К.А. Морозов
токсичность АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Второе издание, переработанное
Москва "Легион-Автодата" 2001
УДК 621.431.71.068.4
ББК 39.35-08Н
Морозов К.А. Токсичность автомобильных двигателей:
М.: Легион-Автодата, 2001.- 80 с.: ил.
ISBN5-88850-091-7
В книге дается общая характеристика современной проблемы улучшения экологических показателей автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Рассмотрены процессы и условия образования токсичных веществ в цилиндрах двигателей.
Приводятся действующие и перспективные нормы на токсичность и дымность отработавших газов (ОГ). Характеризуется проблема снижения выбросов диоксида углерода.
Описаны устройства и рабочие процессы новейших антитоксичных систем. Отдельно рассмотрены некоторые перспективные направления работ по снижению токсичности и дымности ОГ.
Книга предназначена для автолюбителей и работников автосервиса. Первое издание книги (1997) утверждено редакционным советом Московского государственного автомобильно-дорожного института (технического университета) в качестве учебного пособия для студентов специальностей 101200 "Двигатели внутреннего сгорания", 150200 "Автомобили и автомобильное хозяйство" и 170900 "Подъемнотранспортные, строительные, дорожные машины и оборудование", а также для преподавателей, читающих лекции по ДВС.
© ЗАО "Легион-Автодата", 2001
ISBN5-88850-091-7
Лицензия ИД №00419.
Подписано в печать 1.03.2001.
Формат 60x90 1/16
Бумага офсетная. Печать офсетная.
Тираж 1000 экземпляров. 3.1243.
Отпечатано с готовых диапозитивов.
TMO 7/1
3
ВВЕДЕНИЕ
Население нашей планеты уже превысило 6,0 млрд, человек, каждую секунду рождается 3 человека, а ежесуточно - более 25 тысяч человек. К 2025 году численность населения прогнозируется в количестве более 8,2 млрд, человек.
Вместе с ростом народонаселения с еще большей интенсивностью увеличивается потребление природных ресурсов (нефть, газ, руда и т.п.). Потребление энергии, получаемой в основном путем сжигания углеводородных топлив, составляет в разных странах 0,5...5564 ГДж/чел.-год, а в среднем находится на уровне 56 ГДж/чел.-год. Сжигание огромных количеств углеводородного топлива сопровождается большими выбросами в атмосферу различных токсичных веществ, теплоты и диоксида углерода (СО2), что привело к возникновению глобальных экологических проблем.
В период 1970...1990 гг. мировой автомобильный парк вырос с 220 до 530 млн. Это способствовало тому, что автомобили стали основными источниками загрязнения атмосферы городов.
В развитых странах мира в результате соответствующих законодательных ограничений в последние 10...15 лет наблюдается устойчивая тенденция снижения выбросов вредных веществ с ОГ автомобилей.
Выпускаемые промышленностью новые автомобили становятся "чище", а их топливная экономичность заметно улучшается.
Снижение токсичности всех новых автомобилей должно быть таким, чтобы обеспечить снижение вредных выбросов всем действующим парком автомобилей.
Например, в Германии использование современных технологий снижения токсичности ОГ позволило обеспечить в 1992 г. такой же суммарный выброс оксидов азота (NOX) 34-х миллионов легковых автомобилей, на 40% меньший выброс углеводородов (СН) и на 70% меньший выброс оксида углерода (СО) по сравнению с суммарным выбросом в атмосферу 14-ти миллионов автомобилей в 1970 г.
Прогнозируется, что применение 3-х компонентных нейтрализаторов на всех легковых автомобилях в Германии позволит снизить их долю в общих выбросах NOX к 2000 г. до 10% (сейчас она составляет « 17%). В связи с заметным потеплением климата из-за так называемого парникового эффекта все больше внимания уделяется снижению выбросов СО2, доля которого от всех веществ, участвующих в образовании парникового эффекта, достигает 50%. По различным литературным данным вся годовая эмиссия СО2 составляет 130...1100 млрд, тонн/год. По данным международной организации ОЕСД, в 1991 г. в атмосферу выброшено 800 млрд, тонн СО2. Основное количество СО2 производится природными источниками, и только примерно 1...3% связаны с технической деятельностью человека (антропогенные выбросы). Однако эти
4
1...3% могут так нарушить равновесие в атмосфере, что послужат причиной возникновения парникового эффекта.
Комитет по внутреннему транспорту ООН считает, что автомобиль ответственен лишь за 14% антропогенного выброса СО2. Ограничение выбросов СО2 реализуется через ограничения на расход топлива автомобилями, что позволит улучшить экономические и экологические показатели автомобилей.
Существует и другая точка зрения, что проблема парникового эффекта в значительной степени связана с периодами солнечной актив
ности и извержениями вулканов. Однако, в любом случае можно констатировать, что необходимость улучшения топливной экономичности автомобилей по существу стала центральной задачей развития автомобилестроения, при решении которой снизится и выброс СО2.
В данной книге изложены основные сведения об образовании, законодательных ограничениях и путях снижения выбросов вредных веществ современными автомобильными двигателями, а именно двига
телями с искровым зажиганием и дизелями. При этом предполагается,
что именно такие двигатели будут доминировать на автомобильном транспорте в ближайшем будущем, а антитоксичные устройства, ставшие обязательными для развитых стран Европы, США и Японии, в ближайшее время будут использоваться и на российских автомобилях.
Что касается электромобилей, то предполагается, что до их массо-
ого производства будет необходимо решить ряд сложных технических
проблем (в первую очередь, создание легкой и дешевой аккумуляторной батареи). Поэтому экологические показатели электромобилей, а
также газовых турбин и других альтернативных силовых установок в данной книге не рассматриваются.
5
1.	ТОКСИЧНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЫДЕЛЯЕМЫЕ ДВИГАТЕЛЕМ
1.1.	Двигатель как источник выброса токсичных веществ
Вредными или токсичными будем называть вещества, оказывающие отрицательное влияние на организм человека и окружающую среду.
Токсичные вещества выбрасываются в атмосферу с отработавшими газами (ОГ), картерными газами, а также в результате испарения топлива. Примерно 2% от общего количества ОГ следует классифицировать как вредные.
В качестве примера в табл.1.1 показаны доли токсичных веществ (СО, СН и NOX) от общего их выброса разными источниками карбюраторного двигателя.
Таблица 1.1
Источник	Доля компонента, %		
	СО	СН	NOX
Отработавшие газы	около 100	60. .80	около 100
Картерные газы		0...20	
Пары топлива		20	
Современные автомобильные двигатели имеют, как правило, замкнутую систему вентиляции картера, которая практически исключает выбросы вредных веществ в атмосферу с картерными газами. Так как испаряемость дизельного топлива на порядок ниже испаряемости бензина, то эта проблема актуальна главным образом для бензиновых двигателей.
В более широком плане негативные воздействия автомобиля и двигателя на окружающую среду связаны с их производством и изготовлением топлива, а так же с истощением природных ресурсов нефти, газа, руды металлов и пресной воды, что может привести к изменению условий существования экосистем.
1.2.	Образование токсичных веществ в цилиндрах двигателя
Сгорание топлива в цилиндрах ДВС сопровождается образованием большого количества различных токсичных веществ, которые состоят из продуктов неполного сгорания и термического разложения углеводородов топлива, оксидов азота, соединений серы и свинца.
Оксид углерода (СО) образуется во время сгорания при недостатке кислорода, в ходе холоднопламенных реакций в дизелях или при диссоциации СО2 (главным образом в двигателях с искровым зажиганием).
В двигателях с искровым зажиганием основное влияние на образование СО оказывает состав смеси: чем она богаче, тем выше концентрация СО.
В отечественной литературе состав смеси принято оценивать коэффициентом избытка воздуха (а), который представляет собой отношение дей
6
ствительного количества воздуха, оставшегося в цилиндре после закрытия впускного клапана, к тому его минимальному количеству, которое теоретически необходимо для полного сгорания поступившего в цилиндр топлива. При полном сгорании топлива ОГ содержат только продукты полного окисления компонентов топлива, то есть СО2 и Н2О. Для полного сгорания 1 кг бензина теоретически необходимо примерно 14,95 кг воздуха, а для полного сгорания 1 кг дизельного топлива - примерно 14,45 кг воздуха.
Смеси, в которых количество воздуха в точности совпадает с теоретически необходимым, называются «стехиометрическими» и соответствуют значению о=1,0; в продуктах сгорания таких .смесей теоретически должны содержаться СО2, Н2О и N2, но должен отсутствовать свободный кислород.Смеси, в которых количество воздуха больше теоретически необходимого, называются «бедными» и соответствуют значениям а>1,0; в ОГ после сгорания таких смесей, кроме азота N2 и продуктов полного сгорания СО2и Н2О, присутствует свободный кислород.
Смеси, в которых количество воздуха меньше теоретически необходимого, называются «богатыми» и соответствуют значениям а<1,0; в ОГ после сгорания таких смесей, кроме азота N2 и продуктов полного сгорания СО2 и Н2О, присутствуют продукты неполного окисления: оксид углерода СО и свободный водород Н2.
В дизелях образовавшийся СО окисляется затем до СО2, поэтому концентрация СО в отработавших газах дизеля невелика и зависит в основном от качества процесса смесеобразования; чем оно лучше, тем меньше образуется СО.
Оксид углерода - бесцветный и не имеющий запаха газ. При вдыхании вместе с воздухом он интенсивно соединяется с гемоглобином крови, что уменьшает ее способность к снабжению организма кислородом. Симптомы отравления организма газом СО: головная боль, сердцебиение, затруднения дыхания и тошнота, у водителей ослабляется внимание и замедляется реакция.
Углеводороды (СН) состоят из исходных или распавшихся молекул топлива и масла, которые не принимали участия в сгорании. Углеводороды появляются в ОГ вследствие гашения пламени вблизи относительно холодных стенок камеры сгорания, в "защемленных" объемах, находящихся в вытеснителях и в зазоре между поршнем и цилиндром над верхним компрессионным кольцом.
В дизелях углеводороды образуются в переобогащенных зонах, где происходит пиролиз молекул топлива (распад молекул топлива под действием высоких температур при отсутствии химических реагентов). Если в процессе расширения в эти зоны не поступит достаточное количество кислорода, то СН окажется в составе ОГ. При значительном содержании легких СН в ОГ при запуске и прогреве двигателя на выпуске наблюдается белый дым. Углеводороды могут выбрасываться в атмосферу вследствие пропусков вое-
7
пламенения, негерметичности выпускного клапана или системы вентиляции картера, а также из-за испарения бензина в топливном баке и карбюраторе.
В ряде работ утверждается, что значительная часть СН выбрасывается в результате того, что на тактах впуска и сжатия горючей смеси пары топлива поглощаются масляной пленкой на стенках цилиндра (абсорбция). На такте расширения парциальное давление паров топлива в заряде снижается практически до нуля и происходит их выделение из пленки (десорбция).
Аналогичный эффект вызывается также нагаром на поверхности камеры сгорания.
Количество различных индивидуальных углеводородов, входящих в эту группу токсичных веществ, превышает 200. В тех концентрациях, в которых СН содержится в воздухе даже в зонах с самым интенсивным движением автотранспорта, они не приносят значительного вреда здоровью человека, однако, могут вызывать реакции, которые ведут к образованию соединений, вредных даже при незначительной концентрации.
Так, углеводороды под действием солнечных лучей могут взаимодействовать с оксидами азота, образуя биологически активные вещества, которые раздражающе действуют на глаза и органы дыхательных путей и вызывают появление так называемого смога (см. 1.3.).
Особое значение имеют выбросы бензола, толуола, полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и в первую очередь бенз(а)пирена (C2oHi2). Эта группа высокотоксичных веществ образуется в результате пиролиза (разложения) легких и средних фракций топлива при температуре 600...700 К. Такие условия возникают во время рабочего хода в цилиндре вблизи его холодных поверхностей при наличии там большого недостатка кислорода. Количество ПАУ в ОГ тем больше, чем выше концентрация в топливе бензола. ПАУ относятся к так называемым канцерогенным веществам, они не выводятся из организма человека, а со временем накапливаются в нем, способствуя образованию злокачественных опухолей.
Сажа и частицы (С). Сажа представляет собой твердый продукт, состоящий в основном из углерода. Кроме углерода в саже содержится 1...3% (по массе) водорода.
Сажа образуется при температуре выше 1500 К в результате объемного процесса термического разложения (пиролиза) топлива при сильном недостатке кислорода. Формально реакция пиролиза выражается уравнением:
CnHm# пС + 1/2 тН2.
Начало образования сажи имеет место при а меньше 0,3...0,7 и зависит от температуры и давления газов, а также от вида топлива. При одинаковом количестве атомов углерода по степени увеличения склонности к образованию сажи углеводороды располагаются следующим образом: парафины, олефины, ароматики.
8
При
сгорании в двигателях с искровым зажиганием концентрацион
ные пределы воспламенения смеси не совпадают с указанными пределами начала образования сажи. Поэтому содержание сажи в ОГ двигателей с искровым зажиганием незначительно.
В дизелях вследствие неоднородности состава смеси в цилиндрах преобладает так называемое диффузионное сгорание, при котором
скорость горения в основном лимитируется не скоростью химических реакций, а скоростью смешения (диффузии) паров топлива в воздух. В результате этого в цилиндре дизеля имеют место зоны с богатой, стехиометрической и бедной смесью.
При диффузионном сгорании в дизелях к зонам пламени (a s 1,0) с высокой температурой примыкают зоны с богатой смесью, где при диффузионном догорании и малом доступе кислорода создаются благоприятные для пиролиза условия. Большая часть частиц сажи имеет размеры 0,4...5 мкм. Концентрация частиц сажи в ОГ зависит и от выгорания ее в процессе расширения, когда к частицам поступает кислород. Таким образом, выброс сажи из цилиндра дизеля зависит как от ее образования при диффузионном сгорании, так и от выгорания в процессе расширения. Наличие сажи в ОГ в количестве более 0,1 г/м3 обусловливает черный дым на выпуске.
Сажа представляет собой механический загрязнитель носоглотки и легких. Однако большая опасность связана со свойством сажи накапливать (адсорбировать) на поверхности своих частиц канцерогенные вещества и служить их переносчиком.
Сажа - не единственное твердое вещество, содержащееся в ОГ. Другие твердые вещества образуются из содержащейся в дизтопливе серы, а также в виде аэрозолей масла и несгоревшего топлива. Кроме того, в ОГ могут находиться продукты износа цилиндра. Все вещества, которые оседают на специальном фильтре при прохождении через него ОГ, получили общее название - "частицы".
Содержание в ОГ продуктов неполного сгорания (СО, СН и сажи) нежелательно не только из-за их токсичности, но и потому, что при неполном сгорании топлива недовыделяется часть теплоты, что приводит к ухудшению экономических показателей двигателя.
Оксиды азота (NOX или NO). Если температура в цилиндре превышает 2000 К, то азот и кислород воздуха вступают в химическое взаимодействие по цепному механизму:
N2+O«z NO + N - 316 кДж/(К моль), N+O2 # NO + О + 136 кДж/(Кмоль).
Определяющей является верхняя реакция, скорость которой зависит от концентрации атомарного кислорода. При сгорании в цилиндрах ДВС образуется главным образом оксид азота NO (свыше 95% от количества всех оксидов азота).
9
В двигателе с искровым зажиганием окисление азота и образование NO происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания, где в результате Махе-эффекта достигаются наивысшие температуры. (Примечание: продукты сгорания первых порций смеси, расположенных вблизи свечи зажигания, подвергаются адиабатному сжатию в результате повышения давления при сгорании остальной массы смеси. Вследствие этого в начальной зоне горения имеют место повышенные значения температуры по сравнению с их значениями в остальной массе заряда. Это различие температур в камере сгорания двигателя с искровым зажиганием называется «Махе-эффектом»). Образование NO сильно увеличивается с ростом температуры газов и концентрации кислорода.
При сгорании в дизеле образование NO определяется локальным составом смеси и температурой. Наибольшее количество NO образуется в тех зонах заряда дизеля, которые сгорают первыми и имеют наибольшее время пребывания при температуре выше 2200 К.
С другой стороны, выход NO зависит от скорости охлаждения продуктов сгорания. Установлено, что при а>1,0 в процессе расширения, когда температура газов в цилиндре уменьшается, концентрация оксида азота не снижается до равновесной, а остается на уровне максимальной, т.е. имеет место так называемая "закалка". При работе двигателя с искровым зажиганием при а<1 "закалка" не наблюдается. Поэтому при работе на бедных смесях выход NO определяется максимальной температурой, т.е. кинетикой образования оксида азота. При а<1,0 образование NO практически перестает зависеть от максимальной температуры и определяется кинетикой разложения. Вне цилиндра двигателя (в выпускной системе и в атмосфере) NO окисляется до NO2 (диоксид азота), токсичность которого значительно больше.
Находящийся в атмосфере диоксид азота представляет собой газ красновато-бурого цвета; при малых концентрациях он практически не имеет запаха, а при больших обладает удушливым запахом. NO2 оказывает негативное воздействие на слизистые оболочки глаз и носа, а также на нервную систему.
Свинец и сера. Примерно 50...70% свинца, находящегося в бензине, выходит вместе с ОГ в атмосферу в форме свинцовых солей, т.е. в виде частиц диаметром меньше 1 мкм. Эти частицы проникают в организм человека вместе с воздухом и через кожу. Соединения свинца очень ядовиты и не выводятся из организма, накапливаясь в нем. Они негативно воздействуют на центральную нервную систему, вызывая нервные и психические расстройства.
Сера, содержащаяся в дизтопливе в большем количестве, чем в бензине, выбрасывается в атмосферу в форме диоксида серы (SO2), который очень вреден для растений и неблагоприятно воздействует на дыхательные пути, а также вызывает раздражение глаз и носоглотки.
10
Присутствие в ОГ соединений свинца и серы делает невозможным использование нейтрализаторов (см.3.3.1).
1.3.	Озон, смог, кислотные дожди и парниковый эффект
Некоторые токсичные вещества после того, как они попадают в атмосферу из системы выпуска двигателя, претерпевают дальнейшие преобразования. Например, выше отмечалось, что при взаимодействии азота и кислорода в цилиндре двигателя образуется оксид азота NO. После выхода из цилиндра происходит его доокисление с образованием NO2.
При наличии в атмосфере углеводородов (или их радикалов), оксидов азота и оксида углерода при интенсивном ультрафиолетовом излучении солнца образуется озон Оз, являющийся сильнейшим окислителем и вызывающий при соответствующей концентрации ухудшение самочувствия людей.
При высоком содержании в малоподвижной и влажной атмосфере NO2, О3 и СН возникает туман коричневого цвета, который получил название "смог" (от английских слов Smoke - дым и Fog - туман). Смог является смесью жидких и газообразных компонентов, он раздражает глаза и слизистые оболочки, ухудшает видимость на дорогах.
В атмосфере диоксид серы и оксиды азота, взаимодействуя с водяным паром, образуют кислоты, которые выпадают на землю вместе с дождём ("кислотный дождь") и наносят большой вред растениям и зданиям, ускоряя процессы коррозии металлов. Основную роль в образовании кислотных дождей играют выбросы оксидов серы и азота промышленными предприятиями, так как выбросы отводятся в атмосферу через высокие трубы.
В верхних слоях атмосферы всегда располагается смесь газов, состоящая на 60-90% из водяного пара. Эта смесь газов препятствует отводу теплоты с инфракрасным излучением от поверхности нашей планеты, повышая её среднюю температуру на 33°С (от -18°С до +15°С).В увеличении средней температуры на поверхности Земли и заключается "парниковый" эффект, благодаря которому создались благоприятные условия для возникновения и развития жизни на Земле. Однако в результате деятельности человека в стратосфере и тропосфере стали накапливаться такие вещества как: углекислый газ (СО2), метан (СН4), галогене-зированные угдрводороды, озон (О3) и гемиоксид азота (N2O5). Суммарная доля этих газов в "парниковом" слое относительно невелика (всего 0,5... 15%). Однако, по мнению ряда учёных, именно они вызвали за последние 100 лет повышение средней температуры примерно на 0,45°С, что выразилось в известном потеплении климата. При дальнейшем неконтролируемом усилении "парникового" эффекта может произойти интенсивное таяние ледников, способное вызвать глобальную катастрофу.
Из всех антропогенных "парниковых" газов главное значение для усиления "парникового" эффекта имеет СО2. Поэтому снижение антропогенных выбросов СО2 стало острой экологической проблемой. В то
11
же время известно, что чем больше СО2 образуется при сгорании углеводородных топлив, тем оно совершеннее. Поэтому решение проблемы антропогенных выборсов СО2 возможно путём:
•	уменьшения количества сжигаемого углеводородного топлива, то есть повышения топливной экономичности автомобилей;
•	использования топлив с малым содержанием углерода (сжатый газ, спирты, эфиры);
•	использования водорода.
В настоящее время разрабатываются и активно обсуждаются нормы на допустимый выброс СО2 легковыми автомобилями. В этих нормах допустимый уровень выброса СО2 варьируется в пределах 90-140 г/км; это означает, что в случае их принятия в 2005...2008 годах средний расход бензина по европейскому городскому циклу (см. п. 2.3) новыми легковыми автомобилями должен лежать в диапазоне 3,5...6,0 л/100км. Достижение таких низких расходов топлива представляет собой сложнейшую техническую задачу и может привести к радикальным изменениям конструкции автомобиля и двигателя.
1.4.	Роль автомобильного транспорта в загрязнении атмосферы
Автомобиль - далеко не единственный антропогенный источник токсичных выбросов в атмосферу, большое количество их поступает от промышленных предприятий, теплоэнергетических станций и т.д.
Как следует из табл.1.2, в 1995 г. доля токсичных компонентов, выброшенных автомобилями, например, в Австрии, составила 12...60% от общих антропогенных выбросов.
Таблица 1.2
Источник Компонент	Автомобили	Всего	Доля автомобилей,%
СО, тыс. тонн/год	214,00	782,0	27,4
СН, тыс. тонн/год	42,30	345,7	12,2
СО2,млн. тонн/год	14,45	76,6	18,9
NOX, тыс. тонн/год	93,20	155,3	60,0
Частицы, тыс.тонн/год	6,50	30,6	21,2
Можно полагать, что в других развитых странах эти соотношения будут того же порядка.
В нашей стране на долю автотранспорта приходится более 45 процентов от валового выброса в атмосферу всех загрязнений. В 1995 г. в Москве эта доля была около 87% (более 1,7 млн. тонн), а в девяти городах РФ максимальные разовые концентрации отдельных загрязнений превышают санитарные нормы в 55 раз.
12
Выброс токсичных веществ в результате естественных процессов в природе (окисление, гниение, вулканы, пожары и т.д.) значительно больше, чем от антропогенных источников. Однако, если к своим выбросам природа адаптировалась в течение длительных исторических периодов, то динамика роста выбросов вредных веществ антропогенными источниками не предоставляет такой возможности, что требует принятия соответствующих мер для решения этой экологической проблемы.
Состав ОГ дизелей и двигателей с искровым зажиганием заметно различается (см.табл.1.3).
Таблица 1.3
Компонент	Единица измерений х)	Дизель	Двигатель с искровым зажиганием
СО	% по объёму	0,01...0,5	0,1...8,0
СН	млн'1	100...500	200...4000
СО2	% по объёму	2...12	8...13
NOX	млн'1	500...3000	500...5000
Бенз-а-пирен	мг/м3	0...10	0...25
Сажа	мг/м3	0...20000	0...100
Оксиды серы	мг/м3	0...0,015	0...0.003
Соединения свинца	мг/м3		0...60
Альдегиды	%	0,001...0,009	0...0.2
х) млн'1 - миллионная доля по объему; 1 млн 1=0,0001%.
Значимость отдельных компонентов (в порядке убывания) для общей токсичности ОГ с учетом действующих норм на предельно допустимые концентрации следующая: соединения свинца (Pb), NOX, ПАУ, СО и СН (рис.1.1).
В соответствии с действующими в Российской Федерации нормами на предельно-допустимые концентрации (ПДК) относительная токсичность ряда составляющих ОГ выглядит следующим образом:
СО:МОх:СН:РЬ:С20Н12(бенз-а-пирен) = 1:40:1,25:22000:1250000.
13
50
40
30
20
10
50
40
30
20
10
%
Рис.1.1. Значимость выбросов токсичных веществ с ОГ легковых автомобилей (данные НАМИ) а) этилированный бензин; б) неэтилированный бензин.
47
Pb
1.5.	Основные пути снижения токсичности ОГ
Снижение токсичности ОГ до допустимых пределов представляет собой сложную научно-техническую задачу, при решении которой большое значение имеет стоимость тех или иных мероприятий, а также необходимость обеспечения сохранения высоких экономических,
энергетических и других показателей двигателей.
Исторически снижение токсичности ОГ осуществлялось в первую очередь путем совершенствования традиционных процессов смесеоб
разования и сгорания при одновременной оптимизации управления дви
гателем (состав смеси и угол опережения зажигания).Практика показала,
что достичь при этом уровня токсичности ОГ, требуемого законодательством развитых стран, нельзя. Поэтому получил широкое применение второй путь - нейтрализация ОГ в системе выпуска, при которой токсич
14
ные газы (СО, СН и NOX), вышедшие из цилиндров двигателя, нейтрализуются в системе выпуска до выброса их в атмосферу.
Использование этих двух путей не позволяет устранить выбросы соединений свинца, SO2 и ПАУ до нормативных значений ПДК. Это вызывает необходимость использовать третий путь - ограничивать содержание в топливе свинца, серы и ароматических углеводородов. Например, по действующим в РФ стандартам в этилированных бензинах А-76 и АИ-92 содержание свинца не должно превышать 0,17 и 0,37 г/дм3 соответственно, а в неэтилированном бензине свинец практически отсутствует (менее 0,013 г/дм3). В дизтопливе допускается содержание серы по массе не более 0,20...0,05%. Уменьшение ароматики в бензинах обеспечивает снижение выбросов бензола и ПАУ. Разрешенное содержание свинца, серы и ароматических углеводородов в топливах для ДВС постоянно уменьшается.
Четвертый путь снижения вредных выбросов с ОГ связан с улучшением топливной экономичности двигателей (снижением расхода углеводородного топлива) или с переходом к альтернативным топливам, в том числе не содержащим углерода (например, водород).
2.	НОРМИРОВАНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ОГ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
2.1.	Общие положения
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 Западной 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 концентрации токсичных веществ в атмосфере на улицах городов с интенсивным движением автомобилей. С ростом автомобильного парка вводятся все более жесткие нормы. Для того, чтобы заводы могли своевременно разрабатывать 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 токсично
15
сти 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, а нормы становятся все более жесткими. При этом сформировалась четкая тенденция 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.2.1. Комплекс стандартов на токсичность ОГ двигателей с искровым зажиганием (в скобках указан соответствующий тип испытаний по Правилам № 83.03)
Существуют отдельные стандарты на проверку токсичности ОГ в эксплуатационных условиях и при приемочных, периодических и инспекционных испытаниях.
16
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.
2.2.	Контроль токсичности ОГ при эксплуатации автомобилей
Этот контроль 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 nxx.min = (800±50) мин'1, послов = (3000± 100) мин"1.
Предельно допустимое содержание СО и СН по ГОСТ 17.2.2.03 -87 с изменением №1 указано в табл.2.1.
Таблица 2.1
Частота вращения, мин	Предельно допустимое содержание оксида углерода, объемная доля, % *	Предельно допустимое содержание углеводородов, объемная доля, млн'1	
		для двигателей с числом цилиндров	
		до 4 вкл	более 4
Автомобили без каталитических нейтрализаторов			
Г* хх min	Значение, указанное заводом-изготовителем* Если такое значение не указано, то 3,5%	1200	3000
п *** Г1хх пов	2,0	600	1000
17
Таблица 2.1 (продолжение)
Частота вращения, мин	Предельно допустимое содержание оксида углерода, объемная доля, %	Предельно допустимое содержание углеводородов, объемная доля, млн’1	
Автомобили с каталитическими нейтрализаторами 				
Пхх min	Значение, указанное заводом-изготовителем* Если такое значение не указано, то 1,0%	400	600
*** Пхх пов	Значение, указанное заводом-изготовителем* Если такое значение не указано, то 0,7%	200	300
Примечания:
*	после 1-го января 1999 года в технической документации на новый автомобиль завод-изготовитель должен указывать значение предельно допустимого содержания СО в ОГ на режиме минимальной частоты вращения холостого хода, которое не должно превышать значений, приведённых в таблице;
*	* значения Пхх min. Пхх пов указываются в технических условиях к инструкции по эксплуатации автомобилей; если эти значения не установлены, то при контроле принимают nxxmin= (800±50) мин"1, п^ Пов=(3000±100) мин-1;
*	** проверку на режиме повышенной частоты вращения холостого хода (Пхх.пов) проводят только на автомобилях с карбюраторными двигателями.
С учетом действующих норм автомобили проверяются и при необходимости регулируются 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 2000 г. проводится в соответствии с ГОСТ Р 17.2.02.06-99. По этому стандарту режимы и методика контроля такие же, что и по ГОСТ 17.2.2.03-87, нормы на предельно допустимое содержание СО и СН в отработавших газах при работе на сжатом (СНГ) и сжиженном (СПГ) газах указаны в табл.2.2.
Таблица 2.2.
	со, %		СН, млн'1				СО, %		СН, млн'1			
	СНГ	СПГ	Рабочий объем двигателя, дм3				СНГ	СПГ	Рабочий объем двигателя, дм3			
			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					
Пхх.ггнп	3,0	3,0	1000	800	2200	2000	3,0	2,0	1000	700	2200	1800
Пхх.пов	2,0	2,0	600	500	900	850	2,0	1,6	600	400	1900	1750
18
Предприятия-изготовители газобаллонной аппаратуры обязаны предусматривать устройство для пломбирования регулировочных винтов. Конструкция 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.
2.3.	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.2.2) 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.
19
4
В емкость для отбора пробы разбавленных отработавших газов
В атмосферу
б)
Отработавшие газы _
Рис.2.2. Автомобиль на стенде с беговыми барабанами (а) и пробоотборник постоянного объема (б):
1-фильтр; 2-пробоотборный насос; 3-еентиль; 4-расходомер; 5-манометр; 6-ротационный насос; 7-датчик температуры; 8-теплообменник; 9-центробежный фильтр; 10-смеситель
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.
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...ЗО°С первые 40 с двигатель прогревается на холостом ходу и
20
только после этого начинается отбор газов. При испытании четыре раза повторяется показанный на рис.2.3 так называемый городской цикл (тест ЕСЕ), что продолжается в общей сложности 820 с. Теоретическое расстояние, пройденное автомобилем за все испытание (определяемое специальным счётчиком пройденного пути), составляет 4,052 км.
2.3. Европейский ездовой цикл (тест ЕСЕ)
Нормы на СО, СН и NOX, предназначены для трех категорий двигателей в зависимости от рабочего объема: свыше 2 л, от 1,4 до 2,0 л включительно и до 1,4 л. Для автомобилей с двигателями, имеющими iVh от 1,4 до 2 л и свыше 2,0 л нормы даются для случаев применения нейтрализатора и без него, а при iVh до 1,4 л - только без нейтрализатора.
Кроме того, для всех трех категорий двигателей нормы даны для подготовленного автомобиля и для автомобиля из серии (табл.2.3).
Таблица 2.3
Рабочий объем двигателя, л	Г од введения	Выброс вредных веществ, г/исп.					
		Оксид углерода		Суммарно углеводороды и оксиды азота		В том числе оксиды азота	
		1	2	1	2	1	2
		Для автомобилей, работающих без нейтрализатора					
до 1,4	1990	45	54	15	18	6	7,2
от 1,4 до 2	1991	45	54	17	20	6	7,2
св. 2	1990	45	54	17	20	6	7,2
		Для автомобилей, работающих с нейтрализатором					
от 1,4 до 2	1991	30	36	8,0	9,6	^в	^в
св. 2	1990	25	30	6.5	7,8	3,5	4,2
1 - подготовленный автомобиль; 2 -серийный автомобиль
21
Для автомобилей, эксплуатирующихся на неэтилированном бензине, с 1993 г. страны Европейского экономического сообщества в соответствии с Правилами № 83.03 изменили показанный на рис.2.3 ездовой цикл (тест ЕСЕ) для проверки автомобиля на токсичность, добавив высокоскоростную часть (тест EUDC), характерную для движения автомобиля по скоростным магистралям (испытания типа 1 по тесту (ЕСЕ + EUDC). По Правилам № 83.03 высокоскоростная часть выполняется сразу же после выполнения четырех городских циклов (рис.2.4). Методика по Правилам Ns 83.03 и по ГОСТ 37.001.054-86 практически одинаковая. В странах Европейского союза нормы на выброс СО, СН и сумму СН и NOX в г/км для автомобилей с полной массой до 2500 кг установлены едиными, т.е. они не зависят от рабочего объема двигателя (табл.2.4).
Таблица 2.4
Стандарт	Г од введения	Тип двигателя	,	Норма выброса				
			СО, г/км	CH+NOX г/км	NOX г/км	Частицы, г/исп	Испарения, г/исп
Евро I	1993	Бензиновый и дизель	2,72	0,97		0,14	2
Евро II	1996	Бензиновый	2,2	0,5		а»	2
		Дизель	1,0	0,7		0,08	
Евро III*	2000	Бензиновый и газовый	2,3	0,2+0,15	0,15		2
		Дизель	0,64	0,56	0,5	0,05	
Евро IV*	2005	Бензиновый и газовый	1,0	0,1+0,08	0,08		2
		Дизель	0,5	0,3	0,25	0,025	«и
* испытания по модифицированному тесту ECE+EUDC, отбор газов для анализа начинается сразу после запуска двигателя ..(без 40 с прогрева), поэтому общая длительность равна 1180 с (вместо 1220 с по Евро II, см рис. 2.4,).
При определении выбросов по стандарту Евро IV испытания начинаются при температуре воздуха -7°С.
Так как по этим стандартам нормы не зависят от рабочего объема двигателя, то их легче выполнить для автомобиля с бензиновым двигателем, имеющим небольшой рабочий объём (iVh).
По федеральному стандарту США 1975 г. легковые автомобили и малотоннажные грузовики испытываются на стенде с беговыми барабанами по ездовому циклу FTP-75, который предусматривает три фазы движения: • 1-я фаза - 505 с после пуска двигателя из холодного состояния;
• 2-я горячая стабилизированная фаза 867 с;
• 3-я фаза 505 с при пуске двигателя из горячего состояния.
22
Фаза 1	Фаза 2	Фаза 3
Рис.2.4. Циклы испытаний автомобилей на стендах с беговыми барабанами
23
2-я и 3-я фазы разделены промежутком времени в 10 мин, в течение которого двигатель не работает (рис.2.4). Циклом предусмотрены многократные интенсивные разгоны и замедления автомобиля при изменении скорости движения от 0 до 91,2 км/ч. Из двигателя ОГ поступают в ППО, в течение всего цикла непрерывно определяется и записывается концентрация СО, СО2, СН и NOX, расход и температура газов. ЭВМ ведет обработку результатов испытаний, подсчитывая массовый выброс каждого компонента за каждую фазу движения автомобиля. Результаты испытаний по определению выбросов СН, СО и NOX выражаются в г/миля.
Табл.2.5 иллюстрирует современные и перспективные нормы токсичности ОГ по калифорнийскому стандарту США для пассажирских автомобилей (при экологическом ресурсе до 80 тыс. км).
Таблица 2.5
Уровень норм	Нормы токсичности, г/миля		
	СН*	СО	NOX
1993 г.	0,250	3,4	0,4
TLEV (переходные)	0,125	3,4	0,4
LEV (низкие)	0,075	3,4	0,2
ULEV (очень низкие)	0,040	1,7	0,2
*- неметановые углеводороды.
Как видно из табл.2.5, на перспективу запланировано ужесточить перспективные нормы токсичности по сравнению с нормами 1993 г. в 2...6 раз.
Введение этих норм будет осуществляться постепенно: сначала будет возрастать доля автомобилей, удовлетворяющих нормам LEV, при соответствующем сокращении доли автомобилей, выполняющих нормы TLEV, а затем будет увеличиваться доля автомобилей, выполняющих нормы ULEV, и сокращаться доля автомобилей, отвечающих нормам TLEV и LEV. Для более отдаленного будущего обсуждаются нормы ZEV, которые вообще не допускают выброса СО, СН и NOX.
Разные ездовые циклы и методики испытаний не дают возможности прямого сравнения европейских и американских норм на токсичность ОГ. Можно утверждать, что современные американские нормы являются более жесткими, так как автомобили, удовлетворяющие нормам США, укладываются и в нормы по Правилам № 83.03. В то же время автомобили, удовлетворяющие европейским нормам, часто не укладываются в нормы США. Для сравнения на рис.2.4 показан японский цикл 10.15 испытаний автомобилей на беговых барабанах.
С 1994 года американские стандарты предусматривают наличие на автомобиле системы диагностики. У автомобилей с бензиновыми двигателями на щитке приборов в случае пропусков зажигания, неисправности нейтрализатора или Х-зонда зажигается сигнальная лампочка. У автомобилей с дизелями диагностируется работа нейтрализатора, системы рециркуляции ОГ и т. п.
24
2.4.	Стендовые испытания двигателя по 9-режимному циклу
В РФ этим испытаниям в соответствии с ОСТ 37.001.070-75 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, приведенных в табл.2.6. Выполняются циклы непрерывно один за другим. Общая длительность испытания 20 мин.
Таблица 2.6
Режим		Разрежение во впускном трубопроводе, Дрк, мм рт.ст.	Время на режиме, с	Суммарное время, с	Весовой фактор, Р
1	Холостой ход	О»	70	70	0,232
2	Соответствует постоянной скорости	405	23	93	0,077
3	Соответствует разгону	255	44	137	0,147
4	Соответствует постоянной скорости	405	23	160	0,077
5	Соответствует замедлению	480	17	177	0,057
6	Соответствует постоянной скорости	405	23	200	0,077
7	Соответствует полной нагрузке	75	34	234	0,113
8	Соответствует постоянной скорости	405	23	257	0,077
9	Принудительный холостой ход (дроссельная заслонка закрыта полностью)	»	43	300	0,143
Все режимы цикла, кроме режима 1 (холостого хода), 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.
25
Если на режиме 5, соответствующем принудительному холостому ходу, заданное в табл.2.5 разрежение не может быть достигнуто при любом открытом положении дроссельной заслонки, этот режим должен выполняться при закрытой дроссельной заслонке.
Если на режиме 7 даже при полном открытии дроссельной заслонки разрежение во впускной трубе превышает заданное в табл.2.5, этот режим должен выполняться при полном открытии дроссельной заслонки.
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/(кВт ч) или (г/(л.с. ч), которые сравниваются с предельно допустимыми значениями.
2.5.	Контроль выброса картерных газов
По ОСТ 37.001.054-86 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 следующих трех режимах работы двигателя (табл.2.7).
Таблица 2.7
Номер режима	Скорость автомобиля, км/ч	Разрежение во впускном коллекторе, мм рт.ст.
1	Холостой ход	
2	50 ±2	400 ±8
3	50 ±2	250 ±8
По ОСТ 37.001.054-86 автомобиль считается прошедшим испытания,
если при каждом из режимов, указанных в табл.2.7, давление в картере
двигателя не превышает атмосферное в момент измерения. Если хотя
бы на одном из режимов давление в картере двигателя превышает атмо
сферное, 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
26____________________________________________________________
картер двигателя с атмосферой, кроме отверстия, к которому присоединена эластичная камера, должны быть перекрыты.
Аналогичная проверка выброса картерных газов по Правилам № 83.03 относится к испытанию типа III.
2.6.	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 барабанами (четыре городских ездовых цикла и один внегородской цикл, см.рис.2.4).
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.
2.7.	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.
______________________________________27
3.	СНИЖЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ОГ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
Для снижения токсичности ОГ используется большое количество различных мероприятий, включая применение специальных антиток-сичных 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.
3.1.	Совершенствование систем топливоподачи и зажигания
Определяющее влияние на состав ОГ оказывает состав смеси, характеризуемый коэффициентом избытка воздуха (а) (рис.3.1).
Рис.3.1. Влияние коэффициента избытка воздуха (а) на состав ОГ
Рис.3.2. Влияние угла опережения зажигания (<р0.з.) на выброс NOX 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 а«1,05 возрастает вследствие увеличения количества О2 в ОГ и температуры в процессе сгорания. При дальнейшем обеднении смеси определяющее значение приобретает снижение температуры сгорания.
С другой стороны, угол опережения зажигания ((р0.з.) также сильно влияет на выброс NOX и СН (рис.3.2).
28
Это влияние связано с тем, что при увеличении ср0.з возрастает температура процесса сгорания, а вместе с ней и количество образующихся NOX. С уменьшением ф03 сгорание всё больше переносится на линию расширения, возрастает температура ОГ в конце процесса расширения и в 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%, a NOX 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.
29
3.2.	Рециркуляция ОГ
Рециркуляция осуществляется посредством перепуска отработавших газов из системы выпуска во впускную систему (рис.3.3). В двигателях с переменными фазами газораспределения при раннем закрытии выпускного клапана больше отработавших газов остаётся в цилиндре, благодаря чему обеспечивается так называемая "внутренняя рециркуляция". В результате этого для получения требуемой мощности необходимо сильнее открыть дроссельную заслонку, то есть возрастает масса рабочей смеси (с соответствующим увеличением ее теплоемкости), что обусловливает уменьшение температуры сгорания, а значит и уменьшение образования оксида азота. Следовательно, рециркуляция ОГ используется для уменьшения выбросов NOX.
Рис.3.3. Схема системы рециркуляции ОГ:
1 - электронный блок управления; 2 - датчик положения дроссельной заслонки; 3 - клапан рециркуляции с электроприводом; 4 - Л-зонд (индикатор состава смеси); 5 - нейтрализатор
При рециркуляции несколько уменьшаются насосные потери в процессе впуска, что создает предпосылки для улучшения топливной
30
экономичности двигателя. Кроме того, при рециркуляции снижаются потери на диссоциацию и теплоотдачу, а термический кпд цикла возрастает (из-за снижения удельной теплоемкости вследствие уменьшения температуры и соответствующего увеличения показателя адиабаты продуктов сгорания).
С другой стороны, по мере увеличения рециркуляции ОГ затягивается процесс тепловыделения, усиливается невоспроизводимость последовательных циклов и возрастает выброс СН.
Вследствие совместного действия перечисленных факторов с ростом рециркуляции ОГ экономичность двигателя сначала несколько улучшается, а затем ухудшается, что и ограничивает целесообразную степень рециркуляции Rc.
Rc =--------х 100% ’
с MT+MB+MR
где Mr, Мт, Мв - масса рециркулирующих газов, топлива и воздуха, со
ответственно.
Практика показала, что при Rc=15...20% уменьшение выброса NO
Рис.3.4. Влияние степени рециркуляции Rc на выброс NOX и СН
Ухудшение топливной экономичности наблюдается обычно при Rc > 10%. При этом в двигателях с быстрым сгоранием увеличение де начинается при больших значениях Rc.
Чтобы избежать значительного увеличения де и выброса СН, обычно Rc не превышает 20%.
В зависимости от нагрузки двигателя оптимальную степень рециркуляции необходимо изменять: с увеличением нагрузки возрастает максимальная температура цикла и обедняется
горючая смесь, поэтому Rc сле-
дует увеличивать. При полном
открытии дроссельной заслонки рециркуляция ОГ не позволит получить максимальную мощность, поэтому целесообразно на этих режимах обеспечить Rc = 0.
Изменение Rc в зависимости от нагрузки осуществляется специальным клапаном рециркуляции. В простейшем варианте клапан
31
^циркуляции представляет собой дозатор мембранного типа рис.3.5).
6
Рис.3.5. Мембранный клапан рециркуляции:
1 - корпус; 2 - мембрана; 3 - шток; 4 - дросселирующий элемент; 5 - впускной трубопровод; 6 - пружина
Клапан выполняют как отдельный узел, связанный с выпускным и впускным трубопроводами. Шток 3 перекрывает перепускной канал дросселирующим клапаном 4. Верхний конец штока 3 связан с подпружиненной мембраной 2, полость над которой сообщается с впускным трактом (до дроссельной заслонки). Чем больше нагрузка двигателя, тем больше разрежение над мембраной и тем сильнее открыт дросселирующий клапан. Максимальное открытие клапана 4 и соответственно наибольшая величина Rc достигаются на режиме полной нагрузки, если на этом режиме не предусмотрено отключение рециркуляции. Возврат штока и дросселирующего клапана в начальное положение осуществляется пружиной 6. В конструкции клапана рециркуляции используются жаростойкие и коррозионностойкие материалы, обеспечивающие надежную работу в условиях высоких температур в среде химически агрессивных продуктов сгорания.
Подачу отработавших газов во впускной трубопровод организуют таким образом, чтобы обеспечить равномерное их распределение по всем цилиндрам двигателя.
В более совершенных современных системах рециркуляции используется электропривод клапана (рис.3.6), что позволяет
32
реализовать более выгодный закон изменения Rc в зависимости от режима работы двигателя.
Например, с 1992 г. фирма Rochester начала выпускать клапан рециркуляции с непрерывным управлением долей перепускаемых ОГ. В основу работы такого устройства (рис.3.6) положено осевое позиционирование дросселирующего элемента 3 с помощью шагового двигателя 4. При этом положение элемента 3 определяется с помощью специального датчика перемещения. Клапан отличается компактностью и высокой эффективностью.
Рис.3.6. Клапан рециркуляции с шаговым двигателем:
1 - канал, связанный с впускной системой; 2 - фланец клапана; 3 - дросселирующий элемент; 4 - управляемый шаговый двигатель
Фирма Pierburg выпускает для двигателей с искровым зажиганием пять систем, включающих в себя три разных клапана рециркуляции (с шибером и коническим клапаном) с электромагнитным приводом и с приводом от шагового двигателя. Клапаны обеспечивают расход ОГ от 0,5 до 20...50 кг/ч при перепаде давления 200...300 мбар. Вес клапанов в сборе не превышает 400...700 граммов.
Системы фирмы Pierburg обеспечивают изменение Re в зависимости от нагрузки, частоты вращения и температуры жидкости в системе охлаждения двигателя.
Большое значение придается работе систем рециркуляции на переходных режимах. Большинство
конструкции имеет высокие динамические характеристики : время открытия и закрытия клапанов не
превышает 20...100 мс, что способствует значительному снижению выбросов NOX при испытаниях по ездовым циклам.
Анализ теоретического цикла с подводом теплоты при постоянном объеме, показывает, что при рециркуляции максимальная температура цикла (Tz) уменьшается приблизительно на 100 градусов на каждые 5% присадки ОГ. Такое же снижение Tz может быть получено при увеличении а на 0,05 (от начального а = 1,0). С точки зрения термодинамического воздействия на Tz и на термический КПД цикла (r|t) рециркуляция ОГ и обеднение смеси не имеют существенных различий. В то же время при рециркуляции ОГ концентрация кислорода в горючей смеси и продуктах сгорания не измёняется, а при обеднении смеси она
33
возрастает, поэтому рециркуляция ОГ из-за большего затягивания процесса сгорания более эффективна, чем обеднение смеси.
Это обстоятельство вместе с ухудшением процессов воспламенения И сгорания при значительном обеднении смеси и объясняет, почему в Двигателях с традиционной организацией рабочих процессов предпочтение отдается применению рециркуляции ОГ как способу снижения выбросов NOX.
В некоторых двигателях рециркуляция может достигать 40%, что по-
зволяет бензиновому двигателю на малых нагрузках работать без
Дросселирования (см. п. 3.4.2).
3.3.	Нейтрализация ОГ
Многочисленные работы показали, что улучшение процесса сгорания, оптимизация управления составом смеси и углом опережения зажигания не позволяют снизить токсичность ОГ, образующихся в цилиндре двигателя, до уровня, который обеспечил бы выполнение норм Евро II.
В связи с этим для снижения выбросов токсичных веществ широко используется специальная обработка (нейтрализация) отработавших газов в выпускной системе двигателя. Устройства, предназначенные для обработки ОГ, называются нейтрализаторами.
Сейчас используются нейтрализаторы двух типов: каталитические и термические. В первых процессы нейтрализации интенсифицируются за счет применения катализаторов, а во вторых - за счет высокой температуры с добавлением к ОГ воздуха.
3.3.1.	Окислительные каталитические нейтрализаторы
Эти нейтрализаторы предназначены для окисления СО и СН:
СО + Н2О = СО2+Н2,
CnHm + (п + т/4)О2= пСО2 + т/2 Н2О.
Н2 + (1/2)О2= Н2О
Чтобы эти реакции успели завершиться за короткое время, в течение которого ОГ проходят через нейтрализатор, в последнем необходимо создать окислительную среду и поддерживать температуру в пределах 250...800°С. При t<250°C эффективность катализатора невелика, а при t>1000°C наступает дезактивация нейтрализатора в результате спекания мелких кристаллов платины, что приводит к разрушению участков платиновой поверхности. Дезактивация катализатора особенно велика в течение первых 20 тыс. км. пробега, а далее до 80 тыс. км пробега она, как правило, мала. Особенно быстро дезактивация наступает при использовании этилированного бензина, поэтому работа на нем недопустима. При эксплуатации температура в нейтрализаторе находится в пределах 400...600°С, для чего его располагают вблизи выпускного коллектора.
34
Катализаторы, используемые для ускорения окисления СО и СН, обычно содержит 1...2 г платины и палладия. Каталитическое превращение СО при t>400°C может достигать 95...99%.
Углеводороды можно разделить на быстро и медленно сгорающие. К последним относятся предельные углеводороды малой молекулярной массы и, в первую очередь, метан. Если быстро сгорающие углеводороды окисляются примерно на 95%, то метановые углеводороды окисляются приблизительно на 10...70%. Окисление медленно сгорающих углеводородов достигается в основном вследствие действия платины.
Что же касается палладия, то он особенно активен при окислении СО и быстро сгорающих углеводородов.
Если на выходе из нейтрализатора количество углеводородов велико, то можно уменьшить угол опережения зажигания, что увеличит температуру в нейтрализаторе и, соответственно, уменьшит выброс СН; но при этом топливная экономичность двигателя, естественно, ухудшится.
Блок-носитель каталитического нейтрализатора делают из керамики сотовой структуры, гофрированной фольги из нержавеющей стали толщиной 0,1 ...0,5 мм или в виде сферических гранул из оксида алюминия, которые укладываются в металлический цилиндр, закрытый по торцам сетками.
Чтобы обеспечить необходимый массоперенос между ОГ и каталитической поверхностью, площадь последней увеличивают путем нанесения на нее гамма-оксида алюминия (с пористой структурой), содержащего каталитический материал. Гранулы из оксида алюминия покрываются непосредственно каталитическим материалом. Блок-носитель помещают внутри корпуса нейтрализатора из жаропрочной нержавеющей стали толщиной около 1,5 мм. Между блоком-носителем и корпусом ставится специальная терморасширяющаяся прокладка.
Для уменьшения вибрационных нагрузок со стороны двигателя нейтрализатор присоединяется к выпускному трубопроводу или к приемной трубе через шарнирное соединение или через компенсатор колебаний.
Если нейтрализатор расположен близко от выпускного коллектора, то при холодном пуске в нем быстрее достигается температура начала функционирования, что является положительным фактором. Однако при этом повышается эксплуатационная температура, а это может способствовать дезактивации катализатора.
Как уже указывалось, для работы системы с каталитическим окислительным нейтрализатором при использовании в двигателе обогащенных смесей необходимо к ОГ добавлять воздух. Для этого используются специальные воздушные насосы или специальные клапанные устройства (виброклапаны или пульсаторы), функционирующие под действием волн разрежения, возникающих в системе выпуска.
Применение каталитического окислительного нейтрализатора целесообразно, если каким-либо способом можно обеспечить выбросы
35
оксидов азота ниже значений, разрешенных нормами. Поиски и разработки таких способов сейчас интенсивно ведутся многими фирмами. Практика же показала, что для современных автомобилей с традиционными двигателями с искровым зажиганием выполнение жестких норм на выброс NOX (например, Евро И) путем использования рециркуляции и позднего зажигания невозможно, и потому требуется использование трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.
В то же время оборудование отечественных автомобилей окислительными каталитическими нейтрализаторами (при условии использования неэтилированного бензина) позволит существенно уменьшить выбросы СО и СН.
3.3.2.	Трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы
Для нейтрализации образующегося в процессе сгорания смеси оксида азота NO используются реакции его восстановления до азота N2 и аммиака NH3. В качестве восстановителей используются находящиеся в ОГ СО, СН и Н2. При работе двигателя на стехиометрической смеси (а=1) основным продуктом восстановления NO является N2, а на богатых смесях больше образуется NH3.
Для того, чтобы после восстановления NO образовывалось больше N2 и меньше NH3 катализатор помимо платины должен содержать родий (Rh). Соотношение в катализаторах количества Pt и Rh близко к 5, а в некоторых случаях достигает 12. Ряд фирм для снижения стоимости нейтрализатора применяют триметалли-ческий катализатор: платина, палладий, родий в соотношении 1:16:1 или 1:28:1. На один нейтрализатор расходуется от 1,5 до 3 г платины. Применение этилированного бензина при использовании системы с трехкомпонентным нейтрализатором недопустимо.
При восстановлении NO возможны следующие реакции:
2NO + 5СО + ЗН2О 2NH3+ 5СО2,
NO+ Н2-> 1/2 N2 + Н2О,
2NO + 5Н2-> 2 NH3 + 2Н2О,
NO + (СН) -> N2 + Н2О + СО2 + СО + NH3.
Таким образом при восстановлении NO одновременно происходит окисление СО и СН. Такой нейтрализатор называется трехкомпонентным или бифункциональным, т.е. восстановительным и окислительным.
Степень каталитического превращения различных газов в нейтрализаторе оценивают коэффициентом преобразования
К =_|вх----1^1x100%’
ciM
где Kj - коэффициент преобразования i-ro компонента;
36
Ci вх> С, Вых - концентрация этого компонента на входе и на выходе из нейтрализатора соответственно.
0,92	0,96	1,00 а
Рис.3.7.Зона эффективной работы трехкомпонентного нейтрализатора
смеси (а = 1) с высокой точностью, что удается достичь только путем
Как следует из рис.3.7, наибольшая величина Kj одновременно по трем нормируемым компонентам достигается при работе двигателя на слегка обогащенной смеси вблизи ее стехиометрического состава (а=0,98...0,99), так как в этом случае количество кислорода, освобождающегося при восстановлении NO оказывается достаточным для окисления Н2, СО и СН. Вблизи стехиометрической смеси коэффициенты преобразования изменяются очень резко, поэтому для эффективной работы нейтрализатора требуется обеспечить поддержание состава
использования систем дозирования топлива с электронным управлением с отрицательной обратной связью.
Рис.3.8. Управление топливоподачей по сигналу 1-зонда:
1 - электронный блок управления; 2 - трехкомпонентный нейтрализатор;
3 - Л-зонд; 4 - электромагнитная форсунка; 5 - измеритель расхода воздуха
Принципиальная схема такой системы с впрыскиванием бензина показана на рис.3.8. Количество впрыскиваемого форсункой 3 топлива
37
зависит от длительности впрыскивания под постоянным перепадом между давлением топлива на входе и выходе из форсунки. Длительность впрыскивания задается электронным блоком управления 1 в зависимости от сигналов измерителей расхода воздуха и частоты вращения, а также от сигнала кислородного датчика (Х-зонд), показывающего отклонение состава смеси от стехиометрического и включённого в контур обратной связи системы регулирования. На режимах пуска и прогрева длительность впрыскивания (доза топлива) корректируется в зависимости от
температурного состояния двигателя и температуры воздуха.
Рис.3.9. Схема циркониевого X-зонда:
1 - электропроводное уплотнение; 2 - корпус; 3 - твердый электролит; 4, 5 - внешний и внутренний электроды
0,8 1,0 1,1 1,2 а
Рис.3.1 (^Характеристика циркониевого Х-зонда при температуре 600°С
Такая система управления является замкнутой, так как поддержание стехиометрического состава смеси обеспечивается по сигналу Х-зонда. Любое отклонение состава смеси от заданной величины (необходимой для эффективной работы нейтрализатора) вызывает появление сигнала рассогласования, который используется для соответствующего изменения (увеличения или уменьшения) длительности управляющего импульса форсунок, что приводит к соответствующему изменению подачи топлива.
Принципиальная схема Х-зонда показана на рис.3.9, а его характеристика приведена на рис.3.10.
Внешний 4 и внутренний 5 электроды Х-зонда (рис.3.9) выполнены из пористой платины или ее сплава и разделены слоем твердого электролита 3 из диоксида циркония. Внешний электрод покрыт тонким защитным слоем керамики. Внутренний электрод 5 находится в воздухе с постоянным парциальным давлением кислорода, а внешний 4 омывается отработавшими газами в выпускной системе двигателя. Ионная проводимость твердого электролита, возникающая в результате разности парциальных давлений кислорода на внешнем и внутреннем электродах, обусловливает
38
появление разности потенциалов между электродами.
При переходе состава смеси через стехиометрическое значение в область обедненных смесей напряжение на выходе датчика резко снижается от 700...1000 мВ до 50...100 мВ (рис.3.10). Характеристика X-зонда позволяет определить стехиометрический состав смеси с погрешностью не более ±0,5%.
Х-зонд начинает работать при температуре порядка 300 °C, а наиболее эффективная работа происходит при t=850...900 °C. При температуре выше 900 °C даже кратковременная работа может вызвать начало разрушения защитного слоя электродов. Обычно Х-зонд устанавливают или на выходе из выпускного коллектора или в начале приемной трубы.
При работе на этилированном бензине характеристика Х-зонда изменяется. Если же двигатель эксплуатируется на этилированном бензине длительное время, то изменение его характеристики становится необратимым.
Управление по сигналу Х-зонда сопровождается периодическим изменением состава смеси, причем колебания величины а относительно а = 1 не превосходят ± 0,03. Эти колебания состава смеси вместе с инерционностью всей системы на переходных режимах приводят к тому, что реальная величина коэффициентов преобразования составляет приблизительно 90%.
На новых системах нейтрализации и при наличии автоматизированного управления подачей бензина иногда устанавливают по два X-зонда, т.е. до и после нейтрализатора. Это позволяет решить ряд задач, в том числе скорректировать управление по сигналу первого X-зонда, имеющего пологую характеристику U=f(a), и уменьшить амплитуду периодических колебаний а, а, следовательно, увеличить каталитические превращения NO, СО и СН.
Что касается температурного режима работы трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, то он практически такой же как, и для окислительного каталитического нейтрализатора (см.3.3.1).
Наблюдения за эксплуатационной надежностью наиболее распространенной в настоящее время системы снижения токсичности ОГ с трехкомпонентным нейтрализатором показывают, что основные ее неисправности вызываются нарушениями работы Х-зонда (45%), нейтрализатора (16%) и системы зажигания (6%). Обнаружить эти неисправности при управлении автомобилем по субъективным ощущениям практически невозможно. Поэтому сейчас приняты правила OBD II, предписывающие установку на автомобиле системы бортовой диагностики, которая должна сигнализировать о нарушениях в работе систем нейтрализации, рециркуляции и зажигания.
Система нейтрализации ОГ на базе трехкомпонентного нейтрализатора сейчас получила повсеместное распространение как основной путь
39
удовлетворения нормам Евро II и Евро III. Например, в Германии в 1995 г. эта система была установлена на 50% всех легковых автомобилей, тогда как окислительными нейтрализаторами были оборудованы только 6%.
3.3.3.	Снижение выброса СН при пуске и прогреве двигателя
При использовании каталитических нейтрализаторов дальнейшее снижение выброса NOX может быть получено путем применения рециркуляции, а уменьшение выброса СО - путем исключения режимов работы на богатых смесях.
Сложнее обеспечить выполнение перспективных норм на выброс СН. В первую очередь это связано с большой эмиссией СН на режимах пуска и прогрева. Например, современный двигатель с каталитическим трехкомпонентным нейтрализатором при испытаниях по американскому циклу в течение первых 100 с выбрасывает примерно 80% СН от общего количества (за все испытание). Это количество СН превосходит весь разрешенный выброс по нормам TLEV, LEV или ULEV. По нормам Евро III полагается начинать отбор газов для анализа сразу после запуска двигателя, т.е. без предварительного прогрева в течение 40 с.
В первой фазе испытаний по циклу ECE+EUDC каталитический нейтрализатор в течение первых 100-120 с не работает, так как температура в нем недостаточно высока, кроме того, двигатель в это время работает на обогащенных смесях и в ОГ нет кислорода, необходимого для окисления СН в нейтрализаторе.
Такие известные способы уменьшения образования СН в цилиндре, как, например, уменьшение защемленных объемов, увеличение S/D, повышение температуры в системе охлаждения, оптимизация смесеобразования и скорости сгорания при несколько пониженной степени сжатия недостаточны для решения этой проблемы.
Поэтому все большее значение приобретает использование "воздушных" форсунок, улучшающих распыливание бензина на малых нагрузках, путём использования для этого энергии просасываемого через них атмосферного воздуха, и различных методов ускоренного прогрева нейтрализатора, а также подачи воздуха в поток ОГ до нейтрализатора с помощью специального насоса с электрическим приводом.
Ускоренный прогрев нейтрализатора достигается путем его установки ближе к двигателю, термоизоляцией системы выпуска между выпускным клапаном и нейтрализатором, электрическим подогревом нейтрализатора, подогревом нейтрализатора путем сжигания перед ним топлива в горелке (рис.З. 11), уменьшением опережения зажигания с целью увеличения температуры ОГ.
Выше отмечалось, что Х-зонд начинает работать при t=300°C, поэтому все чаще применяют его электрический подогрев.
40
Рис.3.11.Система с пламенным подогревом нейтрализатора:
1 - форсунка; 2 - нейтрализатор; 3 - свеча для поджигания; 4 - воздушный насос
В некоторых случаях используется так называемый стартовый нейтрализатор, который имеет меньшие размеры, чем основной, и устанавливается перед ним или параллельно (рис.3.12).
Рис.3.12. Система со стартовым нейтрализатором:
1 - двигатель; 2 - стартовый нейтрализатор; 3 - глушитель; 4 - основной нейтрализатор; 5 - кислородный датчик; 6 - заслонка
При параллельном расположении стартового нейтрализатора во время прогрева двигателя весь поток ОГ направляется в этот нейтрализатор, который быстро прогревается и начинает эффективно работать. Затем по мере прогрева двигателя поток ОГ специальной заслонкой направляется в основной нейтрализатор.
Рис.3.13 иллюстрирует ускорение прогрева стартового нейтрализатора по сравнению с основным, а в табл.3.1 показано снижение выбросов (г/км) токсических компонентов в результате электрического подогрева нейтрализатора в течение 20 с при мощности 2 кВт. Это снижение по СН составляет около 3,5 раз, а по СО - почти в 5 раз (см. также таблицу 3.1).
41
Рис.3.13. Изменение температуры в нейтрализаторах при прогреве двигателя:
1 - стартовый нейтрализатор; 2 - основной нейтрализатор (при работе стартового);
3 - основной нейтрализатор (без стартового)
Положительный эффект при последовательном включении стартового нейтрализатора достигается вследствие его расположения перед основным нейтрализатором, т.е. ближе к выпускному коллектору и меньших размеров, а значит и более быстрого прогрева.
Таблица 3.1
Нейтрализатор	СН	СО	NOX
Без подогрева	0,20	1,90	0,07
С подогревом	0,06	0,40	0,05
В проекте стандарта Евро IV предполагается начинать испытания при температуре -7°С (вместо +20...+30°С по Евро II и Евро III), что сделает борьбу с выбросами СН еще более актуальной и сложной. Поиск путей решения задачи уменьшения выброса СН на режимах пуска и прогрева в соответствии с будущими нормами Евро IV ведется в следующих направлениях:
-	увеличение коэффициента избытка воздуха (завихривание заряда, улучшение характеристик искрового разряда);
-	снижение насосных потерь и частоты вращения на холостом ходу путём использования управляемых механизмов газораспределения;
-	поцилиндровое управление составом смеси (с учетом состояния нейтрализатора);
-	позднее зажигание;
-	дальнейшее уменьшение теплоотвода на участке между выпускными клапанами и нейтрализатором и в самом нейтрализаторе;
-	применение адсорберов СН и так называемых гибридных нейтрализаторов, которые в первые 70-90 с после запуска адсорбирует СН, а затем выделяет их и нейтрализирует при температуре в нейтрализаторе выше 100°С.
3.3.4.	Термические нейтрализаторы
Термический нейтрализатор представляет собой реакционную камеру, в которой при высокой температуре (порядка 900°С) происходит окисление СО и СН. Если двигатель работает на обогащенной смеси, то требуется подача воздуха перед нейтрализатором с помощью до
42
вольно мощного компрессора. Топливная экономичность двигателя в этом случае будет невысокой.
При использовании термического нейтрализатора для двигателя, работающего на обедненных смесях, не требуется применение воздушного компрессора. Однако в этом случае возникает проблема поддержания достаточной температуры в реакторе. Если ОГ находятся в реакторе от 50 до 100 мс при t = 700 °C, то концентрация СН снижается вдвое, т.е. КсН = 50%. При t = 750...800 °C можно достичь полного превращения СН (Кен = 100%). Для окисления СО требуется более высокая температура. Например, для получения Ксо > 50% требуется температура около 850°С. Существенно, что при использовании этилированных бензинов реакции в термическом нейтрализаторе тормозятся свинцом.
Большим недостатком термических нейтрализаторов является отсутствие из-за недостаточной температуры положительного эффекта на режимах пуска и прогрева, когда выбросы СН и СО особенно велики.
Термический нейтрализатор начинает работать при существенно более высокой температуре (t = 600°С), чем каталитический.
Не удалось решить и проблему долговечности термического нейтрализатора из-за невозможности обеспечить достаточную прочность материалов для деталей нейтрализатора в условиях высоких эксплуатационных температур и коррозионной агрессивности ОГ, особенно при содержании в них свинца и фосфора.
По указанным причинам термические нейтрализаторы не получили распространения на автомобилях общего назначения.
3.4.	Перспективные методы снижения токсичности ОГ двигателей с искровым зажиганием
Необходимость поиска новых методов снижения токсичности ОГ связана с двумя основными задачами: выполнение жестких перспективных норм (Евро IV, ULEV), повышение топливной экономичности двигателя. Из известных способов с этой целью предполагается использовать: каталитический нейтрализатор, стартовый нейтрализатор и быстродействующий клапан рециркуляции. Однако этого далеко недостаточно, поэтому широким фронтом ведётся поиск новых путей.
3.4.1.	Новые топлива
В настоящее время автомобильные двигатели с искровым зажиганием работают на бензине, сжатом и сжиженном газах. Ближайшие перспективы связаны с улучшением свойств бензина, оказывающих влияние на токсичность ОГ. Это относится к уменьшению содержания в бензине свинца, серы и ароматических углеводородов (для снижения выброса канцерогенных веществ). Сравнительные испытания автомобилей при использовании двух бензинов - стандартного и модифицированного (табл.3.2) показали, что при использовании последнего снизились выбросы: СН на 10%, СО на 20% и NOX на 33%.
43
Таблица 3.2.
	% по объему углеводородов					Свинец	Сера
Бензин	Ароматики	Предельные	Олефины	Остаток	Эфир	г/л	% по массе
Стандартный	33,7	59,6	5,7	1		0,0013	0,031
Модифицированный	21,9	61,9	4,2	1	11	0,0002	0,003
Кроме существенного уменьшения выброса нормируемых компонентов ОГ во много раз уменьшились выбросы свинца, серы и канцерогенных веществ.
Существенное влияние на снижение выброса токсичных веществ оказывают специальные присадки, добавляемые при производстве бензина.
К перспективному пути снижения токсичности ОГ можно отнести использование топлив ненефтяного происхождения.
Опыты НАМИ показали, что добавка к бензину 15% метанола (СН3ОН) снижает выброс вредных веществ на 25...30%, а при работе на одном метаноле это снижение доходит до 50%.
Существенная трудность при использовании метанола заключается в его ядовитости и большой коррозионной агрессивности относительно металлов, резины и т.п.
Полное исключение из состава ОГ таких углеродосодержащих компонентов, как СО, СОг и СН может быть получено при использовании в качестве моторного топлива водорода. Хотя при этом на слегка обедненных смесях из-за высоких температур сгорания Н2 образуется большее количество NOX (NOX max= 5000 ...5500 млн'1), чем при работе на бензине, испытания по тесту ЕСЕ (городской цикл) показывают уменьшение выбросов NOX по сравнению с работой на бензине (из-за использования значительно более бедных водородовоздушных смесей).
В настоящее время стоимость водорода очень велика; кроме того, перевод двигателя на питание водородом сопровождается понижением максимальной мощности, появлением так называемых обратных вспышек (воспламенение и сгорание смеси во впускной системе), появлением "водородной хрупкости" в поверхностных слоях металлов при их насыщении водородом. Большие трудности встречаются при организации хранения газообразного Н2 на борту автомобиля (из-за очень малой объемной теплоты сгорания газообразного водорода) или жидкого Н2 в криогенных баках, а также при производстве, транспортировке и хранении Н2. Реальное использование Н2 для автомобильных двигателей начнется скорее всего путем добавки его к бензину или путем использования водородного синтез-газа (Н2+СО+СО2), получаемого на борту автомобиля при конверсии метанола или бензина.
44
3.4.2.	Расслоение смеси. Двигатели с впрыскиванием бензина в цилиндр
Теоретически при расслоении заряда в двигателях с искровым зажиганием можно осуществить качественное регулирование нагрузки (изменение нагрузки только за счёт изменения состава смеси). Отказ от дросселирования двигателя позволит значительно уменьшить насосные потери (потери на газообмен), которые на холостом ходу примерно в 5 раз больше, чем при полной нагрузке. Кроме того, при дросселировании из-за значительного ослабления турбулентности и увеличения концентрации в заряде остаточных газов уменьшаются скорость и полнота сгорания.
Анализ показывает, что эффективный КПД двигателя с качественным регулированием по мере уменьшения нагрузки до 20% может увеличиться почти в два раза. Основной выигрыш при этом получается из-за роста термического КПД вследствие обеднения смеси, а также из-за меньших насосных потерь.
Главная трудность при расслоении заряда связана с процессом смесеобразования, так как в идеале требуется разделить заряд на две зоны: горючую зону, состоящую из рабочей смеси с а = 1,0 и негорючую зону, состоящую из воздуха и остаточных газов.
В пределе на границе между этими зонами состав смеси должен изменяться скачкообразно от а = 1,0 до а = оо.
На самом деле всегда будет возникать некоторая переходная зона. Количество топлива, которое окажется в этой зоне, и будет, по существу, определять эффективность использования расслоенного заряда. В слоях этой зоны с а>1,7...1,8 сгорания смеси не будет, что приведет к повышенным выбросам СН. С другой стороны, в горючей зоне не должно образовываться слоев с а<1,0, иначе в ОГ появится СО, а экономичность двигателя ухудшится.
Изменение нагрузки в двигателе с расслоением заряда, по существу, должно заключаться в изменении размеров зон горючей и негорючей смеси.
Указанные трудности организации рационального расслоения заряда до сих пор не позволили, несмотря на многочисленные попытки, создать конструкцию, обеспечивающую эффективную работу двигателя с расслоенным зарядом на всех режимах.
Однако в последнее время достигнут существенный прогресс в этом направлении. Так с конца 1996 года фирма Mitsubishi и с начала 1997 года фирма Toyota начали производство и продажу двигателей с впрыскиванием бензина непосредственно в цилиндр. Во всей области режимов европейского теста ЕСЕ и японского 10.15 эти двигатели работают с полностью открытой дроссельной заслонкой с качественным (как в дизеле) регулированием нагрузки. Это стало возможным в результате эффективного расслоения смеси на указанных режимах.
45
Как правило, при непосредственном впрыскивании бензина каждый цилиндр имеет 2 впускных клапана (рис. 3.14). К одному из этих клапанов воздух поступает по винтовому каналу, а к другому - по прямому. В прямом впускном канале установлена так называемая "вихревая" заслонка, которая открывается на режимах больших нагрузок. Когда же эта заслонка закрыта, воздух поступает только через один клапан с вихревым каналом, что обеспечивает создание интенсивного вихря в горизонтальной плоскости.
Топливо впрыскивается вихревой электромагнитной форсункой, установленной в головке блока цилиндров, под давлением 5...12 МПа. Впрыскивание начинается:
•	в начале хода впуска на больших нагрузках, что позволяет получить гомогенную смесь;
•	на такте сжатия на малых и средних нагрузках, что позволяет получить расслоенную смесь. Чем меньше нагрузка, тем позже начинается впрыскивание, но во всех случаях оно заканчивается до проскакивания искры.
Качественное расслоение заряда на малых нагрузках обеспечивается: • созданием горизонтального вихря необходимой интенсивности;
•	выбором соответствующего момента начала впрыскивания;
•	изменением давления впрыскивания;
•	выбором специальной формы камеры сгорания.
Формирование и развитие расслоения заряда схематически показано на рис. 3.14.
Вихревая Прямой Камера
канал
заслонка
Винтовой канал
Вихрь сгорТ1 Вихрь
Формирование смеси
Граница камеры
кивания диффузия
Рис. 3.14 Схема организации смесеобразования при впрыскивании бензина в цилиндр
46
Существенное (до 30-35%) улучшение топливной экономичности, а, следовательно, и снижение выброса СО2 достигается на малых и средних нагрузках в результате действия следующих факторов:
1.
2.
3.
4.
снижения насосных потерь из-за отсутствия дросселирования; качественного регулирования нагрузки с максимальным обеднением смеси до а= 3,5;
уменьшения теплоотвода в стенки, так как вблизи них оказывается относительно холодный воздух;
увеличения степени сжатия до 11-12, что
озможно вследствие ох-
лаждения заряда при испарении впрыснутого в цилиндр бензина.
Особенностью двигателя с непосредственным впрыскиванием бен-
зина является повышенный выброс из цилиндров СН вследствие потухания пламени в зонах расслоенного заряда с большим переобедне-
нием смеси.
Поскольку такой двигатель работает в основном на бедных составах смеси, то для уменьшения токсичности ОГ необходимо использовать нейтрализатор DENOX (см. 3.4.4.) и рециркуляцию ОГ. При этом удается обеспечить выполнение норм Евро III, а в перспективе, возможно, и Евро IV. Преимуществом впрыскивания бензина в цилиндр является также увеличение максимального крутящего момента, примерно, на 10%.
В целом по совокупности своих преимуществ непосредственное впрыскивание рассматривается как возможное перспективное направление развития бензиновых двигателей.
3.4.3.	Использование бедных смесей. Отключение части цилиндров
В настоящее время многие фирмы уже широко используют управление интенсивностью движения заряда в цилиндре в сочетании с увеличением степени сжатия и мощности электрической искры, что дает возможность эффективно сжигать смеси, обедненные до а = 1,5...1,7. Выброс NOX при работе с большим обеднением смеси становится малым, а борьба с выбросами СН и СО ведется с помощью окислительного нейтрализатора. Схема управления интенсивностью движения заряда показана на рис.3.15.
Каждый цилиндр двигателя имеет по два впускных клапана. К одному из них смесь подводится по прямому впускному каналу с заслонкой. Этот канал создает в цилиндре вертикальный вихрь, интенсивность которого изменяется с помощью заслонки. Второй впускной канал вместе с установленной в нем отклоняющей пластиной создает вращение заряда в горизонтальной плоскости. При закрывании в прямом канале специальной («вихревой») заслонки ослабляется вертикальный вихрь и усиливается горизонтальный, что способствует хорошему воспламенению и сгоранию бедных смесей. Такая схема обеспечивает выполнение норм Евро II без
1
47

Рис.3.15. Впускные каналы с управляемой интенсивностью вихря:
1 - заслонка; 2 - прямой впускной канал; 3 - впускные клапаны; 4 - отклоняющая пластина; 5 - соединительный канал; 6 - винтовой впускной канал
необходимости использования трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.
Не прекращаются попытки создания работоспособной конструкции двигателя с отключением части цилиндров (при i = 6...8) на режимах, когда не требуется полная мощность. Этот способ дает возможность снизить насосные потери на частичных нагрузках из-за меньшего дросселирования неотключённых цилиндров, а также позволяет работать на более бедных смесях. Расход топлива, а следовательно, и выброс СО2 на частичных нагрузках значительно снижаются. Вместе с этим уменьшается также выброс СО и СН. Концентрация NOX в ОГ работающих цилиндров возрастает, но при этом следует иметь в виду, что общее количество ОГ несколько уменьшается.
Надежды на создание двигателя с отключением цилиндров связаны с развитием конструкции модульного двигателя или с разработкой системы газораспределения
с изменяемыми характеристиками, в частности, с возможностью управления подъемом клапанов и изменением фаз газораспределения. Отключение впускных клапанов в 4-х цилиндрах реализовано в новом 8-ми цилиндровом двигателе Mersedes-Benz (iVh=5,0 л). Экономия топлива составила: 15% - при скорости 90 км/ч и 6,5% - по ездовому циклу.
Уменьшение рабочего объема цилиндров может быть получено и без отключения части из них. Например, в НАМИ разрабатывается аксиальный двигатель, в кривошипном механизме которого заложена возможность изменения хода поршня (и степени сжатия). Получаемые при этом положительные эффекты превышают те, которые достигаются путем отключения части цилиндров.
3.4.4.	Адсорбционно-каталитический нейтрализатор
Многие фирмы большие надежды связывают с применением нового нейтрализатора адсорбционно-каталитического типа (DENOX). Этот нейтрализатор рассчитан на то, что двигатель будет работать как на бедных смесях, так и при а<1,0. Механизм действия этого нейтрализатора иллюстрирует рис.3.16.
Носитель из оксида алюминия А120з покрыт катализатором из платины Pt и специальным веществом R, выполняющим функцию адсорбера. При работе на бедных смесях платиновый катализатор способствует
48
окислению NO до NO2, который на материале R адсорбируется в виде нитрата. Когда двигатель будет работать при а < 1,0, то нитрат с участием СН, СО и Н2 восстанавливается на платиновом катализаторе.
Эффективность адсорбционно-каталитического нейтрализатора видна из рис.3.17, на котором показаны изменения скорости автомобиля и концентрации NOX до и после нейтрализации при испытаниях по японскому ездовому циклу.
N2
Рис.3.16. Механизм снижения концентрации NOX в адсорбционно-каталитическом нейтрализаторе
1 и 4 - снижение выбросов NO* в нейтрализаторе; 2 и 3 - концентрация NOX на выходе из цилиндра; 5 - концентрация NOX после нейтрализатора
Подробностей о работе такого нейтрализатора в литературе сообщается мало. Известно только, что достигнутая величина коэффициента преобразования NOX составляет в среднем около 60%, она в значительной степени зависит от соотношения CH/NOX и температуры.
В то же время анализ показывает, что при работе двигателя на слегка обедненных смесях кислорода в ОГ может не хватать для окисления на катализаторе всего количества образующегося в цилиндрах NO. С другой стороны, для восстановления всего образовавшегося нитрата может потребоваться достаточно длительная работа двигателя при а < 1,0, что несколько снизит эксплуатационную экономичность двигателя относительно наилучшей.
Улучшению условий работы адсорбционно-каталитического нейтрализатора при нарушении требуемого баланса между временем работы двигателя при а > 1 и при а < 1 может способствовать периодически
49
повторяющийся перевод двигателя на кратковременную работу при а=1 или подача в выпускную систему (перед нейтрализатором) какого-либо топлива (например, Н2 или смеси 2Н2+ СО, получаемой из метанола путем сухой конверсии). Это топливо, связывая избыточный кислород, будет создавать восстановительную среду и увеличивать восстановление нитрата.
Рис.3.17. Снижение концентрации NOX в адсорбционно-каталитическом нейтрализаторе
1 и 3 - концентрация NOX соответственно до и после нейтрализатора;2 -скорость автомобиля.
Так как при работе двигателя на стехиометрической смеси (с трехкомпонентным нейтрализатором) потеря топливной экономичности относительно работы со смесями оптимального по экономичности состава на некоторых режимах доходит до 10%, а в среднем составляет 4...6%, то применение адсорбционно-каталитического нейтрализатора для двигателей с искровым зажиганием может привести к повышению топливной экономичности на 3...5%.
Существенным недостатком нейтрализатора DENOX является необходимость снижения в неэтилированном бензине содержания серы до 30 ppm и менее (вместо 200 ppm в современном европейском бензине). В противном случае не может быть обеспечена достаточная долговечность нейтрализатора.
50
4.	НОРМИРОВАНИЕ ТОКСИЧНОСТИ И ДЫМНОСТИ ОГ ДИЗЕЛЕЙ
4.1.	Общие положения
Следствием особенностей смесеобразования и сгорания в дизеле является сравнительно большой выброс сажи (см.табл.1.3). Это обусловило необходимость нормирования дымности ОГ дизелей. С другой стороны, так как испаряемость дизельного топлива на порядок хуже, чем у бензина, контроль за испарениями дизтоплива из системы питания не предусматривается. Испытания дизелей грузовых автомобилей проводятся на тормозном стенде по так называемому 13-ти режимному тесту, тогда как двигатели с искровым зажиганием для грузовых автомобилей испытываются у нас по 9-ти режимному тесту. Поэтому комплекс стандартов на токсичность и дымность ОГ дизелей (рис.4.1) по своему содержанию отличается от аналогичного комплекса для двигателей с искровым зажиганием.
Рис.4.1.Комплекс стандартов на токсичность и дымность ОГ дизелей
В то же время так же, как и для двигателей с искровым зажиганием стандарты на токсичность и дымность ОГ дизелей предусматривают проверку как в эксплуатационных условиях, так и при приемочных, периодических и инспекционных испытаниях.
51
4.2.	Контроль дымности ОГ при эксплуатации дизелей
Этот контроль осуществляется в соответствии с ГОСТ 21393-75 с изменениями №2 "Автомобили с дизелями. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений", который распространяется на грузовые автомобили и автобусы с дизелями. Автомобили должны проходить испытания при контрольных проверках дымности в условиях эксплуатации (на дороге), при государственных технических осмотрах сотрудниками ГИБДД, на предприятиях, эксплуатирующих автомобили, на станциях технического обслуживания, на предприятиях-изготовителях автомобилей и дизелей, а также при сертификационных испытаниях, при проведении ТО-2, после ремонта или регулирования топливоподающей аппаратуры и других систем дизеля, оказывающих влияние на дымность ОГ.
Дымомер должен работать по методу просвечивания столба ОГ определённой длины. Нормируемым показателем дымности является натуральный показатель ослабления светового потока К, м'1 или коэффициент ослабления светового потока N, %.
Натуральный показатель ослабления светового потока К, м~1 - величина, обратная толщине слоя ОГ, проходя через который поток излучения от источника света ослабляется в “е” раз (е=2,718 - основание натуральных логарифмов). Этот показатель отсчитывается по основной шкале дымомера.
Коэффициент ослабления светового потока N, % представляет собой степень ослабления светового потока вследствие поглощения и рассеивания света отработавшими газами при прохождении ими рабочей трубы дымомера. Этот показатель отсчитывается по вспомогательной шкале дымомера с эффективной базой 0,43 м.
Пересчет значений показателя К в показатель N может быть сделан с помощью таблицы, приведенной в приложении 1 .а к ГОСТ 21393-75.
Эти показатели определяются на холостом ходу: на режиме свободного ускорения, а также при максимальной частоте вращения. Измерения производятся на неподвижно стоящем автомобиле с исправной системой выпуска. Схема измерения дымности ОГ показана на рис.4.2.
Дымность ОГ должна измеряться приборами, отвечающими требованиям ГОСТ 21393-75 с изменениями №2.
Противодавление на выходе из дымомера не должно превышать 75 мм вод. ст. В камере измерительного прибора 5 необходимо поддерживать давление не менее 490 Н/м2 (50 мм вод.ст.) и не более 585 Н/м2 (60 мм вод.ст.). Для повышения давления газов при отборе проб''допускается устанавливать регулирующую заслонку 6 в выпускной трубе испытательного стенда на расстоянии не менее 3D (D - диаметр выхлопной трубы стенда) от входного отверстия зонда газоотборника.
Измерение на режиме свободного ускорения производится не менее, чем при 6-ти кратном повторении цикла изменения частоты вращения вала дизеля от минимальной до максимальной, который осуществляется путем быстрого, но плавного нажатия на педаль подачи топлива (до упора) с интервалом не более 15 с. При каждом последующем измерении фиксируют максимальную дымность до получения устойчивых
52
значений, когда четыре последовательных значения показателя располагаются в зоне шириной 0,25 м-1 по шкале К, но не образуют убывающую последовательность. За результат измерения принимают среднее арифметическое значение результатов этих четырёх измерений.
Рис.4.2. Схема измерения дымности ОГ:
1 - выхлопной трубопровод дизеля; 2 - выхлопная труба стенда; 3 - газоот-борник дымомера; 4 - ресивер; 5 - измерительный прибор; 6 - заслонка
Затем не позднее, чем через 60 с после испытаний на режиме свободного ускорения, необходимо произвести измерение дымности ОГ на режиме максимальной частоты вращения при полном нажатии на педаль подачи топлива. Дымность измеряют не ранее, чем через 10 секунд после впуска ОГ в прибор. Измерение считают достоверным, если значения дымности расположены в зоне шириной не более 6% по шкале N. За результат измерения следует принимать среднее арифметическое значение крайних показаний дымности.
Предельно допустимые показатели дымности при испытаниях автомобилей с дизелями по ГОСТ 21393-75 с изменениями №2 указаны в таблице 4.1.
При контрольных проверках дымности ОГ при эксплуатации (на дороге) нормы Кдоп., указанные в таблице 4.1, для режима свободного ускорения могут быть превышены, но не более, чем на 0,5 м-1.
Таблица 4.1
Режимы измерения дымности	Предельно допустимое значение показателя Кдоп., м~1	Предельно допустимое значение показателя Nnon,%*
Свободное ускорение: • дизели без наддува • дизели с наддувом	1,2 1,6	40 50
Максимальная частота вращения холостого хода	0,4	15
Нормы даны для эффективной базы дымомера L=0,43 м.
53
4.3.	Контроль токсичности ОГ дизеля на тормозном стенде
Контроль на стенде с беговыми барабанами. Контроль токсичности ОГ дизелей, установленных на автомобилях с полной массой от 400 до 3500 кг, осуществляется на режимах ездового цикла на стенде с беговыми барабанами по ОСТ 37.001.054-86, который распространяется на автомобили с бензиновыми двигателями и с дизелями (см.рис.2.3). В Европе эти испытания проводятся по Правилам № 83.03 (тип.1). Нормы на выброс СО, CH+NOx и частиц приведены в табл.2.3.
Стендовые испытания дизелей по 13-ти режимному тесту*. В соответствии с ОСТ 37.001.234-81 эти испытания проводятся с дизелями автотранспортных средств, общая масса которых более 3,5 т. Данный стандарт близок к Правилам № 49.02В ЕЭК ООН.
Испытания проводятся на двигателе, установленном на стенде и соединенном с динамометром.
Определение выбросов СО, СН и NOX с отработавшими газами дизеля производится последовательно на режимах, указанных в табл.4.2.
Таблица 4.2
Номер режима	Частота вращения коленчатого вала дизеля, мин’1	Процент нагрузки от максимальной на данном режиме
1	П х min	0
2	П „та* 11 к max	2
3	и	25
4	II ж ш	50
5	11	75
6	II	100
	П v min 11 х min	0
8	П ном	100
9	и «> «а	75
10	1	50
11	II	25
12	II	2
13	П x min	0
Примечания:
1.	- п х min- минимальная частота вращения вала двигателя при работе на холостом ходу;
2.	- nK max- частота вращения, соответствующая максимальному значению крутящего момента;
3.	п „ом- частота вращения, соответствующая номинальной мощности, ь
Для каждого нагрузочного режима весовой фактор равен 8%, а всех трех режимов холостого хода - 20%.
54
Испытания проводятся на стенде, оборудованном приборами по ГОСТ 14846-81 и аппаратурой для измерения выбросов СО, СН и NOX.
При испытании должны регистрироваться:
•	концентрации в отработавших газах оксида углерода (% объема), углеводородов и оксидов азота (млн-1);
•частота вращения коленчатого вала, мин-1;
•	крутящий момент дизеля, Нм;
•часовой расход топлива, кг/ч;
•часовой расход воздуха, кг/ч;
•температура отработавших газов, охлаждающей жидкости, масла,
воздуха и топлива, °C;
разрежение во впускном трубопроводе, мм вод.ст.; противодавление в вы-
пускном трубопроводе, мм вод.ст.; барометрическое давление, мм рт.ст.
Газовый анализ ОГ должен выполняться с помощью быстродействующих газоанализаторов непрерывного действия с регистрацией результатов анализа на ленте самописца со скоростью протяжки не менее 10 мм/мин.
Для определения концентрации СО должен применяться недисперсный инфракрасный газоанализатор, для СН - пламенноионизационный, а для NOX - хемилюминесцентный. Относительная погрешность газоанализаторов не должна быть более ± 3% от предельного значения шкалы для любого компонента.
При испытаниях дизелей с целью снижения потери углеводородов в трубках подвода СН к газоанализатору делается подогрев пробоотборной системы, обеспечивающий температуру пробы ОГ в диапазоне 150-200°С.
Расчет удельного выброса вредных веществ в г/(кВт ч) производится по формулам, приведенным в стандарте.
Дизель считается соответствующим требованиям стандарта, если величины удельных выбросов СО, СН и NOX за испытательный цикл не превышают норм, указанных в табл.4.3.
Таблица 4.3
Нормы выбросов вредных веществ с ОГ дизелей
Удельные выбросы	Норма, г/(кВт-ч)
Оксид углерода, не более	9,5
Углеводороды, не более	3,4
| Оксиды азота, не более	18,35
В Европе испытания проводятся в соответствии с Правилами № 49.02В по 13-режимному тесту (рис.4.3), который отличается от теста по ОСТ 37.000.234-81 (табл.4.2) нагрузкой на режимах №2 и №12. Согласно Правилам №49.02В эта нагрузка составляет 10% от максимальной, а по ОСТ 37.001.234-81 она равна 2%.
55
Рис.4.3.13-режимный Европейский тест
Второе отличие заключается в величинах весовых факторов. Весовой фактор режима (в процентах) по Правилам №49.02В указан цифрой около кружка с номером режима (рис.4.3). Например, для режима №11 он составляет 2%, а для всех трех режимов холостого хода (№1,7,13) равен 25%.
Третье различие между двумя стандартами заключается в том, что по Правилам №49.02В нормируется не дымность ОГ, а выброс частиц (г/(кВт-ч)).
Для определения частиц при сертификационных испытаниях применяется так называемый разбавительный туннель (рис. 4.4).
Отработавшие газы из дизеля направляются в туннель, одна сторона которого через воздушный фильтр связана с атмосферой, а другая подсоединена к пробоотборнику постоянного объема. Разбавление ОГ воздухом с температурой 2О...ЗО°С делается для того, чтобы избежать конденсации водяных паров, содержащихся в ОГ до отбора пробы, направляемой к фильтру. Из туннеля отобранная проба ОГ при постоянном расходе прокачивается через специальный стандартный фильтр, температура на входе в него должна быть не выше 52°С,
эбы смоделировать конденсацию. Фильтрующий элемент взвеши-
ется с
ысокой точностью до и после отбора пробы. По разности
казаний весов определяется содержание частиц в пробе. После ета соотношения расходов через туннель и фильтр определяется >щий выброс частиц. Иногда (см. схему на рис. 4.4) к пробе, направ-емой в фильтр, добавляется дополнительный воздух, для чего слу-IT вторичный разбавительный туннель.
Смесительный канал
Воздушный ГЗ фильтр
Туннель d~500 мм
Отбор проб постоянного объема
Постоянный поток проб
Двигатель отработав- Вторичный разбави-шие газы тельный туннель (необязательный)
1) Разбавительный туннель CVS на полном потоке
Смесительный канал
Воздушный фильтр
уннель d= 100 мм
Постоянный туннельный поток
Фильтр
Регулирование доли проб отработавших газов _________ Отработав (пневматическое сопло) Двигатель шРие газы
| 2) Система типа частичного отбора проб
Постоянный поток проб
Рис.4.4. Разбавительные туннели:
- полнопоточный; 2 - частично поточный микротуннель
Таким образом, частицами называются все вещества, улавливае-«ые стандартным фильтрующим элементом.
Частицы состоят из сажи, частиц металла, углеводородов, частиц ласла, сульфатов, серы и воды. Полученное фирмой AVL соотношение лежду массой различных составляющих частиц в процентах на двух >ежимах дизеля с непосредственным впрыскиванием и турбонаддувом 1риведено в табл. 4.4.
Из данных, приведенных в табл.4.4, следует, что важным резервом уменьшения выброса частиц является снижение количества масла, поддающего в цилиндр.
57
Таблица 4.4
^\^Состав час-^'\тиц, % Режим	Сажа + металл	СН (топливо)	СН (масло)	S	Н2О
п = 1000 мин'1, " нагрузка = 80%	41	4	6	21	28
п = 1700 мин'1, нагрузка = 16%	18	13	52		io
Измерение частиц с помощью полнопоточного разбавительного туннеля требует дорогого и громоздкого оборудования, и поэтому оно используется только при окончательных сертификационных испытаниях.
При доводочных работах выброс частиц оценивают более простыми и дешевыми приборами:
•	дымомером, работающим по методу фильтрования фиксированного объема пробоотбора и характеризующим дымность в единицах Bosch;
•	частично поточным разбавительным микротоннелем (рис.4.4).
Нормы предельно допустимых выбросов вредных веществ при сертификации грузовых автомобилей и автобусов с дизелями, установленные Правилами №49, указаны в табл.4.5.
Таблица 4.5
Вредные веще-ства, г/(кВт-ч)
Евро 0 1990 г
Евро I
1993 г
Евро II 1996 г
Евро III 2000 г
Евро IV 2005 г
Евро V > 2006 г
СН
NOX
0,46
14,4
8,0
| Частицы
0,15
5,0 0,10
0,02
0,46 2,0 0,02
*) - проект;
- для двигателей мощностью менее 85 кВт норма повышается в
1,7 раза.
В ближайшей перспективе в РФ весьма вероятна замена ОСТ
37.001.234-81 на стандарт, соответствующий Правилам №49.02В, с бо
лее поздними сроками ввода норм.
Для сравнения на рис.4.5 показаны американский, европейский и японский тесты (циклы испытаний) для оценки токсичности и дымности ОГ дизелей. Японский тест так же, как и европейский, реализуется на тринадцати установившихся режимах, из них два режима (№1 и N 4) - на холостом ходу. В европейском тесте большой вес имеют режимы внешней характеристики, а в японском - средние нагрузки. Следовательно, в европейском тесте акцент сделан на выброс частиц, а в японском на выброс NOX. Американский тест реализуется на быстропеременных режимах, а потому предъявляет существенно более высокие требования к системе управления нагрузкой и частотой вращения, а также к газоаналитической аппаратуре и определению частиц, выброс которых возрастает на 25...30% по сравнению со стационарными режимами.
58
он га
со о> о ч- OJ
Рис. 4.5 Тесты испытаний для оценки токсичности и частиц ОГ дизелей
59
4.4. Контроль дымности ОГ при стендовых испытаниях дизелей
Дымность ОГ измеряют у дизелей, прошедших предварительные, приемочные и периодические испытания. По ГОСТ 17.2.2.01-84 дымность (оптическая плотность) ОГ при стендовых испытаниях дизелей измеряют на режимах внешней скоростной характеристики и на режиме свободного ускорения.
На каждом режиме внешней скоростной характеристики дымность измеряют три раза, при этом разность результатов измерений не должна превышать 4%. За результат измерений принимают среднее арифметическое значение трех измерений.
Дымность на режиме свободного ускорения измеряют по возможности сразу после измерений по скоростной характеристике, при этом дизель должен быть отсоединен от тормоза.
От минимальной частоты вращения холостого хода быстрым, но плавным перемещением до упора рычага управления устанавливают максимальную подачу топливного насоса. Такое положение рычага сохраняется до достижения максимальной частоты вращения, ограничиваемой регулятором. При этом по шкале измерительного прибора фиксируют максимальное значение дымности. Дымность на режиме свободного ускорения измеряют восемь раз. За результат измерения принимают среднее арифметическое четырех последних измерений, разность между которыми не должна превышать 4%.
Дымность ОГ автомобильных дизелей при испытании на установившихся режимах не должна превышать предельно допустимые нормы (Кдоп). которые приведены в табл.4.6 в зависимости от условного расхода отработавших газов Gor
Gor = iVh n / 2 - для четырехтактных дизелей;
Gor = iVh n - для двухтактных дизелей,
где iVh - рабочий объем цилиндра, дм3; п - частота вращения коленчатого вала, с'1 (об/с).
Таблица 4.6
Дымность на режиме свободного ускорения не должна превышать максимальную дымность, измеренную при испытаниях данного дизеля на установившихся режимах внешней скоростной характеристики. Для дизелей с газотурбинным наддувом дымность на режиме свободного ускорения не должна превышать более, чем на 10% максимальную дымность, измеренную на внешней скоростной характеристике.
В Европе аналогичные испытания регламентированы Правилами №24.
о
. СНИЖЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ И ДЫМНОСТИ ОГ ДИЗЕЛЕЙ
Для снижения токсичности и дымности ОГ дизелей используются все ути, указанные в п.1.5, а именно: совершенствование процессов смесеобразования и сгорания; нейтрализация ОГ в системе выпуска;
улучшение качества топлива (снижение содержания серы и ароматических углеводородов, специальные присадки, использование альтернативных топлив);
уменьшение расхода углеводородного топлива.
Главные трудности, которые сильно осложняют улучшение экологи-еских показателей дизелей путем улучшения процессов смесеобразо-ания и сгорания, связаны с тем, что мероприятия, способствующие меньшению NOX, как правило, вызывают рост выброса частиц. С дру-эй стороны, использование нейтрализаторов затруднено из-за наличия большого количества частиц сажи и кислорода (нейтрализация NOX) в )Г, а также их относительно невысокой температуры.
5.1.	Совершенствование процессов смесеобразования
и сгорания
1400	2200 п, мин’1
’ис.5.1. Дымность и токсичность ЭГ дизелей по внешней скоростной характеристике.
----- разделенная камера сгора-
-шя;------неразделенная камера
згорания
Чем меньше рабочий объём цилиндра, тем сложнее организовать качественное смесеобразование, поэтому максимальная температура цикла уменьшается, что приводит к снижению выброса NOX, а выбросы СО и СН возрастают. При увеличении степени сжатия в дизелях с неразделенной камерой во время сгорания образуется больше NOX, но меньше СО И СН. Увеличение степени сжатия при разделенных камерах уменьшает выброс NOX и увеличивает количество сажи в ОГ. Наибольшее дымление имеет место при полной нагрузке (а = 1,2...1,3) и малой частоте вращения, а также на режимах разгона дизелей с турбонаддувом.
На первых этапах ограничения токсичности и дымности ОГ дизелей и, в частности, при введении норм Евро I (см.таблицу 4.5) достаточно было реализовать относительно про-
стые мероприятия по организации
61
смесеобразования и сгорания, а также немного уменьшить угол опережения впрыскивания.
Практика показала, что выполнение норм на токсичность и дымность ОГ достигается тем легче, чем больше диаметр цилиндра дизеля. В то же время небольшие дизели для легковых автомобилей имели, как правило, разделенную камеру сгорания, которая в смысле токсичности и дымности ОГ обладает определенными преимуществами перед неразделенной камерой (рис.5.1).
Это объясняется тем, что в предкамере или вихревой камере процесс сгорания происходит при пониженных температурах и а. Догорание заряда в основной камере также идет при относительно невысоких температурах. По этим причинам в дизелях с разделенными камерами сгорания образуется меньше NOX, чем в дизелях с камерой сгорания в поршне.
Догорание топлива в основной камере происходит при большом избытке воздуха, что способствует уменьшению выброса СО, СН и сажи.
Токсичность и дымность ОГ дизелей с неразделенной камерой сильно зависят от мелкости распыливания топлива, интенсивности вихревого движения заряда и согласования ее с параметрами факела и частотой вращения коленчатого вала.
В дизелях с пристеночным смесеобразованием, особенно на режимах пуска и прогрева, имеет место повышенный выброс СН и СО.
Совершенствование процессов смесеобразования и сгорания заключается в поиске компромисса между выбросами NOX, частиц и топливной экономичностью.
При этом следует иметь в виду, что уменьшение выброса СО, СН и сажи сопровождается улучшением топливной экономичности.
Повышение скорости сгорания вызывает рост выброса NOX, хотя топливная экономичность при этом также улучшается.
Наконец, совершенствование процессов смесеобразования и сгорания существенно осложняется тем, что мероприятия, ведущие к уменьшению выброса частиц, как правило, вызывают рост выброса NOX (рис.5.2).
Например, распыливание топлива на более мелкие капли улучшает полноту сгорания и снижает тем самым выброс частиц, но возрастающие температуры цикла обусловливают увеличение образования NOX.
Дизели грузовых автомобилей имеют, как правило, неразделенную камеру. Что же касается дизелей в существующем ныне парке легковых автомобилей, то примерно 80% из них имеют вихревую камеру или предкамеру. Современная тенденция развития дизелей для легковых автомобилей выражается в переходе от разделенных камер к неразделенным, что позволит улучшить топливную экономичность примерно на 15%. Для легковых автомобилей созданы дизели с неразделенной камерой сгорания, которые работают с минимальным расходом топлива 200 г/(кВт*ч).
Ниже главное внимание будет уделено токсичности и дымности ОГ автомобильных дизелей с неразделенной камерой.
Новые модели дизелей все чаще имеют по 4 клапана на каждый ци-индр. В этом случае и форсунка, и камера сгорания располагаются по си цилиндра, что облегчает организацию смесеобразования и сгора-ия. Кроме того, появляется возможность управлять интенсивностью вижения заряда и добиваться одновременно снижения выброса час-иц и NOX особенно на средних нагрузках.
Рис.5.2. Взаимосвязь между выбросами сажи и NOX (п = 1500 мин1; ре= 0, 3 МПа)
При наддуве обычно увеличивают а по внешней скоростной характеристике, и это способствует снижению токсичности ОГ и выброса частиц. Это снижение увеличивается при использовании промежуточного охлаждения воздуха, так как при охлаждении воздуха возрастает концентрация кислорода в заряде. Например, дизели с турбонаддувом и промежуточным охлаждением воздуха позволяют по сравнению с безнаддувными дизелями снизить выброс NOX и частиц примерно на 30%, а улучшение топливной экономичности при этом доходит до 8%.
Поэтому несмотря на то, что в производстве дизель с наддувом примерно на 20% дороже безнаддувного, он имеет бесспорные перспективы.
5.2.	Впрыскивание и распыливание топлива
Характеристики впрыскивания и распыливания топлива оказывают очень большое влияние на смесеобразование и сгорание топлива, а следовательно, и на образование, и выброс токсических веществ.
Чтобы избежать повышенного выброса NOX и снизить шум, подачу топлива в начале впрыскивания (примерно в течение периода задержки воспламенения) желательно уменьшить. Радикальным в этом смысле
63
решением может быть так называемое ступенчатое впрыскивание. С другой стороны, увеличение длительности впрыскивания и растянутый конец подачи вызывают повышенное сажеобразование и, как следствие этого, увеличение выброса частиц.
При подвпрыскивании в цилиндр дополнительно подается небольшое количество топлива, которое плохо распыливается и сгорает на линии расширения с образованием СО, СН и сажи.
После посадки иглы на седло пузырьки газа в подыгольном объеме
расширяются в результате подогрева и вытесняют топливо в камеру сгорания, где создается локальное обогащение смеси, что приводит к увеличению выброса СН. Особенно это может проявляться в дизелях с камерой сгорания в поршне, у которых подыгольный объем \/и составляет 0,3...5 мм3. Влияние этого объема на содержание СН в ОГ иллюстрирует рис.5.3. В современных форсунках этот объем практически
отсутствует.
Увеличение мелкости распыливания повышает скорость и полноту сгорания. Результатом этого является уменьшение выброса сажи, но
одновременно возрастает выброс NOX.
Рис.5.3. Влияние подыгольного объема распылителя (V„) на выброс СН (дизель с неразделенной камерой)
Повышение давления впрыскивания - основной способ улучшения мелкости распыливания. В связи с этим современные насосы с электронным управлением (насос-форсунка, встроенный односекционный, роторный распределительный или аккумуляторная система с электро-гидравлической форсункой) уже обеспечивают для высокооборотных дизелей с наддувом давление впрыскива-
ния порядка 130...180 МПа, а на ближайшее будущее предусматривается его увеличение до 200 МПа.
Влияние давления впрыскивания зависит от испытательного теста.
При испытаниях по Правилам № 83.03 при увеличении рвпр выброс частиц значительно уменьшается, тогда как выброс NOX может оставаться постоянным. С другой стороны, в японском тесте при снижении выброса частиц наблюдается увеличение выброса NOX. Это в основном связано с разными "центрами тяжести" (весовыми факторами) испытательных тестов (см. 4.3).
Увеличение рВПр на частичных нагрузках, когда отношение задержки
самовоспламенения к длительности впрыскивания велико, влияет на
4
•бразование NOX сильнее, чем при полной нагрузке, когда это отноше-1ие относительно мало. Увеличение количества сопловых отверстий |ри неизменной общей площади их сечений вызывает рост выброса 4ОХ (рис.5.4,а). Влияние количества сопловых отверстий на образова-1ие сажи более сложное, наименьшее ее количество наблюдается при <екотором среднем количестве отверстий.
Уменьшение диаметра распыливающих отверстий (при оптималь-юм их количестве) приводит к увеличению длительности и давления впрыскивания, при этом существенно уменьшаются выбросы сажи при ^значительном росте выбросов NOX (рис.5.4,б). Следовательно, при оптимизации выбросов NOX и частиц необходимо обеспечить наименьшее возможное значение диаметра сопловых отверстий при умеренном 4Х количестве.
Общая площадь сечений - 0,248 мм
Количество распыливающих отверстий
Диаметр распыливающих отверстий
Рис.5.4. Влияние количества i и диаметра d сопловых отверстий на выбросы NOX и сажи (среднее эффективное давление в цилиндре рв = 0,775 МПа):
а)	влияние количества отверстий при неизменной их общей площади сечения;
б)	влияние диаметра распыливающих отверстий при неизменном количестве отвертсий.
5.3.	Управление углом опережения впрыскивания
Угол опережения впрыскивания <р0 впр обусловливает значительное изменение длительности периода задержки воспламенения 0! и доли топлива, впрыснутого за этот период, что сказывается на продолжительности диффузионного сгорания. Например, если 0т сокращается, то доля топлива, впрыснутого до начала быстрого сгорания AV,, становится меньше, а дымность ОГ (К) соответственно возрастает (рис.5.5).
65
При уменьшении ср0 впр в результате снижения температуры сгорания образование NOX значительно замедляется, но при этом топливная экономичность несколько ухудшается. Несмотря на это, современные дизели на ряде режимов работают с началом впрыскивания в ВМТ или
впрыскивания (<ро влр) на дымность дизеля с неразделенной камерой сгорания:
-----без наддува; - - - с наддувом
Электронное управление современными	системами
впрыскивания дает возможность широко использовать изменение угла опережения впрыскивания с целью существенного влияния на токсичность и дымность ОГ дизелей. Например, как отмечалось выше, при увеличении рвпр снижается выброс сажи, но возрастает выброс NOX и максимальное давление газов в цилиндре (pz). Если же при увеличении рвпр несколько понизить <р0 впр, то можно добиться заметного уменьшения выброса сажи при приемлемых значениях выброса NOX и величины pz. На режимах прогрева целесообразно уменьшать <р0 впр для ускорения прогрева стартового и основного нейтрализаторов (см. 5.5).
5.4.	Рециркуляция ОГ
Рис.5.6. Выбросы NOX и сажи в зависимости от степени рециркуляции Rc;
п = 2000 мин1; среднее эффективное давление рв = 0,2 МПа
Как и в двигателях с искровым зажиганием (см. 3.2), рециркуляция ОГ используется в дизелях с целью уменьшения выброса NOX (рис. 5.6).
Схема системы рециркуляции ОГ в дизеле показана на рис.5.7.
При увеличении степени рециркуляции возрастает длительность задержки воспламенения и уменьшается скорость тепловыделения. Эти эффекты усилива-
гея при охлаждении рециркулирующих газов. Поэтому целесообразно еличивать опережение и давление впрыскивания. На полных нагрузках ^циркуляция или отсутствует или минимальна, так как вызывает значи-!льный рост выброса сажи и снижение мощности, поэтому она целесо-Зразна на средних и малых нагрузках.
При испытаниях по 13-ти режимному тесту до 8... 10% выброса NOX з и ходится на режим холостого хода. По этой причине, а также с целью нижения шума рециркуляция на холостом ходу достигает значительной эличины (до 50%). В целом при испытаниях по 13-ти режимному тесту иеньшение выброса NOX при рециркуляции может составить 30...75%.
Рис.5.7. Схема системы рециркуляции ОГ в дизеле:
1 - электронный блок управления; 2 - клапан рециркуляции; 3 - нейтрализатор; 4 - измеритель расхода воздуха
Охлаждение рециркулирующих газов приводит к уменьшению выброса NOX и частиц при сопоставимых степенях рециркуляции. Этот эффект более значим при больших степенях рециркуляции.
67
Для высокооборотного дизеля с наддувом, аккумуляторной системой впрыскивания и электрогидравлической форсункой опыты показали высокую эффективность охлаждения рециркулирующих газов (снижение NOX и дымности ОГ при неизменном расходе топлива), если обеспечить оптимальное управление степенью рециркуляции и охлаждением ОГ.
В то же время испытания по 13-ти режимному японскому тесту без-наддувного дизеля (рВПр=1ООО бар) для грузового автомобиля показали, что охлаждение рециркулирующих газов весьма слабо влияет на выброс NOX и частиц.
При наддуве подача рециркулирующих газов осложняется из-за повышенного давления во впускном трубопроводе. Задача решается или путём подвода газов на вход в компрессор или путём эжекции.
Создание надежного и эффективного теплообменника для охлаждения рециркулирующих газов представляет собой сложную задачу из-за отложений и загрязнений, выделяемых этими газами.
Клапаны рециркуляции изготавливаются с пневматическим или электрическим приводом, а в конструкции клапанов широко используются нержавеющие материалы.
Преимущество электрического привода из-за большего быстродействия, особенно при электронном управлении, проявляется на переменных режимах. Например, при испытаниях тяжелых дизелей по Американскому п есту (FTP-75) электрический привод клапана по сравнению с пневматическим уменьшает выброс NOX на 10%, а частиц на 8%.
Наличие большого количества частиц в ОГ дизелей делает более сложным обеспечение надежности работы системы рециркуляции из-за загрязнений и отложений. Твердые частицы, поступающие в цилиндр с рециркулирующими газами, увеличивают его износ, поэтому при использовании рециркуляции целесообразно применять топливо с малым содержанием серы и фильтровать рециркулирующие газы.
Рециркуляция в настоящее время уже широко применяется на многих европейских легковых автомобилях с безнаддувными дизелями, не снижая их надежности и долговечности. Выполнение норм Евро II дизелями с наддувом малой мощности (Правила 83.03) требует охлаждения наддувочного воздуха, но не требует рециркуляции ОГ.
Практика показывает, что для выполнения норм Евро II (Правила № 49) и современных норм Японии средними и большими дизелями без наддува рециркуляция также не требуется. Однако для выполнения автомобилями с дизелями норм Евро III или японских норм 1998 г. она, как правило, применяется.
Использование рециркуляции для мощных дизелей в перспективе может быть затруднено требованиями рынка обеспечить пробег больших грузовиков 1 млн. км (Европа) и 1 млн. миль (США) до капитального ремонта. В связи с этим влияние рециркуляции на долговечность средних и больших дизелей нуждается в проверке.
58
5.5.	Нейтрализация ОГ
В настоящее время применение для дизелей получили лишь катали-гические окислительные нейтрализаторы. Они достаточно широко используются для быстроходных дизелей легковых автомобилей и небольших грузовиков. Этому способствует то, что температура ОГ этих дизелей достаточна для окисления СН, СО, растворимых органических составляющих частиц и альдегидов, а с другой стороны, она недостаточна для образования большого количества сульфатов. При высоких температурах в нейтрализаторе сначала выходящий из цилиндров SO2 окисляется до SO3, а затем SO3 реагирует с парами воды, органическими и неорганическими частицами, образуя сульфаты, которые существенно увеличивают количество частиц. Например, при испытании дизеля грузовика Mercedes ОМ 366 по 13-ти режимному Европейскому тесту получено, что доля сульфатов в общей массе частиц составила без нейтрализатора (выброс частиц 0,282 г/(кВт ч)) - 30%, а с нейтрализатором (выброс частиц 0,658 г/(кВт ч)) - 57%. По этой причине использование каталитических окислительных нейтрализаторов для дизелей грузовых автомобилей затруднено.
Так как дизель всегда работает на бедной смеси, дополнительной подачи воздуха в систему выпуска с окислительным нейтрализатором не требуется, но с другой стороны, наличие частиц в ОГ снижает долговечность нейтрализатора.
После обработки ОГ дизелей в каталитическом окислительном нейтрализаторе при температуре выше 300°С концентрация СО уменьшается на 85...90%, а СН - на 75...80%.
Рис.5.8. Влияние нейтрализатора на выбросы СО, СН, NOX и частиц (испытания по тесту ЕСЕ + EUDC):
А - без нейтрализатора, В - с основным нейтрализатором, С - с основным и стартовым нейтрализаторами: - - нормы Евро III (предложение Европейского парламента); 1 - растворимые углеводороды, 2 - нерастворимые углеводороды
69
При температуре менее 300°С эффективность этого нейтрализатора невысока. Поэтому для нейтрализации ОГ на режимах пуска и прогрева кроме основного нейтрализатора используется также стартовый нейтрализатор, который понижает выбросы не только СО, СН и растворимых углеводородов в частицах, но и NOX (рис.5.8).
Более широкое применение окислительные нейтрализаторы могут получить после введения для дизелей норм Евро III (Правила № 49.02В) и Евро IV (Правила № 83.03).
Использовать для дизелей обычный трехкомпонентный нейтрализатор для уменьшения выброса NOX не представляется возможным, так как он эффективно функционирует только при а=1,0 (см.3.3.2).
5.6.	Перспективные методы снижения токсичности ОГ и выброса частиц дизелями
Используемые сейчас методы оптимизации процессов смесеобразования и сгорания, а также рециркуляция ОГ и окислительные нейтрализаторы не всегда обеспечивают выполнения дизелями норм Евро III и тем более норм Евро IV (2005 г.). Поэтому ведутся интенсивные поиски новых способов снижения токсичности ОГ и выброса частиц дизелями.
Принципиально возможны два основных направления решения проблемы снижения выброса NOX и частиц:
•уменьшение до нормативного значения количества NOX на выходе из цилиндра и снижение выброса частиц путем улавливания их в системе выпуска;
•уменьшение до нормативного значения частиц на выходе из цилиндра и нейтрализация NOX в системе выпуска.
5.6.1.	Улучшение состава топлива и присадки
Свойства дизтоплива оказывают заметное влияние на эмиссию токсичных веществ. Например, при испытаниях по соответствующим стандартам увеличение цетанового числа топлива уменьшает выброс ЫОХ дизелями грузовых автомобилей (рис.5.9), но приводит к увеличению выброса частиц высокооборотными дизелями легковых автомобилей.
Одновременно с этим для всех дизелей наблюдается снижение выброса СН и СО. Чем больше в дизтопливе легких фракций, тем более однородным будет состав смеси в камере сгорания, что приведет к снижению дымности ОГ и содержания в них NOX.
Сложную проблему создает присутствие в дизтопливе серы. В частности, как уже отмечалось выше, при работе дизеля с каталитическим окислительным нейтрализатором в последнем при повышенных температурах идет интенсивный процесс образования сульфатов, что резко увеличивает выброс в атмосферу частиц. С 1996 г. в Европе использу-
о
тся дизтопливо с содержанием серы 0,05%. В будущем дальнейшее нижение содержания серы в топливе существенного уменьшения вы-роса частиц уже не даст (рис.5.10). 1
Рис.5.9. Влияние цетанового числа топлива на выброс NOX
0	0,05	0,10	0,15	0,20
Содержание серы, %
Рис.5.10. Выброс частиц в зависимости от содержания серы в дизтопливе
Уменьшение содержания в дизтопливе'’ароматических углеводородов может заметно снизить выброс дизелями канцерогенных веществ.
71
Изменение состава дизтоплива и разработка новых присадок к нему направлены, в первую очередь, на уменьшёние эмиссии NOX и частиц. Прогнозируется, что изменение состава дизельного топлива в перспективе может дать 10% снижения NOX и 30% уменьшения сажи в ОГ.
Известно, что добавка к дизтопливу в количестве до 1 % антидымных присадок, например, на основе бария, марганца или тетраэтилсвинца позволяет в несколько раз понизить дымность ОГ и содержание в них альдегидов и бенз(а)пирена. Использование спиртов в качестве добавок к дизельному топливу сопровождается значительным снижением дымности ОГ при одновременном уменьшении выбросов NOX и СО. Однако выбросы СН при этом сильно возрастают.
Разработка новых недорогих присадок к дизтопливу, которые способствовали бы существенному снижению выброса сажи из цилиндров или облегчали бы регенерацию фильтров (улавливателей) частиц (см.5.6), является очень актуальной задачей. Уже опробован ряд присадок на основе железа и меди, которые понижают температуру выгорания углеродосодержащих частиц до 300...400 °C и тем самым способствуют регенерации фильтров.
Уменьшение выброса NOX может быть достигнуто подачей воды во впускной трубопровод или цилиндр дизеля. В последнем случае вода может впрыскиваться одновременно с топливом или в виде водотопливной эмульсии. Чаще используют эмульсии типа "вода в топливе", когда вода является внутренней фазой и составляет 10...40% по объему.
После подачи эмульсии в цилиндр капельки воды диаметром 2...5 мкм вследствие испарения дают "микровзрывы", которые улучшают смесеобразование топлива с воздухом.
При добавке воды в количестве 30% (по массе) к дизтопливам концентрация NOX снижается примерно на 30%. Одновременно снижается дымность ОГ и выбросы СО. Снижение выбросов NOX линейно зависит от величины добавки воды и увеличивается при увеличении нагрузки, угла опережения впрыскивания или частоты вращения вала. Однако добавка воды для подавления образования NOX наталкивается на ряд практических трудностей, связанных с возможностью ее замерзания, расслоением эмульсии (особенно при низких температурах), появлением коррозии и увеличением износа некоторых деталей.
5.6.2.	Альтернативные топлива для дизелей
Одним из перспективных заменителей дизтоплива может стать ДМЕ - диметилэфир (СН3-О-СН3). Его основные преимущества: бездымное сгорание, уменьшение выброса NOX и шума (табл.5.1).
Приведенные в табл.5.1 данные получены при испытаниях по 13-ти режимному Европейскому циклу одноцилиндрового дизеля
= 2000 см3, турбонаддув, охлаждение воздуха), которые показали наковые мощностные и экономические показатели на обоих топливах.
Таблица 5.1
лливо	Выбросы, г/(кВт ч)			Макс, шум ДБ(А)
	NOX	СН	Частиц	
ЛЕ	1,6	0,3	0,025*	78
дельное	3,8	0,3	0,08	88
з поступившего в цилиндр масла.
Считается, что дизель, работающий на ДМЕ, может без рециркуля-f и нейтрализатора отвечать даже такому стандарту, как калифор-1ский ULEV, т.е. использование ДМЕ целесообразно для дизелей, плуатирующихся в крупных городах с большими транспортными по-
ами.
Принципиально важным прёимущёством ДМЕ является ёго бездым-5 сгорание, что при исключении попадания в цилиндр повышенного 1ичества масла существенно облегчает решение проблемы выброса :тиц и надежной работы каталитического нейтрализатора.
Технология изготовления ДМЕ заключается в конверсии природного ia, угля или биомассы путем реформинг-процесса в синтез-газ (СО + I, который затем путем прямого процесса превращается в ДМЕ.
Сравнение некоторых характеристик ДМЕ и дизтоплива приведено в зл.5.2.
Таблица 5.2
эпливо
% по массе
Н 13 14
Т еплота сгорания топлива
МДж/кг
Плотность
г/см3
0,66
0,84
Теоретич. колич. воздуха* кг/кг
Цетановое число
9,0
14,6
55...60
40...55
Соличество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания кг топлива
При работе на ДМЕ время на смесеобразование и задержку воспла-энения сокращается, а холодный запуск существенно облегчается.
Необходимое давление впрыскивания ДМЕ составляет всего 300 бар. 0 МПа) Объем топливного баллона для ДМЕ должен быть примерно та->й же величины, как объем бензобака (при равном пробеге автомобиля), эи t = 20 ° С давление насыщенных паров ДМЕ равно 5 бар (0,5 МПа), )этому баллон должен выдерживать давление 8...9 бар (0,8-0,9 МПа).
Общие затраты на изготовление, транспортировку и хранение, т.е. а всю инфраструктуру для ДМЕ лишь примерно на 6% больше, чем пя дизтоплива, но значительно меньше, чем для бензина.
73
Благоприятные технические и экономические предпосылки для применения ДМЕ в дизелях, а также широкая сырьевая база позволяют считать ДМЕ хорошей альтернативой дизтопливу.
В качестве другого альтернативного топлива для дизелей может ис-
пользоваться растительное масло из рапса. В чистом виде использовать
рапсовое масло нельзя, так как его сгорание вызывает закоксовывание форсунок, образование отложений в топливной системе и смол в смазочной системе.
Однако после соответствующей переработки рапсового масла с использованием спирта может быть получено топливо (табл.5.3), близкое по своим характеристикам к ДМЕ. Из-за присутствия в нем метилэфира оно получило обозначение RME.
Таблица 5.3
Топливо	% по массе				Теплота сгорания	Плотность	Теоретич. колич. воздуха	Цетановое число
	С	Н	О	S	МДж/кг	г/см3	кг/кг	
RME	77,5	12,2	10,2	<0,001	37,5	0,883	12,6	50...54
Дизельное	86	14	а	0,05	42,5	0,84	14,6	40..55
Основные экологические преимущества RME в качестве топлива для дизелей: уменьшение выбросов СН и частиц, а также полициклических ароматических углеводородов.
Испытания дизеля Mercedes ОМ 401 LA показали, что при работе на RME по внешней скоростной характеристике крутящий момент и мощность снижаются примерно на 7...8% по сравнению с работой на дизтопливе. При испытаниях по 13-ти режимному Европейскому тесту двух дизелей для грузовых автомобилей, а также по циклам ECE/EUDC (Европейский) и FTP-75 (Американский) легковых автомобилей «Ауди» и «Фольксваген» на RME по сравнению с работой на дизтопливе зарегистрировано снижение выброса СН, частиц и полициклических ароматических углеводородов в среднем на 80%. При этом выброс NOX вырос на 5...10%, что можно считать несущественным.
RME обладает еще двумя важными преимуществами. Во-первых, сырьем для его изготовления служит биомасса, поэтому RME можно считать возобновляемым энергоносителем. Во-вторых, при производстве RME расходуется такое же количество СО2, которое выделяется при его сжигании в дизеле. Таким образом, относительно СО2 имеет место замкнутый круговорот.
Перспективы применения для RME меньше, чем для ДМЕ, так как для выращивания рапса могут быть выделены ограниченные площади земли.
r4
5.6.3.	Использование газового топлива
Перевод дизелей на газовое топливо позволяет снизить токсичность л дымность ОГ при одновременном уменьшении затрат на топливо.
Для дизелей легковых автомобилей применяется как сжиженный, так и сжатый природный газ. Разница во влиянии сжатого или сжиженного газа на экологические показатели двигателя была рассмотрена в 3.1.
Дизели грузовых автомобилей переводятся на питание, как правило, сжатым газом, так как использование для них сжиженного газа заметно увеличивает затраты на топливо (относительно сжатого газа). Сжиженный газ находит применение на некоторых городских автобусах.
Дизели конвертируют или в газодизели, или в газовые двигатели с
искровым зажиганием.
Конвертирование в газодизель технически проще, и, кроме того, сохраняется возможность при необходимости работать по дизельному процессу, т.е. только на дизельном топливе. Для газодизеля возможно качественное регулирование нагрузки. Однако целесообразнее вести смешанное регулирование, которое позволяет избежать большого обеднения смеси и связанного с ним значительного выброса СН при
соответствующем ухудшении экономичности.
При конвертировании дизеля в газовый двигатель с искровым зажиганием можно использовать количественное регулирование нагрузки, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор и стехиометрическую смесь
(см.3.3.2). Технически реализация этого способе оказывается достаточно сложной, хотя она обеспечивает наилучшие показатели по токсичности ОГ.
Второй вариант, получивший преимущественное распространение,
заключается
использовании сильно обеднённых смесей (для умень-
шения выброса NOX) и каталитического окислительного нейтрализато
ра. Применение нейтрализатора при переводе на газовое топливо значительно облегчается (по сравнению с дизелем) отсутствием в ОГ сажи или малым ее количеством (в газодизеле).
Перевод дизелей на чисто газовый процесс получает большее распространение, чем на газодизельный. Экономичность газового двигателя на 15...20% хуже, чем дизеля, и на 5...10% хуже, чем газодизеля. Мощностные показатели безнаддувного дизеля при переводе на газ могут быть сохранены, если на режимах внешней скоростной характеристики соответственно уменьшить коэффициент избытка воздуха (примерно до а = 1,2), что, однако, создает трудности с выполнением норм на выброс NOX и увеличивает теплонапряженность ряда деталей. При переводе на газ дизеля с наддувом этой проблемы можно избежать, увеличив давление наддува и сохранив "дизельное" значение а по внешней характеристике. Контроль токсичности ОГ газобаллонных автомобилей (с искровым зажиганием) в условиях эксплуатации должен проводиться по ГОСТ Р 17.2.02.06-99 (см.2.2).
75
5.6.4.	Нейтрализатор DENOX
Для нейтрализации оксидов азота путем их восстановления в выпускной системе разрабатываются нейтрализаторы, получившие название DENOX (см. 3.4.4.) или селективных.
Эти нейтрализаторы должны работать с подачей в систему выпуска (до нейтрализатора) аммиака NH3, мочевины (NH2)2CO или углеводородного топлива для химического связывания свободного О2 в ОГ.
При использовании аммиака восстановление NO идёт по реакции: 4NH3 + 4NO + О2 = 4N2 + 6 Н2О
Снижение концентрации NOX в ОГ может в селективных нейтрализаторах при температуре 300...420°С достигать 90%.
В случае использования аммиака или мочевины на борту автомобиля необходимо иметь специальные емкости и систему дозирования, обеспечивающую подачу в соответствии с режимом работы дизеля. На случай передозировки, а также для снижения выброса растворимой органической части частиц, СО, СН и альдегидов вместе с DENOX должен работать и каталитический окислительный нейтрализатор.
Если же для восстановления NOX использовать углеводороды, то удобнее всего было бы подавать в систему дизельное топливо. Однако эффективность системы нейтрализации в этом случае оказывается невысокой. Лучшие результаты получаются при подаче дизтоплива в цилиндр после окончания сгорания, когда температура в цилиндре еще достаточно высока. Это обеспечит лучшее использование дополнительной дозы дизтоплива. В целом, же несмотря на соответствующий расход аммиака, мочевины или углеводородного топлива, ожидается сохранение общей экономичности дизеля из-за того, что сгорание в нем не нужно будет ухудшать рециркуляцией или поздними углами впрыскивания для уменьшения образования NOX. Для этого степень восстановления NOX в нейтрализаторе DENOX должна быть не ниже 30...45%.
В качестве катализатора для DENOX применяют медь и цеолит (эффективен при t > 350°С) или платину и цеолит (эффективен^' при t > 200°С). Поэтому условия применения нейтрализатора DENOX более благоприятны для дизелей грузовых автомобилей.
5.6.5.	Фильтры для частиц
Очистить ОГ от частиц с помощью соответствующих фильтров (ловушек) можно сравнительно легко. Однако фильтры при этом быстро забиваются, а противодавление на выпуске сильно возрастает. Разрабатываются фильтры двух основных типов: с навивкой керамической нити в несколько слоёв на перфорированные стальные трубки и монолитный керамический.
Наибольшее применение получила керамика из кордиерита, который не размягчается до 1400°С, имеет коэффициент теплового расши
76
рения около нуля и структуру с большой пористостью. Фильтр для легкового автомобиля имеет размеры порядка 150x150 мм, а для грузовых автомобилей и автобусов 300x300 мм. Лучшие образцы фильтров работают в течение 10...12 часов (до 550 км пробега).
Очистка самих фильтров представляет собой очень сложную проблему. Ее можно решать или путем замены фильтрующих элементов или путем их регенерации на борту автомобиля.
В последнем случае используется электроэнергия или специальные горелки, обеспечивающие выжигание отложений на фильтре.
Чтобы частицы выгорели полностью температуру фильтра необхо-
димо увеличить не менее, чем до 800°С. За время регенерации (3...5 мин) расходуется около 0,5 л топлива при мощности горелки около 25 кВт (для двигателя мощностью 150 кВт). Главная трудность свя-
зана с необходимостью равномерного нагрева всего объёма фильтра и неравномерным распределением в нём сажи.
Для интенсификации
ыжигания сажи используют катализаторы
(благородные металлы или медь), которые понижают температуру вос
пламенения сажи с 600...700°С до 300...400°С. Управление регенерацией автоматизируется: включение и выключение регенерации, поддержание температуры на уровне 700°С.
Сложность и стоимость таких систем регенерации высоки, а надёж-
ность недостаточна.
Делаются попытки создания специальных ловушек, в которых используются электрические поля в сочетании с центрифугированием.
Создание надежных и недорогих фильтров и ловушек является делом будущего. Пока они применяются лишь в тех случаях, когда автомобиль эксплуатируется в закрытых помещениях или на некоторых автобусах, работающих в центральной части города.
Для дизеля легкового автомобиля Peugeot в 2000 г использован фильтр твёрдых частиц фирмы PSA. Он установлен после окислительного нейтрализатора (в одном корпусе). Блок фильтра изготавливается из карбида кремния. Регенерация требуется через каждые 400...500 км. Она эффективно идёт при температуре не менее 550°С, но в условиях город
ской езды температура в нейтрализаторе составляет только 150...200°С. Поэтому система Common-Rail по сигналу датчика температуры даёт ещё одно впрыскивание (на такте расширения), что увеличивает температуру в нейтрализаторе до 450°С. Выжиганию частиц способствуют присадка к топливу церия в количестве 5 л на 80 тыс. км пробега. После каждых 80 тыс. км пробега фильтр обрабатывается очистителем высокого давления. Эксплуатационный расход топлива при применении этого фильтра возрастает, примерно, на 3 %, а в условиях городской езды - до 5 %.
В перспективе фильтры и ловушки могут оказаться необходимыми для удовлетворения норм Евро IV или ULEV.
77
ЛИТЕРАТУРА
1.	В.А. Звонов. Токсичность двигателей внутреннего сгорания: - М.: Машиностроение, 1981. -160 с.
2.	Двигатели внутреннего сгорания, кн.1/Под ред. В.Н. Луканина. - М.: Высшая школа, 1995. - 368 с.
3.	В.Ф. Кутенёв, В.Ф. Каменев. Вредные выбросы автомобильных двигателей: нормирование и методы измерений. — М., МГТУ-МАМИ, 1999. - 67 с.
78
СОДЕРЖАНИЕ
ВЕДЕНИЕ...................................................3
1.	ТОКСИЧНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЫДЕЛЯЕМЫЕ ДВИГАТЕЛЕМ..............5
1.1.	Двигатель как источник выброса токсичных веществ....5
1.2.	Образование токсичных веществ в цилиндрах двигателя.5
1.3.	Озон, смог, кислотные дожди и парниковый эффект.........10
1.4.	Роль автомобильного транспорта в загрязнении атмосферы..11
1.5.	Основные пути снижения токсичности ОГ................13
2.	НОРМИРОВАНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ОГ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСКРОВЫМ
ЗАЖИГАНИЕМ................................................ 14
2.1.	Общие положения.................................. ...14
2.2.	Контроль токсичности ОГ при эксплуатации автомобилей.16
2.3.	Контроль токсичности ОГ на стенде с беговыми барабанами.18
2.4.	Стендовые испытания двигателя по 9-режимному циклу......24
2.5.	Контроль выброса картерных газов........................25
2.6.	Контроль выброса углеводородов с испарениями из системы питания......................................................26
2.7.	Испытания на надежность устройств для снижения токсичности ОГ...26 а
3.	СНИЖЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ОГ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ................................................27
3.1.	Совершенствование систем топливоподачи и зажигания......27
3.2.	Рециркуляция ОГ.........................................29
3.3.	Нейтрализация ОГ........................................33
3.3.1.	Окислительные каталитические нейтрализаторы..........33
3.3.2.	Трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы.......35
3.3.3.	Снижение выброса СН при пуске и прогреве двигателя...39
3.3.4.	Термические нейтрализаторы...........................41
79
3.4.	Перспективные методы снижения токсичности ОГ двигателей с искровым зажиганием.....................................42
3.4.1.	Новые топлива....................................42
3.4.2.	Расслоение смеси. Двигатели с впрыскиванием бензина в цилиндр..............................................44
3.4.3.	Использование бедных смесей. Отключение части цилиндров.,46
3.4.4.	Адсорбционно-каталитический нейтрализатор.......47
4.	НОРМИРОВАНИЕ ТОКСИЧНОСТИ И ДЫМНОСТИ ОГ ДИЗЕЛЕЙ...50
4.1.	Общие положения...................................50
4.2.	Контроль дымности ОГ при эксплуатации дизелей.....51
4.3.	Контроль токсичности ОГ дизеля на тормозном стенде...53
4.4.	Контроль дымности ОГ при стендовых испытания дизелей.59
5.	СНИЖЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ И ДЫМНОСТИ ОГ ДИЗЕЛЕЙ.............60
5.1.	Совершенствование процессов смесеобразования и сгорания...60
5.2.	Впрыскивание и распиливание топлива...............62
5.3.	Управление углом опережения впрыскивания..........64
5.4.	Рециркуляция ОГ...................................65
5.5.	Нейтрализация ОГ................................  68
5.6.	Перспективные методы снижения токсичности ОГ и выброса частиц дизелями........................................69
5.6.1.	Улучшение состава топлива и присадки............69
5.6.2.	Альтернативные топлива для дизелей..............71
5.6.3.	Использование газового топлива..................74
Ь	1
5.6.4.	Нейтрализатор DENOX.............................75
5.6.5.	Фильтры для частиц..............................75
ЛИТЕРАТУРА...............................................77