Ученые из Центра экологических исследований и технологий Калифорнийского университета в Риверсайде провели масштабное исследование, чтобы выяснить, как добавление этанола в бензин влияет на выхлопы современных гибридных автомобилей. Несмотря на то, что этанол традиционно считается более чистым топливом, чем бензин, его взаимодействие с двигателями до сих пор не изучено. В эксперименте использовался подключаемый гибрид (PHEV), оснащенный двигателем, который был способен корректно работать на смесях с высокой долей спирта.
Исследователи протестировали этот автомобиль на трех видах топлива – E10, который содержит 10% этанола, E30 (30%) и E83 (83%). Они анализировали состав газообразных выбросов, количество и свойства твердых частиц, а также биологическое действие выхлопа на клетки дыхательных путей человека. Одним из самых заметных результатов стало снижение выбросов оксидов азота (NOx). На топливе E83 таких выбросов оказалось почти вдвое меньше, чем на стандартном E10, а в агрессивных режимах движения – даже на 79%. Этанол испаряется с поглощением тепла и охлаждает смесь в цилиндре, а более низкая температура сгорания подавляет образование NOx. Похожая динамика наблюдалась и в отношении твердых частиц: масса сажи и черного углерода уменьшалась на десятки процентов, а иногда почти на три четверти. Между тем твердые частицы считаются одним из самых опасных загрязнителей воздуха.
Однако в ряде других параметров все оказалось сложнее. Чем выше доля этанола в топливе, тем интенсивнее выбросы органических соединений – от обычных углеводородов до формальдегида и ацетальдегида. Альдегиды образуются как прямые продукты распада этанола при сгорании, поэтому на смесях E30 и особенно E83 их концентрация растет кратно. Эти вещества повышают озонообразующий потенциал выхлопа – способность выбросов участвовать в фотохимических реакциях, ведущих к образованию приземного озона. Кроме того, вопреки распространенным ожиданиям, выросли выбросы ряда ароматических углеводородов, вероятно, потому что охлаждающий эффект этанола замедляет испарение и окисление легких ароматических компонентов бензина.
Неоднозначной оказалась и картина с твердыми частицами. Да, их масса уменьшается, но средний размер сокращается еще сильнее – в итоге растет доля наночастиц диаметром менее 23 нанометров. Такие частицы почти не влияют на массу выбросов, но легко проникают в глубокие отделы легких и считаются более опасными. Особенно активно они образуются при холодном запуске – моменте, когда двигатель работает на обогащенной смеси, а каталитический нейтрализатор еще не прогрет.
Самые интересные результаты связаны с токсичностью частиц. Ученые проверили, как твердые выбросы действуют на клетки бронхиального эпителия человека. Частицы, образующиеся при сгорании E10 и E30, оказали заметно слабое воздействие, практически не нарушая целостности клеточных мембран. Но частицы, сформировавшиеся на E83, проявили выраженную цитотоксичность – нанесли клеткам значительно больший ущерб. Парадокс заключается в том, что по химическим характеристикам эти частицы выглядели менее склонными к генерации активных форм кислорода. Следовательно, повреждение клеток происходит через другие механизмы – вероятно, связанные с органическими компонентами, характерными для высокоэтанольного выхлопа, которые активируют клеточные пути стресса и воспаления.
Ученые подчеркивают, что исследование проводилось на одном автомобиле, а результаты во многом зависят от конструкции двигателя, калибровки гибридной системы и свойств топлива. Поэтому они планируют масштабировать работу, протестировав разные модели PHEV и двигателей, а также подробнее изучить химический состав частиц и механизмы их воздействия на клетки.
