Помимо прямого отрицательного воздействия на человека отработавшие газы оказывают так называемые вторичные отрицательные эффекты - смог в крупных городах и парниковый эффект атмосферы.

В качестве оценочной характеристики экологических качеств самоходных машин иногда принимают эквивалентную сумму масс токсичных компонентов отработавших газов m_ток на один километр пути при движении по условному типовому маршруту (циклу). Под понятием эквивалентная подразумевается, что масса каждого компонента отработавших газов приводится к токсичности угарного газа по зависимости

, (11.1)

где m_CO - масса угарного газа в отработавших газах на один километр пути;

m_CH - аналогично для массы несгоревших углеводородов;

- аналогично для массы окислов азота;

- аналогично для массы твёрдых частиц.

Однако многочисленные нормативные акты (ГОСТ 17.2.2.03-86, ГОСТ 21393-75, ОСТ 37.001.54-86, Директива № 98/69 ЕС 1998 г. и др.) регламентируют количество вредных выбросов самоходной машиной по каждому компоненту на один километр пути при движении по условному маршруту или при работе двигателя на заданном режиме.

Накопление угарного газа CO в отработавших газах происходит при горении обогащённых смесей (a < 1), то есть при недостатке кислорода, что свойственно в большей степени двигателям с принудительным воспламенением.

Многочисленные опыты показали, что на концентрацию CO и других компонентов в отработавших газах определяющее влияние оказывает коэффициент избытка воздуха a. Эти зависимости для малолитражного двигателя с принудительным воспламенением при его работе на средних нагрузках иллюстрирует рис. 11.1, где нетрудно заметить, что максимум NO_x соответствует минимуму CO (a » 1,05). Эта же точка совпадает с минимумом CH и максимумом CO₂.

По концентрациям CO₂ и H₂O можно судить о совершенстве рабочего процесса ДВС, то есть, чем выше удельный вес указанных компонентов в отработавших газах мотора, тем полнее сгорает топливо.

При a > 1,1 содержание CO в выхлопных газах весьма невелико. Поэтому в дизелях, которые работают со значительными средними коэффициентами избытка воздуха (a = 1,3 ... 1,7 и более) концентрация CO как правило не превышает 0,3 %.

Образование несгоревших углеводородов CH наблюдается в пристеночных, то есть наиболее холодных, объёмах камеры сгорания. Поэтому чрезмерное охлаждение двигателя недопустимо, так как это снижает не только его мощностные и экономические показатели, но и значительно увеличивает токсичность отработавших газов.

Наибольшую опасность из всех канцерогенов отработавших газов представляет бензапирен (рис. 10.2).

Бензапирен образуется в результате пиролиза тяжёлых фракций топлива и моторного масла в пристеночных объёмах камеры сгорания в условиях сильного недостатка кислорода при T = 400 ... 700 °С. При температуре T > 1000 °С БаП разлагается на водород и углерод.

При износе деталей цилиндропоршневой группы содержание бензапирена в отработавших газах увеличивается в десятки раз и может доходить до 0,5 мг/м³ и более. Особенно большое его содержание в выхлопных газах двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой. В отработавших газах ДВС БаП адсорбируется на частичках сажи. Причём на сажевых частицах четырёхтактных двигателей с принудительным воспламенением бензапирена значительно больше в сравнении с дизелями. Правда, концентрация сажи в отработавших газах бензиновых двигателей существенно меньше.

Сажа образуется в сильно переобогащённых зонах камеры сгорания при высоких температурах (T > 1000 °С). Сама по себе сажа безвредна. Однако, как показано выше, чистой сажи в отработавших газах нет. У двигателей с принудительным воспламенением значительное выделение сажи имеет место при резком увеличении подачи топлива после длительной работы на режиме холостого хода. Это связано с большими отложениями сажи на контрольной поверхности при работе мотора без нагрузки, так как температура стенок относительно невелика, но a < 1. В наибольшей степени сажеобразование свойственно дизелям. Однако при a > 1,3 и достаточно сильной турбулизации рабочего тела в цилиндре вся образовавшаяся в стволе факела сажа успевает сгореть. В этом случае характерного чёрного дыма из выпускной трубы как правило не наблюдается.

Образование окислов азота NO_x в цилиндрах ДВС имеет термическую природу и непосредственно не связано с реакциями окисления углеводородов. При температурах T > 2000 °С, что имеет место во фронте пламени, происходит диссоциация (разложение) молекул азота и кислорода на атомы. В результате они взаимодействуют с образованием окислов азота, из которых более 90 % составляет NO и уже в атмосфере осуществляется дальнейшее окисление до NO₂ и N₂O₄. Под действием солнечных лучей в течение нескольких часов происходит распад окислов азота на кислород и азот.

При обеднении топливовоздушной смеси концентрация NO_x в отработавших газах существенно возрастает. Этому также способствует резкое уменьшение температуры рабочего тела на такте расширения, то есть увеличение степени сжатия e и угловой скорости коленчатого вала w_д. Данное явление называют “замораживанием” NO_x. Наиболее высока концентрация окислов азота у двигателей с принудительным воспламенением и дизелей с непосредственным впрыском топлива.