบ:- เชื้อเพลิง: ส่วนใหญ่เป็นไฮโดรคาร์บอนประกอบด้วยไฮโดรเจน (H) และคาร์บอน (C) ในเครื่องยนต์สันดาปภายใน
- ออกซิเจน: ออกซิไดเซอร์;
- ความร้อน: ในเครื่องยนต์สันดาปภายใน ความร้อนเกิดจากประกายไฟ (เครื่องยนต์เบนซิน) หรือโดยการอัดอากาศไอดี (เครื่องยนต์ดีเซล)
- การเผาไหม้ของไฮโดรคาร์บอนจากเชื้อเพลิงอาจสมบูรณ์หรือไม่สมบูรณ์ก็ได้
ความสมบูรณ์เกิดขึ้นเมื่อมีออกซิเจนเพียงพอที่จะใช้เชื้อเพลิงทั้งหมด สำหรับสารประกอบที่ทำจากคาร์บอนและไฮโดรเจน (ไฮโดรคาร์บอน) ผลิตภัณฑ์ที่เผาไหม้สมบูรณ์ ได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) น้ำ (H2O) และพลังงาน การเผาไหม้ที่สมบูรณ์นั้นเหมาะสมที่สุด เนื่องจากทำให้ใช้เชื้อเพลิงได้ดีกว่า แต่สร้างก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยา ซึ่งแม้จะไม่ใช่ก๊าซพิษก็ตาม - เฉพาะในกรณีที่มีการรั่วไหลในปริมาณมากภายในอาคาร ซึ่งทำให้ขาดอากาศหายใจ - เป็นเรือนกระจกที่รู้จัก แก๊ส.
การเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์เมื่อมีออกซิเจนไม่เพียงพอที่จะใช้เชื้อเพลิงทั้งหมดจะทำให้เกิดมลพิษในรถยนต์ มันสามารถมีเป็นผลิตภัณฑ์คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ธาตุคาร์บอน (C) - เขม่า (ควันดำที่เกิดจากอนุภาคของแข็งเล็ก ๆ ของถ่านหิน) - อัลดีไฮด์และวัสดุที่เป็นอนุภาค
ไนโตรเจนและกำมะถันยังมีอยู่ในองค์ประกอบของเชื้อเพลิง แต่ในปริมาณที่น้อยกว่า ซึ่งเมื่อผ่านกระบวนการเผาไหม้จะเกิดสารประกอบที่เป็นพิษ เช่น ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) และไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) การก่อตัวของไนโตรเจนออกไซด์เป็นกระบวนการที่ควบคุมได้ยาก เนื่องจากนอกจากจะมีอยู่ในเชื้อเพลิงแล้ว ไนโตรเจนยังมีอยู่ในอากาศ - ในรูปของก๊าซไนโตรเจน (N2) - ซึ่งที่อุณหภูมิสูงในห้องเผาไหม้สามารถทำได้ ทำปฏิกิริยากับออกซิเจน
ปัญหาด้านสาธารณสุขและสิ่งแวดล้อม
ก๊าซที่ก่อให้เกิดมลพิษของรถยนต์ที่เกิดจากเครื่องยนต์สันดาปภายใน อาจทำให้เกิดปัญหาหลายประการต่อสุขภาพของมนุษย์และสิ่งแวดล้อม ออกไซด์ SO2 และ NOx ส่งผลกระทบต่อระบบทางเดินหายใจและทำให้เกิดฝนกรด CO ลดความสามารถในการอุ้มออกซิเจนของเลือด และฝุ่นละอองทำให้เกิดอาการแพ้ทางเดินหายใจ และเป็นพาหะนำ (พาหะ) ของสารมลพิษอื่นๆ (โลหะหนัก สารประกอบอินทรีย์ก่อมะเร็ง)
เมื่อมีการปล่อยมลพิษจำนวนมากในเมือง ก็ยังมีปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ เช่น การผกผันของความร้อน ซึ่งทำให้สถานการณ์มลพิษแย่ลง เนื่องจากทำให้การกระจายของก๊าซเหล่านี้ยากขึ้นและทำให้ประชากรสัมผัสกับก๊าซเหล่านี้เป็นระยะเวลานานขึ้น
ในปี 2545 สำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกา (EPA) ได้ออกรายงานซึ่งเตือนถึงความเสี่ยงของการสัมผัสกับไอระเหยของน้ำมันดีเซลเป็นเวลานาน จากรายงานระบุว่า การสูดดมสารที่เป็นอนุภาค ซัลเฟอร์และไนโตรเจนออกไซด์เป็นเวลานาน อาจทำให้เกิดมะเร็งในมนุษย์ได้ ในปี 2013 หน่วยงานระหว่างประเทศเพื่อการวิจัยโรคมะเร็ง (IARC) ได้สรุปว่าการปล่อยมลพิษจากเครื่องยนต์ดีเซลทำให้เกิดมะเร็งปอดอย่างแท้จริง และอาจเป็นมะเร็งกระเพาะปัสสาวะได้เช่นกัน ในลอนดอนยังมีกรณีการเสียชีวิตที่เกิดจากมลพิษทางอากาศจากรถยนต์อีกด้วย
ความแตกต่างระหว่างเครื่องยนต์สันดาปภายใน
เครื่องยนต์เบนซินและดีเซล
การทำงานของเครื่องยนต์เบนซินและดีเซลนั้นคล้ายคลึงกันดังที่อธิบายข้างต้น ข้อแตกต่างที่สำคัญระหว่างเครื่องยนต์เหล่านี้คือ ในเครื่องยนต์เบนซิน สิ่งที่เข้าสู่ห้องเผาไหม้เป็นส่วนผสมของอากาศและเชื้อเพลิง และการจุดระเบิด (การสตาร์ท/สตาร์ทการเผาไหม้) ของเครื่องยนต์นี้เกิดขึ้นจากประกายไฟที่มาจากหัวเทียน ของการจุดระเบิด ในทางกลับกัน ในเครื่องยนต์ดีเซล ในขั้นต้นจะมีเพียงอากาศเท่านั้นที่ถูกแทรกเข้าไปในห้องเผาไหม้ ซึ่งจะถูกบีบอัดโดยลูกสูบและการจุดระเบิดเกิดขึ้นจากการฉีดน้ำมันดีเซลเข้าสู่อากาศนี้ที่แรงดันสูง
น้ำมันเบนซินเป็นเชื้อเพลิงที่มีการระเบิดสูง (ดังแสดงในวิดีโอ) ซึ่งทำให้รถมีกำลังสูงและตอบสนองอย่างรวดเร็วในการหมุน เครื่องยนต์ดีเซลมีการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่ช้ากว่าและต่อเนื่องกว่า "ดัน" ลูกสูบลงไปได้ยาวนานขึ้นและให้แรงบิดที่มากขึ้น (ความพยายามในการปั่น) ที่ความเร็วรอบที่ช้าลง ทำให้มีความแข็งแรงและเหมาะสำหรับใช้ในการขนส่งที่มีการบรรทุกขนาดใหญ่ ข้อได้เปรียบนี้ยังทำให้เครื่องยนต์ดีเซลมีความทนทานมากขึ้น เนื่องจากส่งผลกระทบต่อข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์ (เพลาข้อเหวี่ยง) น้อยลง
ในเครื่องยนต์ดีเซล การฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงจะเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการเผาไหม้ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ โดยที่น้ำมันดีเซลจะถูกฉีดเข้าไปในอากาศซึ่งมีการบีบอัดอย่างหนัก ส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน ไปถึงระดับที่สนับสนุนการก่อตัวของ NOx และนำไปสู่กระบวนการไพโรไลซิส (ปฏิกิริยาการวิเคราะห์หรือการสลายตัวที่เกิดขึ้นจากการกระทำของอุณหภูมิสูง) ซึ่งจะมีการสร้างอนุภาคขึ้น เชื้อเพลิงนี้มีความผันผวนน้อยกว่า เมื่อฉีดเข้าไปในอากาศอัดโดยตรง (เมื่อการเผาไหม้เริ่มต้น) ส่วนผสมของส่วนผสมจึงกลายเป็นเนื้อเดียวกันน้อยกว่าที่เกิดขึ้นในน้ำมันเบนซิน การขาดอากาศส่วนเกินในส่วนผสมที่ทำปฏิกิริยาทำให้เกิดการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ เขม่าที่ปล่อยออกมา คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และไฮโดรคาร์บอน (HC) เนื่องด้วยปัจจัยเหล่านี้ เครื่องยนต์ดีเซลซึ่งสัมพันธ์กับเครื่องยนต์เบนซิน มีแนวโน้มที่จะปล่อยมลพิษสู่ชั้นบรรยากาศมากขึ้นถึงเจ็ดเท่าในแง่ของการปล่อยฝุ่นละออง ในทางกลับกัน น้ำมันเบนซินปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นเปอร์เซ็นต์ที่สูงขึ้น
เครื่องยนต์เฟล็กซ์
เครื่องยนต์เฟล็กซ์เป็นเครื่องยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงมากกว่าหนึ่งประเภท ในบราซิล รถยนต์เชื้อเพลิงแบบยืดหยุ่นที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดคือรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซินและเอทานอล
เครื่องยนต์ของรถดิ้นเหล่านี้เป็นหนึ่งเดียว เพื่อให้ใช้ได้กับทั้งน้ำมันเบนซินและเอทานอล มีตัวแปรบางอย่างที่รบกวนการทำงาน ในบรรดาตัวแปรเหล่านี้ เราสามารถพูดถึงอัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์ของเครื่องยนต์ (ส่วนผสมของอากาศ/เชื้อเพลิง) ซึ่งแปรผันตามลักษณะของเชื้อเพลิง โดยมีค่าความร้อนมากหรือน้อย ซึ่งก็จะแตกต่างกันไปตามปริมาณการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ ยานพาหนะเชื้อเพลิงที่ยืดหยุ่นมีเซ็นเซอร์ที่ตรวจจับส่วนผสมของเชื้อเพลิงที่เข้าสู่ถังและปรับการฉีดให้เหมาะสม
