Состав отработавших газов двигателей автомобилей дает представление о полноте сгорания топлива и коэффициенте избытка воздуха. По составу отработавших газов можно судить о техническом состоянии цилиндропоршневой группы двигателя, системы питания и зажигания. Состав отработавших газов — один из параметров, определяющих пригодность эксплуатации автомобилей; при повышенном содержании оксида углерода (СО) эксплуатация автомобилей запрещена Правилами дорожного движения. Отработавшие газы автомобилей состоят из многих химических компонентов: азота, двуоксида и оксида углерода, паров воды и других элементов. Самым ядовитым компонентом является оксид углерода, содержание которого доходит у неисправных карбюраторных двигателей до 10 %. Оксид углерода — результат неполного сгорания топлива и показатель технического состояния двигателя в целом, поэтому при диагностировании двигателей в первую очередь определяется содержание СО в отработавших газах.
Наибольший выброс оксида углерода происходит при работе двигателя на режимах холостого хода и при разгоне автомобиля. На режимах холостого хода на содержание оксида углерода существенное влияние оказывает регулировка смеси с помощью винта качества.
Способы уменьшения загрязнения окружающей среды токсичными компонентами отработавших газов автомобилей
Уменьшение количества и изменение качественного состава вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду с отработавшими газами, достигается целым комплексом мероприятий. Среди них следует отметить ряд конструктивных разработок — специальные конструкции камер сгорания для работы на бедных смесях, в том числе с различными типами форкамер, рециркуляция отработавших газов, т. е. подача их части на вход в двигатель, системы регулирования фаз газораспределения, уменьшающие перекрытие клапанов на пониженных режимах, и т. д. Однако даже при использовании в конструкции двигателей всех самых передовых решений удовлетворить нормам токсичности, установленным, например, в США, Японии и странах Европы, не удается. Вследствие этого современные автомобили с бензиновыми двигателями снабжаются каталитическими нейтрализаторами.
Нейтрализатор состоит из носителя, заключенного в корпус. Носитель представляет собой керамический материал (сотовой конструкции или в виде шариков), покрытый тонким слоем катализатора из благородных металлов, например платины, палладия, родия. При температуре поверхности катализатора свыше 250—300 °С содержащиеся в отработавших газах окислы углерода СО эффективно окисляются, а их концентрация в выхлопных газах снижается во много раз. Окисление углеводородов СН происходит при более высокой температуре (400 °С). Окисление СО и СН происходит в присутствии свободного кислорода воздуха, небольшое количество которого образуется в результате сгорания:
СmНn + (m + n/4)02 -> mС02 + (n/2)Н20.
Такие реакции могут происходить в широком диапазоне изменения состава смеси — необходимо только, чтобы отработавшие газы имели коэффициент а более 1,0, что достигается работой двигателя на обедненной смеси или подачей в систему выпуска дополнительного воздуха.
Подобные нейтрализаторы получили широкое распространение на автомобилях с начала 80-х годов, в том числе с карбюраторной системой подачи топлива. Однако последовательное ужесточение норм токсичности потребовало создания нейтрализаторов, снижающих не только концентрацию.
Именно ужесточением норм токсичности (а не требованиями экономичности или мощности) объясняется повсеместное внедрение на автомобилях сложных электронных систем топливоподачи. Сложность этих систем со временем, вероятно, будет увеличиваться вместе с дальнейшим ужесточением норм токсичности.
В отличие от бензиновых двигателей дизели имеют существенно более низкий уровень выбросов СО, NOx и СН. Наиболее низкий уровень выбросов СО и СН достигается обычно в режимах средних нагрузок.
Большие различия в уровне и характере изменения выбросов в зависимости от состава смеси у дизелей по сравнению с бензиновыми двигателями связаны с иной природой процесса сгорания — у бензинового двигателя с помощью свечи поджигается хорошо перемешанная смесь воздуха и паров топлива, а в дизеле происходит самовоспламенение в факеле распыляемого топлива в зонах с концентрацией топлива около а = 1.
В выхлопных газах дизеля присутствуют, иногда в больших количествах, частицы углерода (сажа). Это происходит из-за наличия зон богатой смеси в струе распыляемого топлива. Сажевыделение дизеля создает характерный черный дым выхлопа и так же, как и другие вещества, ограничивается нормами токсичности. Снижение сажевыделения достигается более ранним впрыском (ограниченным, правда, «жесткостью» сгорания и повышением нагрузок на детали) и ограничением подачи насоса. Среди конструктивных мероприятий следует отметить увеличение скорости впрыска и качества распыливания топлива за счет увеличения давления подачи, а также электронное регулирование подачи. Дымление двигателя резко возрастает при приближении состава смеси к стехиометрическому (а = 1), поэтому дизели, несмотря на то, что вблизи а = 1 мощность и крутящий момент максимальны, имеют ограничение а по пределу дымления. Сравнительно низкий уровень СО, СН и NOx в отработавших газах дизеля не требовал в прошлом установки специальных устройств для снижения токсичности. Однако в последние годы ужесточение норм токсичности коснулось и дизелей — на многих моделях автомобилей с дизельными двигателями уже появились системы снижения токсичности выхлопа, включающие рециркуляцию выхлопных газов, каталитический нейтрализатор и специальный сажевый фильтр.
Методы контроля и нормы допустимой токсичности отработавших газов
Дымность отработавших газов оценивается по оптической плотности отработавших газов, которая представляет собой количество света, поглощенного частицами сажи и другими све-топоглощающими дисперсными частицами, содержащимися в газах. Она определяется по шкале прибора АВТОТЕСТ-01 СО-СН-Т-Д — компактного газоанализатора-дымомера (СО, СН, мин"1, дымность); он представляет собой два прибора в одном, где установлены жидкокристаллические индикаторы с подсветкой, диапазоны измерений: 0—10 % СО, 0—5000 ррт СН, 0—10000 мин"1, 0—10 м_1/0—100% дымность (рис. 4.1, а), или МД-01 — измерителя дымности отработавших газов дизельных двигателей, который работает по принципу просвечивания мерного объема газа. Состоит из оптического блока с рабочей камерой и пульта управления с 4-строчным дисплеем. Выводит протокол измерений на встроенный в пульт принтер и разъем RS-232 для связи с компьютером. Установка нуля и обработка результатов измерений автоматизированы. Эффективная длина просвечивания — 0,43 м. Диапазон измерений 0-10 м-1/0-100 % (рис. 4.1, б). МЕТА-01 MП.01-RS232 — портативный цифровой дымомер с выходом на ПК и принтер (см. рис. 4.1). Этот прибор удобен при труднодоступных системах выпуска отработавших газов. Состоит из приборного блока и оптического датчика. Диапазон измерений: 0—10 м-1/0—100 %. Универсальное электропитание: 12 В, 220 В, и автономно от аккумулятора напряжением 9 В (рис. 4.1, в).
Рис. 4.1. Приборы для измерения дымности дизельных двигателей: а — ABTOTECT-01 СО-СН-Т-Д; б — МД-01; в — META-01 Mn.01-RS232; г -ДО-1; 1 — газоотборники; 2 — измерители со стрелочным индикатором; 3 — аккумулятор
ДО-1 — дымомер для экспресс-контроля отработавших газов дизельных двигателей. Работает по принципу просвечивания мерного объема газа. Состоит из оптического детектора (формирование и просвечивание потока газа) и измерителя со стрелочным индикатором. Шкала прибора линейная (в %). Для перевода в абсолютные значения (м-1) приведен график. Эффективная длина просвечивания 0,43 м, диапазон измерений 0—100 %, электропитание 12 В и 220 В или 24 В и 220 В.
Отбор исследуемых газов осуществляется с помощью газоотборника 7.
Измерение дымности проводится в двух режимах работы двигателя — на холостом ходу и свободного ускорения до максимальной частоты вращения вала. Температура отработавших газов не должна быть ниже 70 °С.
Дымность отработавших газов у автомобилей КамАЗ, МАЗ, КрАЗ, ЗИЛ и их модификаций в режиме свободного ускорения не должна превышать 40 %, а на максимальной частоте вращения — 15 %.
Таблица 4.1. Влияние технического состояния двигателя и автомобиля на расход топлива и токсичность ОГ*
| Изменение параметра | Увеличение относительно нормы, % | ||
|---|---|---|---|
| расход топлива | выброс СО | выброс СХНУ | |
| Увеличение пропускной способности главных жиклеров на 10 % | 6—7 | 45 | 9 |
| Повышение уровня в поплавковой камере на 4 мм | 2—4 | 36—40 | 2 |
| Неплотности посадки клапана экономайзера | 20 | 100—500 | 20 |
| Преждевременное включение клапана экономайзера | 15—17 | 200 | 25 |
| Засорение воздушного фильтра | 9—10 | 150—200 | 130—190 |
| Неправильная регулировка системы холостого хода | 30—35 | 500 | 100—150 |
| Отклонение зазора в контактах прерывателя на 0,2 мм от нормы | 7—8 | 0 | 200—300 |
| Отклонение зазора в свечах на 0,2 мм от нормы | 3—5 | 0 | 300 |
| Отказ одной свечи зажигания | 20—30 | 0 | 500—900 |
| Отклонение угла опережения зажигания на Г | 0,3-1,0 | 0 | 10 |
| Отклонение зазоров в клапанном механизме на 0,2 мм от нормы | 7—8 | 7 | 80 |
| Нарушение регулировки ТНВД дизельных двигателей | 5—25 | 5—50 | 5—25 |
| Неисправность форсунок | 10—20 | 25—50 | 50—100 |
| Неправильная затяжка подшипников ступиц колес | 6—7 | 10 | 50 |
| Неправильная затяжка подшипников редуктора заднего моста | 7 | 10 | 50 |
| Снижение давления в шинах на 10—15 % от нормы | 8 | 50 | 20 |
| Отклонение схождения колес на 1 мм от нормы | 3—4 | — | — |
| Снижение температуры охлаждающей жидкости в двигателе на 10°С | 2—3 |
|
|
* ОГ — отходящие газы (по данным НПО «Экосистема» и др.).
В 1992 г. Россия присоединилась к международному Соглашению по экологическим требованиям Правил ЕЭК ООН, что создало правовую основу для контроля по их выполнению со стороны государства.
В табл. 4.2 приведены нормы на содержание основных вредных веществ в отработавших газах.
Таблица 4.2. Нормы содержания вредных веществ в отработавших газах, г/(кВт ч)
| Правила ЕЭС | Год введения | N0 | СО | СН | Твердые частицы |
|---|---|---|---|---|---|
| ECR R 49.00 | 1982 | 18 | 14 | 3,5 | Не регламентировано |
| Евро-0 | 1988 | 14,4 | 11,2 | 2,5 | То же |
| Евро-1 | 1993 | 8 | 4,5 | 1,1 | 0,36 |
| Евро-2 | 1996 | 7 | 4 | 1,1 | 0,15 |
| Евро-3 | 2000 | 5,0 | 2,0 | 0,6 | 0,1 |
В России также принят ряд законов, направленных на усиление охраны окружающей среды и ужесточение контроля по их исполнению.
Закон Российской Федерации об охране окружающей среды принят и введен в действие в декабре 1991 г. Закон состоит из 15 разделов и 94 статей.