Vo výfukových plynoch vozidiel spaľujúcich uhľovodíkové palivá sa vyskytujú plyny, ktoré vytvárajú skleníkový efekt a plyny a látky s nepriaznivým vplyvom na ľudský organizmus. Ich množstvo je priamo úmerné množstvu spotrebovaných palív. Znižovanie spotreby je tak jeden z najjednoduchších spôsobov, ako dosiahnuť zníženie množstva produkovaných emisií.

Emisie

Výfukové plyny sú zložené zo zmesí chemických látok, ktoré závisia od druhu použitého paliva, od technického stavu motora a od využitia zariadení na zníženie emisií. Produkcia emisií výfukových plynov sa v celosvetovom meradle odhaduje až na 10 miliárd m³ každý rok. Okrem toho, že výfukové plyny nepriaznivo vplývajú na zdravie ľudí, majú aj negatívny vplyv na globálne klimatické zmeny.

Odborná literatúra [1]uvádza, škodlivé emisie zo spaľovacích motorov je možné kategorizovať nasledovne:

• limitované zložky:
  • priamo – oxid uhoľnatý, uhľovodíky a oxidy dusíka, sadze zo vznetových motorov,
  • nepriamo – oxid uhličitý, oxidy síry,
• organické zložky:
  • prchavé – benzén, formaldehyd, butadién, akroleín,
  • neprchavé – polyaromatické uhľovodíky, ich nitroderiváty, vyššie aldehydy.

 Oxid uhoľnatý

Vzniká ako dôsledok neúplnej oxidácie uhlíka. Je to plyn bez zápachu, ale vysoko toxický. Pri vdychovaní sa dostáva do pľúc, kde sa v kontakte s červenými krvinkami viaže sa na hemoglobín. Podľa [2] až 240 krát účinnejšie ako kyslík. To je dôvod prečo zlúčenina CO a hemoglobínu ostáva stabilná a hemoglobín nie je schopný prenášať kyslík z pľúc do ostatných tkanív tela. Znížený prenos kyslíka poškodzuje tkanivo a bunky. Bunky mozgového a nervového systému majú vyššiu spotrebu kyslíka, preto sú poškodzované výraznejšie a rýchlejšie. CO vdychované v menšom množstve vyvoláva únavu, závraty až bezvedomie. Polčas rozpadu zlúčeniny CO a hemoglobínu v krvi je 4 až 6 hodín.  Tento čas skráti na 70 až 35 minút podávaním čistého kyslíka. Vdychovanie CO zvyšuje aj riziko vzniku krvných zrazenín [3]. Prehľad o toxicite a účinkoch oxidu uhoľnatého na ľudský organizmus v závislosti od koncentrácie a doby expozície poskytuje obr. 1.

Obr. 1. Toxicita oxidu uhoľnatého [3]

Prvotné príznaky otravy oxidom uhoľnatým je krátke rýchle dýchanie, bolesť hlavy, nevoľnosť, zmätenosť a zlá koordinácia pohybov, ktoré sú spôsobené obmedzenou dodávkou kyslíka do mozgových tkanív. Neskôr sa objavuje nevoľnosť a vracanie. Pri dlhšom vystavení organizmu pôsobeniu CO dochádza k zástave srdca, opuchu pľúc, strate vedomia a nastáva smrť. Podľa štúdie uverejnenej v American Journal of Epidemiology sa koncentrácie CO v tuneloch (Brooklyn Battery Tunel a Queens Midtown Tunel) považujú za hlavnú príčinu vysokého výskytu srdcových ochorení a úmrtí medzi pracovníkmi zamestnanými  pri cestách. Tento predpoklad potvrdzuje aj výskyt ochorení u pracovníkov vyberajúcich poplatky pri vstupe na diaľnice a pracovníkov monitorujúcich dopravnú situáciu v dvoch tuneloch v New Yorku. Úmrtnosť na srdcovo-cievne ochorenia bola u týchto pracovníkov až o 35% vyššia oproti ostatnej populácii. Úmrtnosť pracovníkov pracujúcich na týchto miestach dlhšie ako 10 rokov bola vyššia až o 88%.

Oxid uhličitý

Oxid uhličitý má najväčší vplyv na zmeny globálnej klímy. Je považovaný za najškodlivejší skleníkový plyn a na tomto efekte sa podieľa asi 55 %. Oxid uhličitý je bezfarebný, netoxický plyn, ťažší ako vzduch. Vďaka fotosyntéze v rastlinách sa cyklicky vracia späť do biosféry. Spaľovaním fosílnych palív sa podľa [6] do ovzdušia dostáva ročne  približne  1,4.10¹⁰ t CO₂. V súčasnosti sa ročne zvyšuje množstvo oxidu uhličitého o 0,2 %.

Oxidy dusíka

Predpokladom vzniku oxidov dusíka je spaľovanie uhľovodíkových palív pri vysokej teplote a tlaku. Za týchto podmienok sa produkuje najmä oxid dusnatý NO a oxid dusičitý NO₂, ktorého podiel podľa [3] je 10 – 20 % pri motoroch vznetových a približne 2 % pri motoroch zážihových. Oxidy dusíka rovnako, ako CO ľahko reagujú s hemoglobínom, pričom modifikujú železo v hemoglobíne z Fe2+ na vyšší stupeň (Fe3+) a vytvárajú modifikáciu hemoglobínu methemoglobin. Táto zlúčenina je stabilná a nie je schopná prenášať kyslík. Vo veľkých koncentráciách reagujú s vlhkosťou v pľúcach na kyselinu dusičnú a dusitú, čo vyvoláva akútne ochorenie dýchacích ciest. Oxidy dusíka zhoršujú choroby srdca, vyvolávajú cyanózu, rozširujú krvné cievy, čo vyvoláva zníženie krvného tlaku, spôsobujú zápaly a opuchy pľúc. Rastlinám v dôsledku pôsobenia oxidov dusíka blednú listy, zmenšujú sa a odumierajú. Oxidy dusíka katalyzujú oxidáciu SO₂ na podstatne škodlivejší SO₃.

Oxid dusný, N₂O je plyn narúša ozónovú vrstvu a považujeme ho za plyn vyvolávajúci skleníkový efekt rovnako ako CO₂ a metán. Molekuly oxidu dusného zachytávajú teplo prenikajúce do vesmíru až 310-krát účinnejšie ako CO₂, pričom životnosť oxidu dusného v atmosfére sa odhaduje na 150 rokov. Oxid dusný je bezfarebná, plynná látka s príjemnou vôňou a so sladkastou chuťou. Pre človeka je jedovatý a pri vdychovaní leptá sliznicu. V malých množstvách spôsobuje stav opojenia, vo väčších dávkach pôsobí ako narkotikum. Vyvoláva zhoršenie psychomotorickej výkonnosti, zhoršuje aj schopnosť učiť sa a  pamätať si. Sám nie je horľavý, ale má slabé oxidačné vlastnosti – podporuje horenie niektorých látok, čo sa využíva v pretekárskych automobiloch na zvyšovanie výkonu motora. Efekt je vyvolaný tým, že po zohriati oxidu dusného na 600 °C sa tento rozkladá na dusík a kyslík, čím dodáva viac kyslíka ako bolo obsiahnuté v nasatom atmosférickom vzduchu. Motor tak môže spáliť viac paliva a dosiahnuť väčší výkon. Rizikom je, že motor je pri takomto spaľovaní náchylný na vznik klepania, dochádza k zvýšeniu tlaku a vyššiemu vytváraniu tepla, ktoré zvyšuje tepelné zaťaženie piestov, hlavy valcov a ventilov. Konštrukcia motora musí byť špeciálne upravená, aby nedošlo k poškodeniu motora.

Oxid dusnatý, NO vzniká pri horení za vysokej teploty a tlaku. Intenzívna reakcia vzniku NO prebieha pri teplotách vyšších ako 1300 °C. Pri styku s voľným kyslíkom reaguje na oxid dusičitý a v kombinácii s vodou vytvára kyselinu dusičnú. Reaguje s kovmi a organickými látkami. V zrážkovej vode tvorí slabé kyseliny a podieľa sa na tvorbe fotochemického smogu. V organizme má pomerne významnú biologickú úlohu, pretože zabezpečuje komunikáciu medzi bunkami.

Oxid dusičitý, NO₂ vzniká oxidáciou oxidu dusnatého v plameni aj vo voľnom ovzduší. V porovnaní s oxidom dusným a oxidom dusičitým toxickejší a aktívnejší plyn.  NO₂ je zapáchajúci plyn, pri vdýchnutí je dráždivý. U astmatikov môže vyvolať astmatický záchvat. Ak naň pôsobí ultrafialové žiarenie, dochádza k chemickej reakcii pri ktorej vzniká prízemný ozón.

Prchavé organické zlúčeniny VOCs

VOCs zahŕňajú chemické látky s krátkodobým aj dlhodobým negatívnym účinkom na zdravie. Prchavé organické látky (VOCs) sú emitované ako plyny z niektorých pevných látok alebo kvapalín. Automobil ich produkuje odparovaním z palivovej nádrže. Na ich obmedzenie je odvetranie nádrže vybavené uhlíkovým filtrom, ktorý pohlcuje tieto výpary. Palivové výpary unikajú aj pri tankovaní paliva, kde sú z nádrže vytláčané objemnom novo natankovaného paliva. Prchavé organické zlúčeniny sa do ovzdušia uvoľňujú aj pri studenom štarte vozidla, vyparovaním z priestoru kľukovej skrine motora, ako výsledok nedokonalého spaľovania paliva.

Pevné častice PM

Škodlivé látky sa do ľudského organizmu dostávajú vdýchnutím, požitím alebo cez pokožku. Pri vdychovaní prenikajú hlboko do pľúc, kde poškodzujú pľúcne bunky. Pľúca sú schopné niektoré látky vlastným mechanizmom odstrániť. Častice s veľkosťou 10 a viac ?m sa zachytávajú v nose a membránach. Častice menšie ako 2 ?m organizmus nezachytí a preniknú hlboko do pľúc. Množstvo tuhých častíc vo vzduchu predstavuje pre zdravie človeka vážne riziko. EÚ stanovila limit ich výskytu na úrovni 50 mg/m³ ako 24-hodinový priemer pre koncentráciu mikročastíc menších ako 10 ?m – PM10. Na základe informácií WHO -Svetová Zdravotnícka Organizácia sú iba emisie tuhých častíc v EÚ zodpovedné za 25 milión ochorení dýchacích ciest detí a 32 000 predčasných úmrtí každý rok. Priemerné skrátenie dĺžky života v dôsledku emisií tuhých častíc predstavuje asi 1,1 roka. Zvýšenie koncentrácie pevných častíc vo vzduchu o 10 mg/m³ vedie k 1%-nému nárastu úmrtnosti. Na základe sledovaní American Lung Assocation už veľmi malé koncentrácie častíc vo vdychovanom vzduchu majú za následok zdravotné poškodenia. V americkom Seattle každý ôsmy astmatický záchvat je spôsobený expozíciou častíc vo vzduchu, a to už pri koncentráciách častíc na úrovni 30 mg/m³. Podľa štúdie, uverejnenej v apríli 1997 v časopise American Review of Respiratory Disease, nárast koncentrácie častíc o každých 30 mg/m³ má za následok nárast astmatických záchvatov o 12%. Podľa amerických odborníkov D. Dockeryho a P. Schwartza z Harvardskej univerzity spôsobuje prítomnosť častíc vo vzduchu predčasné úmrtia 60 tisíc Američanov každý rok. Z hľadiska možného výskytu rakoviny u ľudí sa tuhé častice považujú za pravdepodobne rakovinotvorné, čo bolo potvrdené štúdiami na zvieratách. Z dlhodobých sledovaní výskytu pevných častíc vo vzduchu v mestách USA vyplýva, že riziko vzniku rakoviny pľúc je jednoznačne vyššie u ľudí v mestách, kde je ich vyššia koncentrácia, ako u ľudí žijúcich v čistejších mestách.

Fotochemický smog

Má nepríjemný pach. Dráždi sliznicu, dýchacie cesty, oči. Smog je znečistenie atmosféry spôsobené emisiami. Názov sa skladá z dvoch slov smoke (dym) a fog (hmla). Vyskytuje sa najmä v oblastiach s vysokou intenzitou cestnej dopravy. Má toxické účinky a môže spôsobiť dýchacie problémy až smrť. Vzniká ako dôsledok reakcie medzi nespálenými uhľovodíkmi HC, prchavými látkami VOCs a oxidmi dusíka za pôsobenia slnečného žiarenia. Hlavnou zložkou pre vznik fotochemického smogu je oxid dusičitý (NO₂) a slnečné žiarenie. Oxid dusičitý sa mení na oxid dusnatý (NO) a atómový kyslík (O), ktorý je veľmi reaktívny a s molekulárnym kyslíkom O₂ sa transformuje na ozón O₃. Prízemný ozón je považovaný za škodlivinu, spôsobuje podráždenie očí a dýchacieho ciest, znižuje telesné výkony, poškodzuje rastliny, spôsobuje tvrdnutie gumy, blednutie farbív a textílií, koróziu kovov. Prízemný ozón môže reagovať s oxidom dusnatým (NO) a vytvoriť oxid dusičitý (NO₂) a molekulárny kyslík O₂ – vyvolá sa cyklicky sa opakujúca reakcia. Atómový kyslík môže reagovať aj s vodnou parou (H₂O). Výsledkom tejto reakcie je vznik hydroxylových radikálov OH, ktoré sa menia opäť na vodu a kyslík alebo na peroxid vodíka, ktorý sa rozpustí vo vode. Nespálené uhľovodíky reagujú  s hydroxylovými radikálmi za vzniku peroxyalkyl, alkoxy, hydroperoxy radikálov. Väzby v reťazci uhľovodíkov umožňujú vznik aldehydov, peroxyacetylnitrátu (PAN).

Peroxyacetylnitrát je pomerne stabilná látka s dráždivými účinkami na zrak a dýchacie cesty už v stopových množstvách. Niektoré pramene ich označujú aj ako látku zodpovednú za rakovinu kože.

Ozón spôsobuje nežiaduce zmeny v pľúcnom tkanive, čo spôsobuje natekanie tekutín do pľúc. Vyvoláva zápal a zníženú funkčnosť pľúc a vznik bolesti pri hlbokom dýchaní. Zvýšenému riziku sú vystavení ľudia fyzicky pracujúci vonku, deti a astmatici. Ozón vplýva aj na vegetáciu najmä tým, že v dôsledku pôsobenia ozónu na uhlík ovplyvňuje priebeh fotosyntézy a základných biologických mechanizmov. Ozón negatívne vplýva aj na niektoré materiály ako napr. textil, gumu a plasty tým, že spôsobuje ich predčasné starnutie.

Benzén 

Produkujú ho motorové vozidlá. Považuje sa za rakovinotvornú látku. Pokusy so zvieratami ale aj epidemiologické štúdie potvrdzujú, že vdychovanie benzénu spôsobuje vznik rakoviny. WHO udáva, že celoživotná expozícia 1?g/m³ vyvolá šesť prídavných prípadov leukémie na 1 milión osôb. Vodiči vdychujú benzén hlavne pri čerpaní pohonných hmôt. Pri tejto činnosti sa zvyčajne vyskytujú vyššie koncentrácie. EÚ stanovila pre benzén limit na úrovni 16 ?g/m³. Benzén patrí do skupiny aromatických zlúčenín. Je to číra bezfarebná, stála kvapalina. Má charakteristickú sladkastú vôňu a je jedovatý. Akútna otrava nastáva pri koncentrácii 10 mg/l vzduchu. Otravy benzénom sa prejaví závratmi, zvracaním, trasom končatín, až bezvedomím. Pri požití vysokých dávok benzénu môže nastať smrť. Pri chronickej otrave dochádza k poškodeniu obličiek, pečene a kostnej drene – klesá produkcia červených krviniek. Benzén sa v tele detoxifikuje oxidáciou pomocou cytochrómu P-450  na fenol, ktorý sa vylúči v moči, alebo zoxiduje na vo vode ešte lepšie rozpustné látky. Ako medziprodukty oxidácií  vznikajú reaktívne radikály, ktoré napádajú membrány, nukleové kyseliny a iné bunkové štruktúry.

Oxid siričitý

Obsah síry v spaľovanom palive predstavuje len nepatrné množstvo. Napríklad Smernica Rady 70/220/EHS stanovuje požiadavku pre referenčné palivo zážihových a vznetových motorov, okrem iných vlastností, aj obsah síry max. 10 mg/kg a pre palivo zážihové motory obsah olova max. 5 mg/liter. Napriek nízkym limitom sa do ovzdušia dostáva veľké množstvo tohto plynu, pretože len výrobca Slovnaft, a.s. dokáže, podľa [7], ročne spracovať 5,5 až 6 miliónov ton ropy. Podľa [5], cestná doprava sa podieľa 3-6 %-mi na emisiách síry v Európe. Naftové motory produkujú až 6-krát väčšie množstvo týchto emisií ako motory benzínové. Síra obsiahnutá v palive sa dostáva do atmosféry vo forme oxidu síričitého. Ten reaguje s atmosferickou vlhkosťou a spôsobuje vznik tzv. kyslých dažďov, ktoré spôsobujú okysľovanie a poškodenie pôdy (31 miliónov hektárov lesov len v strednej Európe).

Samotný oxid síričitý je pre človeka toxický. Pôsobí na tkanivá v ústnej dutine a dýchacích cestách a môže viesť ku vzniku astmatických ochorení. Podľa správy U.S. Office of Technology Assessment kyslé dažde spôsobujú v USA približne  50 tisíc úmrtí ročne.

Kyslé dažde spôsobujú koróziu kovových predmetov, eróziu budov a kultúrnych pamiatok.

Olovo

Tetraethylolovo sa pridávalo do benzínov, aby zvyšovalo oktánové číslo paliva a ich odolnosť proti samozápalom a vzniku detonačného spaľovania. Tetraetylolovo má tendenciu usádzať sa, čím bránilo zaklepávaniu sediel ventilov a má aj mazacie schopnosti. To sú dôvody, prečo boli tieto zlúčeniny olovo pridávané do benzínov.

Objav toxicity olova a skutočnosť, že tetraetylolovo sa usádza na aktívnych vrstvách katalyzátorov znamenali jeho zákaz používania. Toxicita olova najvýznamnejšia pre detský organizmus. Dlhodobé vystavenie už malým dávkam olova je príčinou spomalenia duševného vývoja a zmien v správaní. Olovo sa po vniknutí do organizmu ukladá najmä v kostiach a možno ho nájsť aj v krvi. Príznakom otravy olovom je bledosť v tvári, bledé pery, nechuť k jedlu, kolika, anémia, bolesti hlavy, kŕče, chronická nefritida, poškodenie mozgu a poruchy centrálneho mozgového systému. Dnes sa využívajú len bezolovnaté benzíny.

Benzín

Benzín vo výfukových plynoch a odparený benzín z nádrží na slnečnom svetle sa podieľa na vzniku fotochemického smogu. Väčšina ľudí cíti už koncentráciu 0,25 ppm (0,000 025 %). Čuchanie benzínu môže navodiť stav omámenia, ktoré sú vyvolané obsahom aromatických uhľovodíkov.

Pary benzínu sú ťažšie ako vzduch a majú snahu sa hromadiť v nižších miestach. Pri zapálení vzniká ohnivá guľa, ktorá pohltí okolie.

Hluk 

Hluk vznikajúci pri prevádzke motorových vozidiel možno zahrnúť medzi škodliviny. Jeho význam nie je u nás celkom docenený. Vysoká úroveň hluku spôsobuje poruchy spánku, výskyt depresií, vyšší krvný tlak. Môže mať vplyv aj na správanie osôb. U detí zo škôl nachádzajúcich sa v blízkosti rušných ciest sa pozorovalo tiež zníženie koncentrácie. Podľa odborníkov z Nemecka hluk, s hladinou hluku nad 65 decibelov, zavinil asi 2 % infarktov srdca. V súčasnosti žije v Európe viac ako 113 milión obyvateľov v miestach, kde je hladina hluku 65 dB prekročená, z ktorých 9,7 milión žije v miestach s hladinou hluku prekračujúcou 75 dB. Pri dlhšom vystavení takémuto hlu

hluku môže u človeka dôjsť až k poruche sluchu.

Záver

Závažnosť produkcie skleníkových plynov prostredníctvom emisií pochádzajúcich z cestnej dopravy vo vzťahu ku kontinuálnemu zhoršovaniu sa stavu životného prostredia a potreby dosiahnutia stabilizovaného stavu na ceste k trvalo udržateľnému rozvoju spoločnosti, si uvedomujú aj inštitúcie Európskej únie. Na pôde Európskej únie tak boli prijaté viaceré na seba nadväzujúce štandardy, tzv. Európske emisné štandardy, ktoré  tvoria súbor nariadení a požiadaviek, stanovujúcich limity pre zloženie výfukových plynov všetkých automobilov vyrábaných v členských krajinách EÚ.

Autori

Vladimír Rievaj¹, Alica Kalašová² , Zuzana Majerová³

¹ doc., Ing. Vladimír Rievaj, Žilinská univerzita v Žiline, Fakulta prevádzky a ekonomiky dopravy a spojov, Katedra cestnej a mestskej dopravy, Univerzitná 1, 010 26 Žilina, SR

² prof. Ing. Alica Kalašová, Žilinská univerzita v Žiline, Fakulta prevádzky a ekonomiky dopravy a spojov, Katedra cestnej a mestskej dopravy, Univerzitná 1, 010 26 Žilina, SR

³ Ing. Zuzana Majerová, , Žilinská univerzita v Žiline, Fakulta prevádzky a ekonomiky dopravy a spojov, Katedra cestnej a mestskej dopravy, Univerzitná 1, 010 26 Žilina, SR

Literatúra

[1]        MATĚJOVSKÝ,V.. Automobilová paliva. Grada, Praha, 2005. ISBN 80-2470-350-5

[2]          http://en.wikipedia.org/wiki/Carboxyhemoglobin

[3]        WEST JB, Respiratory Physiology -the essentials, 5th Ed. Williams & Wilkins, 1995

[4]          PUNDIN, B. P.: Engine Emisssions Pollutant Formation and Advances in Control Technology. Alpha Science, ISBN 978-1-84265-401-9

[5]          http://ec.europa.eu/clima/sites/campaign/pdf/gases_sk.pdf

[6]          http://www.inforse.dk/europe/fae/DOPRAVA/ZNECISTENIE/znecistenie.htm

[7]          http://www.inforse.dk/europe/fae/DOPRAVA/ZNECISTENIE/znecistenie.htm

[8]          http://www.slovnaft.sk/sk/o_nas/nasa_spolocnost/

[9]          http://www.autorubik.sk/technika/na-co-sluzi-a-ako-funguje-katalyzator/

[10]     HLAVŇA V. a kol.: Dopravný prostriedok jeho motor, Žilinská univerzita v Žiline, 2003, ISBN 80-8070-046-X

Táto štúdia/publikácia vznikla vďaka podpore v rámci operačného programu Výskum a vývoj pre projekt:

Centrum excelentnosti pre systémy a služby inteligentnej dopravy II.,

ITMS 26220120050 spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

“Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku/Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ”