Нормирование токсичности ОГ ДВС с искровым зажиганием

Экологические характеристики двигателей. Влияние режимных, конструктивных факторов и технического состояния ДВС на концентрацию в ОГ вредных веществ

Для снижения токсичности ОГ используется большое количество различных мероприятий, включая применение специальных антитоксичных устройств и целых систем. Выбор той или иной стратегии зависит от уровня токсичности ОГ, который требуется обеспечить. Другими словами, все зависит от законодательных норм на допустимые выбросы токсичных веществ, которые необходимо выполнить.

Определяющее влияние на состав ОГ оказывает состав смеси, характеризуемый коэффициентом избытка воздуха (α) (рис. 12).

Рис.12а - Влияние коэффициента избытка воздуха (α) на состав ОГ

Рис.12б - Влияние угла опережения зажигания (φо.з.) на выбросNOx и СН с ОГ

Возрастание концентрации в ОГ таких компонентов, как СО и СН по мере обогащения смеси объясняется увеличением дефицита кислорода. С другой стороны, на очень бедных смесях концентрация СН возрастает из-за появляющихся пропусков воспламенения от искры.

Концентрация NOx по мере обеднения смеси до α ≈ 1,05 возрастает вследствие увеличения количества 0₂ в ОГ и температуры в процессе сгорания. При дальнейшем обеднении смеси определяющее значение приобретает снижение температуры сгорания.

С другой стороны, угол опережения зажигания (φ_о.з) также сильно
влияет на выброс NOx и СН (рис.12б).

Это влияние связано с тем, что при увеличении φ_о.з возрастает температура процесса сгорания, а вместе с ней и количество образующихся NOx. С уменьшением φ_о.з,сгорание всё больше переносится на линию расширения, возрастает температура ОГ в конце процесса расширения ив системе выпуска, что обеспечивает более полное окисление СН.

Поэтому на начальном этапе борьбы за снижение токсичности ОГ использовался главным образом комплекс мероприятий, направленных на увеличение полноты сгорания топлива путем оптимизации дозирования горючей смеси и более надежного и стабильного ее поджигания. Это достигалось в результате некоторого обеднения горючей смеси, улучшения характеристик карбюратора (сужение поля допусков), выключения подачи бензина на режимах принудительного холостого хода (экономайзер принудительного холостого хода). Большое внимание уделено системе

холостого хода карбюратора: были несколько обеднены регулировки, введены ограничения на возможное изменение состава смеси при эксплуатационных подрегулировках с помощью соответствующих винтов. Все указанные мероприятия способствовали значительному уменьшению выбросов СО и СН. С этой же целью перешли к замкнутым системам вентиляции картера.

На некоторых режимах для уменьшения выбросов СН и NOx угол
опережения зажигания устанавливался меньше значения, обеспечивающего оптимальную экономичность.

Опыт показал, что указанные меры вполне достаточны для удовлетворения требованиям ГОСТ 17.2.2.03-87 и ОСТ 37.001.054-86.

Определенный вклад в снижение токсичности ОГ двигателей с искровым зажиганием внесло увеличение использования сжатого и сжиженного газов. В этом смысле сжиженный газ менее эффективен, так как уменьшение токсичности ОГ достигается, главным образом только в результате сжигания более бедных смесей, чем при работе на бензине.

Перевод двигателей на питание сжатым природным газом дает заметный экологический эффект из-за значительного отличия элементного состава природного газа и бензина. Например, при испытаниях в среднем регистрируется выброс СО в 2 раза, СН на 15.. 40%, а на 15% меньше норм по ОСТ 37.001.054-86. Одновременно при работе на сжатом газе регистрируется меньший выброс СО₂ и отсутствие тяжелых углеводородов. Опыт показывает, что оптимизация состава смеси и угла опережения зажигания не дает возможность при работе на газе выполнить нормы Евро II.

Резервы снижения токсичности ОГ карбюраторных двигателей традиционной конструкции указанными выше способами к настоящему времени практически исчерпаны, и это потребовало разработки и применения специальных мероприятий, без которых удовлетворение норм Евро II (и тем более норм Евро III) оказалось невозможным.

Уменьшение токсичности ОГ достигается в результате законодательного ограничения выброса вредных веществ. С этой целью разработаны стандарты и правила, устанавливающие предельно допустимые нормы выброса СО, СН и NOx. Кроме того, для дизелей установлены нормы на допустимую дымность ОГ. С 1989 г. США, а с 1992 г. страны 3ападной Европы от нормирования дымности ОГ перешли к нормированию частиц.Нормы на допустимые токсичные выбросы с ОГ устанавливаются из условий обеспечения санитарных норм на предельно допустимые концентрациитоксичных веществ в атмосфере на улицах городов с интенсивным движением автомобилей. С ростом автомобильного парка вводят я более жесткие нормы. Для того чтобы заводы могли своевременно обрабатывать мероприятия, требующиеся для выполнения законодательных норм, они публикуются заблаговременно.

Нормирование токсичности ОГ является главным стимулом к созданию автомобилей с требуемыми экологическими показателями.

Впервые нормирование токсичности ОГ и картерных газов было введено в 1959 г. в штате Калифорния США. В 1964 г. в этом же штате для автомобилей, начиная с выпуска 1966 г., была введена система контроля токсичности ОГ. В 1970 г. в США был утвержден Государственный (федеральный) стандарт, основой которого явился Калифорнийский стандарт.

С 1970 г. Европейской Экономической комиссией ООН рекомендованы единые для государств Европы Правила оценки токсичности ОГ и картерных газов (Правила № 15 и №49).

С 2000 г. в странах Европейского экономического сообщества должны выполняться Правила № 83.03, Правила № 49 и Правила № 24.

В нашей стране нормирование токсичности ОГ началось в 1970 г.
(ГОСТ 16533-70).

В настоящее время существуют разные стандарты, разработанные для США, Европы и Японии, представляющих собой регионы с наиболее жестким нормированием выбросов. Эти стандарты постоянно совершенствуются,анормы становятся все более жесткими. При этом сформировалась четкаятенденция приближения европейских стандартов к стандартам США, а наши стандарты уже сейчас во многом идентичны Правилам 83.03 ЕЭК ООН, предусматривающим пять типов испытаний.

В Австралии и Канаде при разработке законодательства в области токсичности ОГ за основу приняты американские стандарты, которые являются более жесткими, чем европейские.

В настоящее время в РФ действует комплекс стандартов на токсичность ОГ двигателей с искровым зажиганием (рис.2.1).

Рис.13 - Комплекс стандартов на токсичность ОГ двигателей с искровым зажиганием

Существуют отдельные стандарты на проверку токсичности ОГ в эксплуатационных условиях и при приемочных, периодических и инспекционных испытаниях.

Контроль в эксплуатационных условиях (первый вид испытаний) производится работниками ГИБДД, санитарных служб или на станциях технического обслуживания. Эти испытания отличаются необходимой для массового использования простотой и выполняются с помощью дешевых и небольших газоанализаторов.

Второй вид испытаний требует специального дорогого и сложного оборудования и газоанализаторов, он позволяет получить более полную информацию о токсичности ОГ автомобиля.

В стандартах указывается, на какие автомобили они распространяются, методика, режимы и объем испытаний, требования к оборудованию и точности измерений, порядок обработки результатов измерений, а также нормы на предельно допустимые выбросы вредных веществ.

Контроль токсичности ОГ при эксплуатации автомобилей осуществляется в соответствии с ГОСТ 17.2.2.03-87 с изменением № 1 «Нормы и методы измерения содержания оксида углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями” для всех автомобилей с массой не менее 400 кг, оснащенных бензиновыми двигателями.

Эти испытания аналогичны испытаниям типа II по Правилам № 83.03.

На неподвижном автомобиле с прогретым двигателем проверяется содержание СО и СН в ОГ на двух режимах холостого хода: при минимальной частоте вращения и при повышенной частоте вращения, указанных предприятием изготовителем. Если эти значения не оговорены в технических условиях, то принимают n_xxmin (800±50) мин^-1, n_xx.пов (3000±100) мин^-1.

Предельно допустимое содержание СО и СН по ГОСТ 17.2.2.03 —87 с изменением № 1 указано в табл.7.

Таблица 7

Предельно допустимое содержание СО и СН

Частота вращения, мин^-1**	Предельно допустимое содержание оксида углерода, объемная доля, %	Предельно допустимое содержание углеводородов, объемная доля, % для двигателей с числом цилиндров
до 4 вкл	более 4
Автомобили без каталитических нейтрализаторов
nxxmin	Значение, указанное заводом-изготовителем*. Если такое значение не указано, то 3,5 %
nxx.пов	2,0
Автомобили с каталитическим нейтрализатором
nxxmin	Значение, указанное заводом-изготовителем*. Если такое значение не указано, то 1,0 %
nxx.пов	Значение, указанное заводом-изготовителем*. Если такое значение не указано, то 0,7 %

Примечания:

* после 1-го января 1999 года в технической документации на автомобиль завод-изготовитель должен указывать значение пре допустимого содержания СО в ОГ на режиме минимальной частоты вращения холостого хода, которое не должно превышать значений, приведенных в таблице;

** значения n_xxmin, n_xx.пов указываются в технических условиях к инструкции по эксплуатации автомобилей; если эти значения не установлены, то при контроле принимают n_xxmin (800±50) мин^-1, n_xx.пов (3000±100) мин^-1.

*** проверку на режиме повышенной частоты вращения холостого хода проводят только на автомобилях с карбюраторными двигателями.

С учетом действующих норм автомобили проверяются и при необходимости регулируют в автохозяйствах, на заводах и станциях технического обслуживания Погрешность переносного измерительного прибора не должна быть более ±5 % от верхнего предела по шкале, а у стационарного прибора не более ±2,5 %.

Контроль при эксплуатации газобаллонных автомобилей с 2000г. проводится в соответствии с ГОСТ I7.2.О2Об-99. По этому стандарту режимы и методика контроля такие же, что и по ГОСТ I7.22ОЗ-87, нормы на предельно допустимое содержание СО и СН в отработавших газах при работе на сжатом (СНГ) и сжиженном (СПГ) газах указаны в табл. 8.

Таблица 8

Нормы на предельно допустимое содержание СО и СН в отработавших газах при работе на сжатом (СНГ) и сжиженном (СПГ) газах

СО, %

СН, млн^-1

СО, %

СН, млн^-1

СНГ

СПГ

Рабочий объем двигателя, дм^3

СНГ

СПГ

Рабочий объем двигателя, дм^3

до 3 вкл.

свыше 3

до 3 вкл.

свыше 3

СНГ

СПГ

СНГ

СПГ

СНГ

СПГ

СНГ

СПГ

для автомобилей, выпущенных до 01.07.2000

для автомобилей, выпущенных после 01.07.2000

nxxmin

3,0

30,

3,0

2,0

nxx.пов

2,0

2,0

2,0

1,5

Предприятия-изготовители газобаллонной аппаратуры обязаны предусматривать устройство для пломбирования регулировочных винтов. Инструкция аппаратуры должна обеспечивать содержание СО и СН не выше установленных норм в течение всего срока службы с периодичностью регулировки не менее чем через 100000 км пробега при соблюдении правил, указанных в технических условиях и инструкции по эксплуатации автомобиля.

Контроль токсичности ОГ на стенде с беговыми барабанами - испытания автомобиля по ОСТ 37.001.054-86 «Автомобили и двигатели. Выбросы вредных веществ. Нормы и методы определения” проводятся при приемочных, периодических и инспекционных испытаниях в специальном боксе на динамометрическом стенде с беговыми барабанами и сменными инерционными массами. Этот стандарт распространяется на автомобили с полной массой от 400 до 3500 кг.

Стенд оборудуется средством визуального представления цикла и фактической скорости автомобиля, что позволяет реализовать
заданную программу движения (заданное изменение скорости в зависимости от времени) в соответствии с принятым ездовым циклом путём воздействия на орган управления двигателем (дроссельную заслонку или рейку топливного насоса высокого давления). При этом тормозное (нагружающее) устройство стенда с беговыми барабанами должно обеспечивать нагружение двигателя в соответствии с массой автомобиля. Имитация инерционных нагрузок при разгоне и торможении автомобилей обеспечивается выбором соответствующих сменных инерционных масс.

Отбор ОГ для их анализа осуществляется с помощью пробоотборника постоянного объема (ППО).

ППО предназначен для смешивания ОГ с атмосферным воздухом и измерения общего объемного расхода смеси ОГ и разбавляющего воздуха.Этот расход остается неизменным независимо от режима движения автомобиля, что обеспечивается калиброванным ротационным насосом 6 (рис.8) или критическими соплами. Значение объемного расхода ОГ за время испытаний и средних концентраций в ОГ токсичных СО, СН и NOx позволяет определить их выброс в г/исп.

Степень разбавления ОГ должна быть такой, чтобы ни на одном режиме движения по ездовому циклу не происходило конденсации паров в емкостях для сбора разбавленных газов.

Часть воздуха, добавляемого к ОГ, а также разбавленные ОГ отбираются для анализа через фильтры 1, пробоотборные насосы 2, вентили 3 и

расходомеры 4 в эластичные емкости. При этом массовый расход разбавленных ОГ, отбираемых для анализа, должен быть на всех режимах прямо пропорционален их суммарному массовому расходу.

Так как состав разбавляющего воздуха и воздуха, поступающего в двигатель, один и тот же, то анализ этого воздуха позволяет исключить из выбросов СО, СН и NOx с ОГ ту их часть, которая поступила в цилиндры из атмосферы.

Теплообменник 8 поддерживает температуру смеси ОГ с воздухом перед измерительным устройством в пределах ±6°С от заданной регулятором (на схеме не показан) величины.

Анализ СО и СО₂ проводится недисперсным инфракрасным газоанализатором; СН – ионизационно-пламенным; NOx –

хемилюминесцентным.

Рис.14 - Автомобиль на стенде с беговыми барабанами (а) и пробоотборник постоянного объема (б): 1 - фильтр; 2 - пробоотборный насос; З -вентиль, 4 – расходомер, 5 – манометр, 6 - ротационный насос, 7 - датчик температуры, 8 - теплообменник 9 - центробежный фильтр;10 - смеситель

Допускаемая погрешность показаний газоанализаторов должна быть в пределах ±3% от максимального значения шкалы.

Отбор проб для анализа СН по требованиям стандарта организуется так, чтобы исключить конденсацию СН на пути от точки отбора до инфракрасного газоанализатора (при отборе всей пробы в одну ёмкость).

Обработка результатов испытаний по уравнениям, приведенным в стандарте, позволяет получить величины выбросов СО, СН и NOx в г/испытание.

При испытаниях на соответствие нормам Евро II после запуска при t = 2О...З0⁰С первые 40 с двигатель прогревается на холостом ходу и только после этого начинается отбор газов. При испытании четыре раза повторяется так

называемый городской цикл (тест ЕСЕ), что продолжается в общей сложности 820 с. Теоретическое расстояние, пройденное автомобилем за все испытание (определяемое специальным счетчиком пройденного пути), составляет 4,052 км.

Стендовые испытания двигателя по 9-режимному циклу – этим испытаниям подвергаются при приемочных, периодических и инспекционных испытаниях двигатели с искровым зажиганием (бензиновые и газовые), используемые для грузовых автомобилей с полной массой более 3,5 т и автобусов с количеством мест более 12.

Стандарт предусматривает определение удельных выбросов СО, СН и NOx с ОГ двигателя, установленного на тормозном стенде, при выполнении теста, состоящего из 9-ти заданных режимов, учитывающих движение автомобиля в крупных городах.

Перед испытаниями на токсичность ОГ двигатель должен быть обкатан и отрегулирован в соответствии с техническими условиями завода – изготовителя.

Испытания состоят из двух циклов прогрева и двух горячих циклов, каждый из которых включает в себя 9 режимов. Выполняются циклы непрерывно один за другим. Общая длительность испытания 20 мин.

Все режимы цикла, кроме режима 1 (холостогохода), выполняются при постоянной частоте вращения, равной 2000±100 мин^-1.

На режиме 1 холостого хода частота вращения должна соответствовать величине, указанной в инструкции предприятия – изготовителя. Двигатель при этом должен быть отсоединен от тормозного устройства стенда.

Анализ ОГ на содержание СО, СН, NOx, и СО₂ должен выполняться с помощью быстродействующих газоанализаторов непрерывного действия непосредственно в процессе испытаний. Максимальная погрешность газоанализаторов не должна быть более ±3% от предельного значения шкалы. В процессе испытаний должны измеряться: частота вращения коленчатого вала, разрежение во впускной системе, атмосферное давление, расход топлива, температура окружающего воздуха и крутящий момент двигателя. По уравнениям, приведенным в ОСТ 37.001.070-75, по экспериментально измеренным величинам определяются удельные выбросы СО, СН и NOx в г/(кВтч) или ( г/(л.с.ч),которые сравниваются с предельно допустимыми значениями.

Контроль выброса картерных газов -
По ОСТ 37001.054-86 выброс картерных газов в атмосферу не допускается, поэтому система вентиляции картера должна быть замкнутой.
В процессе испытаний отсутствие выброса углеводородов с картерными газами контролируется. Испытания автомобилей производятся на динамометрическом стенде с беговыми барабанами при трех режимах работы двигателя: холостой ход; скорость автомобиля - 50±2 км/ч, разрежение во впускном коллекторе - 400±8 мм рт ст; скорость автомобиля - 50±2 км/ч, разрежение во впускном коллекторе - 250±8 мм рт ст.

По ОСТ 37.001.054-86 автомобиль считается прошедшим испытания, если при каждом из режимов давление в картере двигателя не превышает атмосферное в момент измерения. Если хотя бы на одном из режимов давление в картере двигателя превышает атмосферное, то допускается проведение дополнительного испытания. При этом испытании к отверстию для щупа уровня масла подсоединяется непроницаемая для картерных газов эластичная камера емкостью около 6 дм³. Перед каждым измерением камера должна быть разъединена с картером и очищена от газов. В процессе измерений камера соединяется с картером на 5 мин на каждом режиме испытаний. Автомобиль считается выдержавшим испытания, если при измерениях не наблюдается видимого раздувания эластичной камеры. Все отверстия, соединяющие картер двигателя с атмосферой, кроме отверстия, к которому присоединена эластичная камера, должныбыть перекрыты.

Контроль выброса углеводородов с испарениями
из системы питания - измерения показывают, что при испарении бензина из карбюратора и топливного бака в атмосферу поступает до 15...20% от общего выброса СН.

В Соответствии с Правилами 83.03 испытания типа IV проводятся по методике, аналогичной методике Федерального стандарта США, в герметичной камере прямоугольной формы с внутренней поверхностью из материала, не выделяющего углеводороды и непроницаемого для них, например, из высококачественной стали. Предварительно объем камеры рассчитывают с высокой точностью.

Определяется концентрация СН в камере перед испытаниями и после них. По увеличению концентрации СН в течение оговоренного стандартом времени с учетом объема камеры находится величина выброса СН в граммах за испытание.

Само испытание состоит из двух частей: определение выброса СН в результате суточного изменения температуры топлива в баке и замер выброса СН из системы питания в результате «горячего насыщения», т.е. сразу после испытаний автомобиля на стенде с беговыми.

Общий результат измеренных выбросов СН в результате «суточного» испарения и «горячего насыщения» не должен превышать 2 грамма за испытание.

В РФ испытания такого рода пока не предусмотрены.

Испытания на надежность устройств для снижения
токсичности ОГ - в процессе эксплуатации автомобиля эффективность устройств для снижения токсичности ОГ может уменьшаться, однако это уменьшение не должно быть значительным. По Правилам 83.03 испытания на надежность устройств для снижения токсичности ОГ относятся к испытанию типа V, при котором в ходе наработки пробега в 80 тыс. км осуществляется периодический контроль транспортных средств по испытанию типа I. Методикой оговариваются рекомендуемые программы и режимы движения

автомобиля для выполнения полного объема испытаний. Наработка километража в объеме 80 тыс. км может осуществляться или на дороге или на стенде.

В РФ такие испытания пока не предусмотрены.

Дата добавления: 2014-01-13