Системы снижения токсичности традиционных бензиновых двигателей

1. Замкнутые системы вентиляции картера, они с 1961 г. установлены во всех американских автомобилях

Она состоит из:

1) клапана принудительной вентиляции картера (PCV-valve–PositiveComcastVentilationvalve) установленного в трубопроводе между картером и впускным коллектором;

2) герметизированной крышки маслозаправочной горловины картера;

3) трубопровода между воздушными фильтрами и крышкой маслозаправочной горловины;

4) пламягасителя;

5) отдельного воздушного фильтра.

2.Системы обезвреживания ОГ:

• ограничитель регулировок системы холостого хода;

• буфер-демпфер, замедляющий закрытие дроссельной заслонки при резком сбросе акселератора;

• электромагнитный ограничитель числа оборотов холостого хода;

• автоматическая воздушная заслонка с дополнительным подогревом термосиловыми элементами;

• воздухозаборное устройство с подогревом всасывающего воздуха.

3. Впускной коллектор и головка блока цилиндров (подогрев впускного коллектора)

4. Распределительный вал с суженным диапазоном перекрытия клапанов, уменьшающий обратный проток ОГ в КС и разбавление свежего заряда смеси и допускающий обеднения состава смеси.

5. Система дожигания ОГ путем нагнетания дополнительного воздуха к выпускным клапанам.

6. Аппарат обезвреживания окислов азота – РОГ (EGR–ExhaustGasRecirculationvalve).

Особенно следует подчеркнуть работы, связанные с интенсификацией рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания. Увеличение скорости турбулентного движения заряда или организации вихревого движения потока заряда во впускном трубопроводе и далее в цилиндре является существенным резервом снижения расхода топлива и выбросов вредных веществ ОГ.

Как показали результаты проведенных научных исследований в ТАДИ этого можно значительно достичь на режимах холостого хода, малых и средних нагрузок.

При этом установлено, что в процессе интенсивной турбулизации потока заряда на скоростных режимах двигателя, превышающих n_Tiqmaxв его впускной трубопровод целесообразно вводить поток вторичного воздуха после турбулизатора. В этом случае до скоростного режима, соответствующего режимуn_Tiqmax(Р_к710…713мм.рт.ст.(94.4…94.88кПа) илиР_к<32…35мм.рт.ст.(4.3…4.6кПа)) происходит улучшение значений крутящего момента, а на остальных скоростных режимах показатели базового двигателя остается без изменений.

3.2. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

В ускоренном и многоплановом развитии транспорта можно выделить следующие тенденции:

• абсолютный количественный рост сети коммуникаций, как в новых регионах, так и на обжитой территории;

• повышение пропускных и перерабатывающих способностей линий, транспортных сооружений и комплексов;

• рост численности парка транспортных средств при одновременном повышении их мощности и грузоподъемности;

• значительное увеличение объемов потребления электроэнергии.

Определяющая роль транспорта в развитии всех отраслей хозяйственной деятельности и возрастание объема грузовых и пассажирских перевозок предопределяет значительное взаимодействие транспорта с окружающей средой. Характер и масштабы взаимодействия транспорта с ОС зависят от вида транспорта

Рационализация структуры управления в транспортной системе и оптимизация транспортного процесса являются решающими направлениями в уменьшении масштабов и воздействия транспортных систем на ОС.

В этом плане вопросы развития общественного транспорта, планирования объемов перевозок и необходимого количества автомобилей, структуры парков, выделения финансовых, материальных ресурсов, разграничиваемые рациональные сферы применения различных видов транспорта, координирует их деятельность.

На государственном и региональном уровнях обосновывается рациональное размещение производственных сил, что также должно способствовать уменьшению потребности в транспортном обслуживании.

Очевидно, что при этом совпадают критерии эффективности и безвредности, т.к. эффективное функционирование системы определяет минимизацию необходимого числа автомобилей и их общего пробега. В этом смысле создание территориально-производственных комплексов, обеспечение сырьевой, промышленной и потребительской базами способствует достижению не только экономических, но и экологических преимуществ.

Опасность транспортного средства для ОС определяется не только его конструктивными характеристиками, но и его техническим состоянием. Поэтому важным направлением оздоровления ОС является поддержание в условиях эксплуатации надлежащего технического состояния узлов и агрегатов, влияющих на топливную экономичность автомобиля, выбросы вредных веществ ОГ, уровень шума и безопасность движения.

Для крупных городов наиболее острой является проблема снижения выброса вредных веществ в центральной части города, особенно в часы пик. Даже увеличение средней скорости движения, ведущее к снижению выброса вредных веществ одиночным автомобилем, не всегда приносит желаемые результаты. Увеличение средней скорости движения транспортного потока ведет к росту интенсивности дорожного движения, что в свою очередь снижает эффективность мероприятий по организации дорожного движения. Вместе с тем средствами регулирования дорожного движения можно снизить выброс вредных веществ от 5 до 15 %.

Исследования норвежских специалистов установили выбросы ВВ различных транспортных средств в зависимости от условий развития дорожного движения и их состояния (Таблица 5.1).

Таблица 5.1

Выбросы	Пробеговые выбросы, г/км
	Автомобиль	Автобус	Поезд*	Метро*	Трамвай*
Окислы азота	2.30	24.6	1.13	0.91	1.03
Окислы серы	0.03	1.50	1.89	1.51	1.72
Углеводороды	0	2.60	0.15	0.12	0.14
Окиси углерода	21.0	4.80	0.01	0.01	0.01
Твердые частицы	0.08	1.10	0.09	0.08	0.09
Карбонат ангидрид	310.0	1104.0	1210.09	968.07	1102.52

* – расчетные данные исходя из выработки электричества из нефтяных энергоисточников.

На основании анализа полученных данных были внедрены следующие мероприятия по уменьшению воздействий транспортных средств на ОС.

• увеличение цен на бензин на 30 %;

• сокращение времени поездки на автобусах на 25 %;

• сокращение платы на проезд на общественном транспорте на 25 %;

• увеличение авт-км общественных транспортных средств на 25 %.

При этом важнейшей практической задачей, позволяющей эффективно решать проблему повышения экологической безопасности парка АТС, является контроль их экологических характеристик в эксплуатации. Такой контроль должен:

• выявлять и выводить из эксплуатации АТС, не укладывающиеся в установленные для них нормы выбросов загрязняющих веществ;

• вводить административные и экономические механизмы, стимулирующие владельцев к обновлению парка, улучшению его экологических характеристик за счет использования различных технических средств, топлив и присадок, снижающих выбросы;

• контролировать работоспособность узлов и агрегатов, обеспечивающих снижение токсичности выброса.

Для осуществления экологического контроля АТС в эксплуатации необходимо четко определить те нормативы, которым они должны соответствовать при проверках. Эти нормативы должны быть жестко увязаны с конструктивным уровнем АТС, так как очевидно, что допустимые выбросы современного автомобиля, оборудованного специальными системами снижения токсичности выхлопа, должны быть существенно ниже, чем у выпускающихся (и выпускаемых) автомобилей устаревших моделей, которые изначально не соответствуют современным международным экологическим требованиям. Такой подход требует переработки действующего ГОСТ 17.2.2.03-87 и введения в новый стандарт соответствующих дифференцированных нормативных значений предельно допустимых выбросов, увязанных с требованиями международных документов (в первую очередь – «Соглашения о принятии единообразных условий для периодических осмотров колесных транспортных средств и взаимном признании таких осмотров» и технических приложений к нему).

Проведение экологического контроля автотранспорта с использованием дифференцированных нормативов на практике потребует четкой классификации эксплуатируемого парка АТС, т.е. выделения тех групп автомобилей (по моделям, по применяемому дополнительному оборудованию и т.д.), к которым, исходя из их конструктивных возможностей, должны применяться различные по уровню жесткости требования.

Конструктивный уровень автомобиля определяется при одобрении его типа (модели) в процессе сертификации. Экологическая сертификация моделей АТС осуществляется специально уполномоченными Госстандартом органами и техническими центрами в соответствии с требованиями действующих в рамках Женевского Соглашения 1958 г. редакций Правил ЕЭК ООН №49 и 83 (уровни требований этих Правил разных лет иногда называют Евро-0, Евро-1, Евро-2 и т.д.). Очевидно, с требованиями этих Правил и должны быть увязаны нормы эксплуатационного контроля. Подобный подход широко используется в международной практике. На рисунке в качестве примера приведена схема, иллюстрирующая его возможное применение при осуществлении экологического контроля АТС с бензиновыми двигателями категории M₁ и N₁ по международной классификации (легковые автомобили, имеющие помимо водителя 8 мест для сидения, и грузовые – полной массой менее 3.5 т).

Как видно из представленной схемы, предлагается ввести следующие экологические классы АТС:

автомобили устаревших моделей – 0-ой класс;

автомобили 0-го класса, дополнительно оснащенные в эксплуатации устройствами, снижающими токсичность выброса – 1-й класс;

автомобили современной конструкции, соответствующие требованиям Евро-1, Евро-2 и т.д., – 2-й,3-й классы и т.д.

Подобная классификация разработана и для автотранспортных средств других категорий, в том числе с дизелями. Безусловно, для реализации предлагаемого подхода к проведению экологического контроля каждый конкретный автомобиль должен быть отнесен к тому или иному экологическому классу (это реально сделать в ходе проведения годовых технических осмотров) с выдачей на него специального экологического удостоверения (сертификата, талона, наклейки т.д.), позволяющего осуществлять соответствующую идентификации автомобиля при его последующем контроле в эксплуатации.

Во многих странах ЕС (Швеция, Норвегия и др.) доказана экономическая выгодность практики ввода экологической классификации АТС, которая позволяет устанавливать гибкую систему ежегодного налогообложения в зависимости от этого класса и тем самым показывает выгодность иметь экологически чистый автомобиль, экономически вытеснив из эксплуатации экологически грязные.

Действующие в настоящее время ГОСТ 17.2.2.03-87 и ГОСТ 21393-75 позволяют осуществлять экологический контроль только автомобилей 0-го класса. Подготовленные изменения к указанным стандартам позволяют осуществлять контроль автомобилей 1-го класса.

Для контроля АТС 2-го и более высоких экологических классов необходима разработка нового стандарта (как вариант – в качестве юридической основы возможно применение международного документа – Правила №1 ЕЭК ООН к Венскому соглашению 1997 г. «О принятии единообразных условий для периодических технических осмотров колесных транспортных средств и о взаимном признании таких осмотров»).

Автотранспортные средства

Конструктивный уровень

Экологический класс

Требования при контроле в эксплуатации

АТС категории M₁, N₁

«Евро-0» Промежуточный «Евро-1» «Евро-2»

0 1 2 3

ГОСТ 17.2.03-87 с изменениями №1	ГОСТ 17.2.03-87 с изменениями №1	Метод разрабатывается
Без КН*: В пределах значений, установленных заводом-изготовителем и подтвержденных при сертификации, или при их отсутствии: на режиме nmin-CO3.5%; CH1200млн^-1(до 4 цилиндров); 3000млн^-1(свыше 4 цилиндров); на режиме nпов–СО2.0 %; СН600млн^-1(до 4 цилиндров); 1000 млн^-1(свыше 4 цилиндров)	С КН: В пределах значений, установленных заводом-изготовителем и подтвержденных при сертификации, или при их отсутствии: на режиме nmin– CO1%; CH400млн^-1(до 4 цилиндров); 600 млн^-1(свыше 4 цилиндров); на режиме nпов–СО0.7 %; СН200млн^-1(до 4 цилиндров); 300 млн^-1 (свыше 4 цилиндров)	В пределах значений, установленных заводом-изготовителем и подтвержденных при сертификации, или при их отсутствии: на режиме nmin– CO0.5%; CH100 млн^-1 на режиме nпов– СО0.3%; 0.971.03

Следует отметить существующие формы экологического контроля автомобилей в эксплуатации.

В зарубежной и отечественной практике применяют две основные формы контроля: контроль при периодическом техническом осмотре и выборочный контроль АТС в транспортном потоке или на предприятиях. Каждая форма контроля выполняет самостоятельную задачу.

Технический осмотр является основной формой контроля, в ходе которого весь эксплуатируемый парк АТС проходит обязательную проверку в соответствии с действующими стандартами на дымность и токсичность отработавших газов.

Выборочный контрользаключается в выборочной проверке соответствия технического состояния АТС нормативным требованиям в период между обязательными техническими осмотрами и применении к владельцам соответствующих санкций при их нарушении. Необходимость такой формы контроля вызвана тем обстоятельством, что факт прохождения обязательного технического осмотра ни в коем случае не является гарантией соответствия автомобиля установленным требованиям.

т

Рис. 5.1. Объемы топливоиспользования легковым автомобилем в период его эксплуатации.

По данным зарубежных и отечественных исследований, значительная часть автотранспортных средств специально обслуживается и ремонтируется непосредственно перед техническим осмотром. Сразу после его успешного прохождения водители, с целью улучшения динамических и пусковых свойств двигателя, зачастую нарушают установленные регулировки. С другой стороны, поддержание стабильности экологических показателей морально устаревших отечественных и зарубежных моделей автомобилей, составляющих подавляющую часть отечественного автопарка, как правило, требует обслуживания и регулировки с периодичностью, превышающей периодичность обязательного технического осмотра.

Таким образом, выборочный контроль представляет инструмент, заставляющий владельцев АТС постоянно держать в поле пристального внимания их экологические характеристики. Для обеспечения действенности этой формы контроля объем ежегодных проверок должен составлять не менее 20 % эксплуатируемого парка. Кроме этого, при выборочном контроле должна ставиться задача не случайного отбора проверяемых транспортных средств, а выявления в транспортном потоке автомобилей, значительно превышающих установленные нормативы выбросов. Это возможно, например, на основе предварительного визуального контроля характера выхлопа автотранспортных средств и последующего их инструментального контроля. Особенно эффективно, таким образом, могут выявляться неисправные автомобили под нагрузкой, например, при их разгоне. Специальное размещение поста контроля, например, в зоне регулируемого перекрестка и применение средств оперативной связи, могут решить эту задачу. Существенное влияние на топливоиспользование легковых автомобилей оказывают их пробег и масса (рис. 5.1 и 5.2).

Рис. 5.2. Прогнозирование топливной экономичности легковых автомобилей по годам в зависимости от их массы.

Существенное влияние на выброс вредных веществ оказывает техническое состояние автотранспортных средств. В случае нарушения технического состояния загрязнение атмосферы происходит уже не пропорционально росту числа автотранспортных средств или объему выполненной транспортной работы, а в значительно большем объеме (табл. 5.2).

Таблица 5.2

№№	Наименования технического состояния узлов, агрегатов, неисправностей, режимов работ	Увеличение расхода топлива, %
1.	Увеличение пропускной способности главного топливного жиклера карбюратора	5…7
2.	Неисправность одной форсунки дизеля.	25…30
3	Неисправность клапана экономайзера	10…15
4.	Отказ одной свечи зажигания из шести	20…25
5.	Отказ двух свечей зажигания из шести	40…50
6.	Неправильная регулировка контактов прерывателя	7…10
7.	Неправильная установка зажигания	8…10
8.	Снижение (потери) компрессии в цилиндрах	4…6
9.	Неправильная регулировка зазоров в газораспределительном механизме	5…7
10.	Несоблюдение теплового режима двигателя.	8…10
11.	Наличие смолистых отложений в системе питания и нагара на деталях	7…8
12.	Неисправности механизмов шасси	15…20
13.	Неисправности углов установки передних колес	10…15
14.	Неправильная регулировка зазоров в тормозных механизмах	10…20
15.	Уменьшение давления воздуха в шинах	5…15
16.	Заправка КПП и ГП летним трансмиссионным маслом	4…10
17.	Длительное движение на промежуточных передачах	20…25
18.	Движение со скоростью, большей или меньшей экономичной	10…20
19.	Нарушение уровня топлива в поплавковой камере карбюратора или давления впрыска топлива	8…12
20.	Несоблюдение оптимального температурного режима	12…15
21.	Продолжительная работа двигателя на режиме холостого хода	4…5
22.	Нерациональный запуск двигателя	4…6

Особенно на выбросы ВВ влияют режимы движения автомобиля (табл. 5.3).

Таблица 5.3

Режим движения автомобиля	Выбросы ВВ, г/км
	СО	СН	NOX
Безостановочно на перегонах	18.2	1.37	1.09
При наличии регулировочных средств	19.6	1.5	1.07
На перегон при наличии одного перекрестка	21.5	1.56	1.06
На перегон при наличии двух перекрестков	24.2	1.62	1.05

Газообразные топлива для двигателей автомобильного транспорта

Перевод автомобильного транспорта на газообразное топливо (сжиженный пропан-бутановый, сжатый природный газы) решает следующие технико-экономические и экологические проблемы:

• ценные физико-химические свойства и низкая стоимость газов делают экономически целесообразным использование их в качестве моторного топлива;

• увеличиться межремонтный срок службы двигателей в 1.3-1.5 раза;

• повысится срок службы картерного масла в 2-3 раза;

• повысится срок службы свечи;

• улучшаются условия работы обслуживающего персонала;

• имеется возможность использования холодильных свойств сжиженных газов;

• исключается возможность слива топлива из емкости автомобиля.

Основные физико-химические, теплофизические и термодинамические свойства газообразных и жидких топлив для двигателей внутреннего сгорания позволяют делать сравнительный анализ.

Ведущее место занимает применение альтернативных топлив в обеспечении экологической безопасности транспорта, включая автотранспортные средства.

Известно, что разработки, связанные с применением альтернативных моторных топлив (СНГ, СПГ, СжПГ, синтетические бензины, метанол, этанол, биогазы, водород и др.) ведутся во всех развитых странах. Все эти разработки в первую очередь неразрывно связаны с проблемой общей эффективности использования энергии первичных ископаемых источников энергии (нефть, газ, газовый конденсат, уголь, горючие сланцы) с учетом их доставки потребителю. Особенно следует подчеркнуть в этом случае и учет суммарных воздействий на всех стадиях технологии их применения

Наименьшими потерями энергии характеризуется доставка в газообразном состоянии по обычным газопроводом (Р≤7.5МПа), газопроводом высокого давления (Р≥10 МПа), далее характеризуется доставка газов с помощью дирижаблей.

В этих случаях потери энергии составляют 5…12 %, которые можно еще значительно снизить. Транспортировка газообразных топлив, связанная с фазовым превращением, например СжПГ, менее экономична (потери 18…45%). Однако использование в этих случаях паров СжПГ в качестве топлива для двигателей транспортируемого средства (судна) может значительно уменьшить потери энергии. Наибольшее количество первичной энергии теряется (~60%) при превращении газа в метанол или при производстве вблизи месторождения электроэнергии с последующей ее передачей по проводам примерно (~75%) до потребителя.

В этой связи СНГ, СПГ, СжПГ обеспечивают снижение финансовых затрат в среднем на 25..30 % на выполнение транспортных работ.