Образование смеси
Дизельное топливо характеризуется более высокой температурой кипения, чем бензин. В дизеле отводится меньше времени на приготовление топливо-воздушной смеси, что является одной из: причин ее меньшей однородности. Диком в них воздуха (А > 1); недостаточное количество воздуха в смеси приводит к увеличению выброса сажи, СО и СН.
Процесс сгорания
Сгорание начинается при впрыскивании топлива через форсунку. Время впрыскивания оказывает основное влияние на эффективный к. п. д. двигателя. Повышение температуры сгорания увеличивает образование в отработавших газах оксидов азота (NOx).
Мероприятия по снижению токсичности отработавших газов
Конструктивные мероприятия
Камера сгорания
Двигатели с разделёнными камерами сгорания обеспечивают получение меньших концентраций оксидов азота в отработавших газах, чем двигатели с непосредственным впрыском топлива. С другой стороны, последние характеризуются лучшей топливной экономичностью. Для получения рабочей смеси, обеспечивающей полное сгорание, вихревое движение воздуха в камере сгорания должно сочетаться с правильно подобранным факелом топлива.
Впрыскивание топлива
Позднее впрыскивание позволяет снизить выброс оксидов азота (NOx), однако слишком позднее впрыскивание приводит к увеличению расхода топлива и повышенному выбросу углеводородов (СН) Увеличение на 1° (по углу поворота коленчатого вала) начала впрыскивани; может привести к повышению на 5% выбросов NOx, в то время как выбросы СH при этом могут увеличиться на 15%. Электронные системы управления: способны поддерживать оптимальны момент впрыскивания с высокой степенью точности. Очень высокая точность может быть достигнута за счет управления началом впрыскивания непосредственно через форсунку при использовании датчика перемещения игольчатого клапана (управление началом впрыскивания топлива). Топливо, попадающее в камеру сгорания после окончания процесса сгорания, будет поступать непосредственно в выпускную систему в несгоревшем виде повышая уровень выбросов углеводородов в отработавших газах. Для предотвращения этого явления объем топлива между посадочным отверстием форсунки и распылительным наконечником должен быть минимальным. Необходимо также исключить подтекание топлива из форсунки и позднее впрыскивание. Мелкодисперсная струя распыла топлива способствует образованию оптимальной смеси топлива с воздухом. Мелкодисперсный распыл, снижающий выброс сажи (твердых частиц) и углеводородов, может быть получен при высоком давлении впрыскивания и оптимальной геометрии отверстий распылителя. Коэффициент избытка воздуха должен быть не ниже А =1,1.-.1,2.
Температура воздуха на впуске
Чем выше температура воздушного заряда, тем выше температура сгорания с пропорциональным увеличением выбросов оксидов азота. На двигателях с турбонаддувом охлаждение сжатого воздуха на впуске (промежуточное охлаждение) представляет эффективный способ снижения NOx.
Cостав и температура отработавших газов
Рециркуляция отработавших газов
Часть отработавших газов направляется во впускную систему для уменьшения количества кислорода в свежем заряде с одновременным увеличением его теплоемкости. Оба этих фактора приводят к понижению температуры сгорания и, таким образом, снижению образования NO. Повышенное количество рециркулируемых газов вызывает более высокие выбросы сажи и оксида углерода из-за недостатка воздуха в смеси. Поэтому количество рециркулируемых отработавших газов должно быть ограничено.
Очистка отработавших газов
Выброс углеводородов может быть уменьшен при использовании в выпускной системе каталитических нейтрализаторов. В них часть газообразных углеводородов, включая и те, что соединяются с твердыми частицами (сажа), сгорают в присутствии кислорода, содержащегося в отработавших газах. Для снижения выбросов твердых частиц (сажи) в настоящее время используются специальные фильтры, устанавливаемые в выпускной системе автомобиля.
Испытания двигателей на токсичность
Все более ужесточающиеся нормы определяют снижение предельного содержания количества токсичных комонентов в отработавших газах. Эти выбросы могут быть замерены при заданных определенных условиях работы двигателя. >
Схема испытаний
Как правило, выбросы токсичных веществ с отработавшими газами двигателей определяются на стенде с беговыми барабанами (для легковых автомобилей) или на испытательном моторном стенде (грузовые автомобили). Многие нормы предельного содержания токсичных компонентов в отработавших газах и методы испытаний автомобилей на токсичность были впервые внедрены в США, где способ отбора проб (газа) постоянного объема был применен в качестве эффективного способа для контроля за выбросом твердых частиц при динамических испытаниях. При этой процедуре отработавшие газы разбавляются отфильтрованным окружающим воздухом и отбираются посредством ротационного насоса во время стандартизованного цикла испытаний. Разбавление отработавших газов воздухом устраняет вероятность конденсации в них влаги и одновременно удерживает их температуру на уровне, требуемом для измерения содержания твердых частиц (52°С). Одна проба пропускается через специальный бумажный фильтрующий элемент, где осуществляется определение уровня выброса твердых частиц за счет измерения увеличения массы пробы.
Вторая нагретая проба газа направляется в пламенно-ионизационный детектор, в котором производится непрерывный контроль за концентрацией углеводородов. Третья проба отправляется в сборник отработавших газов. После окончания цикла испытаний его содержимое направляется в газоанализатор, где производятся замеры концентраций СО, МОх и СО2. Расчеты для определения уровней выбросов различных компонентов отработавших газов базируются на данных об объеме смеси газов и концентрации отдельных их компонентов. В США для проверки легковых и грузовых автомобилей на токсичность отработавших газов применяются одни и те же методы и газоанализаторы. Отработавшие газы обычно разбавляются дважды, что дает возможность пропускать большие объемы газа через трубопроводы приемлемого размера. В европейском цикле испытаний также применяется разбавление части газового потока воздухом при замерах содержания твердых частиц в отработавших газах. После измерений концентрации твердых частиц проводятся дополнительные проверки непрозрачности этих газов как в стационарных условиях, так и при движении с полной нагрузкой.
Испытательные циклы и нормы токсичности в Европе
Легковые и малотоннажные грузовые автомобили
Нормы предельной токсичности отработавших газов,принятые в Европе,базируются на Директивах R15 ЕЭК и 70/220 ЕЭС, а также дополнениях к этим документам. Существующие нормы для малотоннажных грузовиков (полной массой менее 3,5 т) указаны в Директиве 93/59 ЕС/ЕЭС. Менее строгие нормы применяются для дизелей с непосредственным впрыскиванием топлива.
Предельная токсичность отработавших газов легковых автомобилей (с числом сидений 6 и более, массой 3.9т
Оборудование, используемое для испытаний на токсичность
Испытания дизелей на токсичность осуществляются как в виде дополнительной процедуры, так и во время проведения регулярных техосмотров автомобилей. Для этой цели применяются два стандартизованных метода. По первому методу определенное количество отработавшего газа пропускается через фильтрующий элемент. Степень обесцвечивания фильтра характеризует содержание сажи в отработавших газах. Абсорбционный метод (испытание на непрозрачность или потемнение газа) основан на определении снижения яркости луча света, пропускаемого через отработавшие газы. Определение дымности отработавших газов дизелей должно осуществляться под нагрузкой. Здесь наиболее распространены два разных метода проведения испытаний: испытания при полной нагрузке, осуществляемые на испытательной трассе с торможением автомобиля; испытания при свободном ускорении с кратковременным нажатием на педаль газа; нагрузка при этом создается возвратно-поступательно перемещающимися и вращающимися массами самого двигателя, работающего в режиме ускорения.
Дымомер (оптический метод)
Насос прокачивает часть отработавших газов, поступающих из пробоотборного зонда через камеру. Это необходимо для уменьшения влияния колебаний давления отработавших газов на результаты испытаний. Через отработавшие газы, находящиеся в испытательной камере, пропускаются световые лучи. Фотоэлементы регистрируют снижение интенсивности света после прохождения камеры; это снижение соответствует непрозрачности Т (в %) или коэффициенту абсорбции k. Для получения полных и точных результатов испытательная камера должна иметь определенную длину. Во время испытаний под нагрузкой обеспечивается непрерывный процесс измерений дымности с индикацией получаемых данных. Дымомер автоматически определяет максимальное значение и производит расчет среднего значения для нескольких периодов подачи газа.
Дымомер (метод прокачки через фильтр)
Устройство обеспечивает пропуск определенного количества отработавших газов через бумажный фильтрующий элемент. На каждой стадии испытаний осуществляется регистрация объемов анализируемого газа, что позволяет получить полные и сравнимые между собой результаты. Система также позволяет контролировать и компенсировать действие других факторов (давления, температуры и др.). Для оптико-электронной оценки почернения фильтрующей бумаги применяется
светоотражающий фотометр. Результаты представляются в виде показателя сажесодержания Бош или массовой концентрации сажи в газе (мг/м3).
Нормы Евросоюза по токсичности отработавших газов легких грузовиков
Краткая история вопроса
Нормы токсичности отработавших газов (ОГ) новых малотоннажных коммерческих автомобилей утверждены Директивой 70/220/ЕЕС, которая впоследствии много раз дополнялась. Наиболее важные дополнения:
• Стандарты Euro 1: Директива 93/59/EEC (легковые автомобили и легкие грузовики);
• Стандарты Euro 2 (EC 96): Директивы 94/12/EC и 96/69/ЕС;
• Стандарты Euro 3/4 (2000/2005): Директива 98/69/ЕС с последующими дополнениями в 2002/80/ЕС;
• Стандарты Euro 5/6 (2009/2014): от 20 июня 2007 г. Часть стандартов, в которой описываются методики испытаний, коэффициенты ухудшения и принимаемые каждым государством–членом ЕС индивидуально исправленные нормы содержания твердых частиц РМ, будет окончательно утверждена 2 июля 2008 г.
Топливо. Вместе со стандартами 2000/2005 гг. были введены более строгие нормы по топливу: цетановое число для дизельного топлива должно быть не менее 51 (c 2000 г.); содержание серы в дизельном топливе – не более 350 ррм (с 2000 г.) и 50 ррм (c 2005 г.); содержание серы в бензине – не более 150 ррм (c 2000 г.) и 50 ррм (c 2005 г.). Бессернистое дизтопливо и бензин (10 ррм S) должны быть в продаже с 2005 г. и станут обязательными с 2009 г.
Измерение токсичности ОГ. Токсичность ОГ измеряется по Новому европейскому ездовому циклу на беговых барабанах для шасси NEDC (ECE 15 + EUDC). С 2000 г. (Euro 3) в эту методику внесено изменение: был исключен 40-секундный период прогрева двигателя перед началом отбора пробы ОГ. Эта измененная методика испытаний на холодный пуск получила название NEDC, или MVEG-B. Токсичность ОГ выражается в г/км.
В проект норм Euro 5/6 включена новая методика измерения массового содержания твердых частиц (сажи) в ОГ (подобная методике, предусмотренной в нормах США 2007 г.). В этих стандартах также устанавливаются количественные нормы предельного содержания твердых частиц в ОГ (методика РМР) в дополнение к значениям предельного содержания по массе. Для норм Euro 5/6 добиться соответствия содержания твердых частиц по массе можно только с помощью «закрытых» сажевых фильтров. Введение количественных значений предельного содержания предотвращает возможность разработки в будущем «открытых» фильтров, которые понижают содержание в ОГ твердых частиц по массе, но дают возможность проходить через фильтры большому количеству ультрамелких частиц сажи.
Нормы токсичности ОГ. Нормы содержания токсичных составляющих в ОГ легких коммерческих автомобилей представлены в табл. 1. Начиная с Euro 2 вводятся различные нормы токсичности для дизельных и бензиновых автомобилей. Для дизельных устанавливаются более жесткие нормы на содержание СО, но может быть более высоким содержание NOx. У бензиновых автомобилей не ограничивается содержание сажи до норм Euro 4 включительно. В Euro 5/6 устанавливаются нормы содержания по массе твердых частиц в ОГ бензиновых автомобилей. Количественные значения равны для автомобилей с дизельными двигателями и с бензиновыми с непосредственным впрыском.
Все даты, указанные в таблицах, относятся к Новым одобрениям типа транспортного средства. В Директивах ЕС также указывается вторая дата – на один год позже (если не указано иное), которая относится к первой регистрации (ввод в эксплуатацию) существующих транспортных средств, получивших Одобрение типа ранее.
Числовые значения содержания твердых частиц (сажи) в ОГ. В проекте будущих норм числовые значения содержания твердых частиц устанавливаются на уровне 5·1011 км -1 (методика РМР, Новый европейский ездовой цикл NEDC) и вступают в действие с нормами Euro 5/6 для всех категорий автомобилей с дизельными двигателями (N1, N2). Количественные нормы содержания твердых частиц (сажи) в ОГ должны выполняться наряду с нормами содержания твердых частиц по массе, приведенными в табл. 1.
Для автомобилей с бензиновыми двигателями количественные нормы содержания твердых частиц не устанавливаются.
| Категория* | Нормы токсичности | Дата введения | СО | СН | СН+NOx | NOx | Твердые частицы (сажа) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Дизельные | |||||||
| N1, Класс I, ≤1305 кг | Euro 1 | окт. 1994 | 2,72 | – | 0,97 | – | 0,14 |
| Euro 2, IDI | янв. 1998 | 1,0 | – | 0,70 | – | 0,08 | |
| Euro 2, DI | янв. a 1998 | 1,0 | – | 0,90 | – | 0,10 | |
| Euro 3 | янв. 2000 | 0,64 | – | 0,56 | 0,50 | 0,05 | |
| Euro 4 | янв. 2005 | 0,50 | – | 0,30 | 0,25 | 0,025 | |
| Euro 5 | сент. б 2009 | 0,50 | – | 0,23 | 0,18 | 0,005 д | |
| Euro 6 | сент. 2014 | 0,50 | – | 0,17 | 0,08 | 0,005 д | |
| Euro 1 | окт. 1994 | 5,17 | – | 1,40 | – | 0,19 | |
| Euro 2, IDI | янв. 1998 | 1,25 | – | 1,0 | – | 0,12 | |
| Euro 2, DI | янв. a 1998 | 1,25 | – | 1,30 | – | 0,14 | |
| N1, Класс II, 1305…1760 кг | Euro 3 | янв. 2001 | 0,80 | – | 0,72 | 0,65 | 0,07 |
| Euro 4 | янв. 2006 | 0,63 | – | 0,39 | 0,33 | 0,04 | |
| Euro 5 | сент. в 2010 | 0,63 | – | 0,295 | 0,235 | 0,005 д | |
| Euro 6 | сент. 2015 | 0,63 | – | 0,195 | 0,105 | 0,005 д | |
| Euro 1 | окт. 1994 | 6,90 | – | 1,70 | – | 0,25 | |
| Euro 2, IDI | янв. 1998 | 1,5 | – | 1,20 | – | 0,17 | |
| Euro 2, DI | янв. a 1998 | 1,5 | – | 1,6 | – | 0,20 | |
| N1, Класс III >1760 кг | Euro 3 | янв. 2001 | 0,95 | – | 0,86 | 0,78 | 0,10 |
| Euro 4 | янв. 2006 | 0,74 | – | 0,46 | 0,39 | 0,06 | |
| Euro 5 | сент. в 2010 | 0,74 | – | 0,350 | 0,280 | 0,005 д | |
| Euro 6 | сент. 2015 | 0,74 | – | 0,215 | 0,125 | 0,005 д | |
| Бензиновые | |||||||
| N1, Класс I, ≤1305 кг | Euro 1 | окт. 1994 | 2,72 | – | 0,97 | – | – |
| Euro 2 | янв. 1998 | 2,2 | – | 0,50 | – | – | |
| Euro 3 | янв. 2000 | 2,3 | 0,20 | – | 0,15 | – | |
| Euro 4 | янв. 2005 | 1,0 | 0,1 | – | 0,08 | – | |
| Euro 5 | сент. б 2009 | 1,0 | 0,10 е | – | 0,06 | 0,005 г, д | |
| Euro 6 | сент. 2014 | 1,0 | 0,10 е | – | 0,06 | 0,005 г, д | |
| Euro 1 | окт. 1994 | 5,17 | – | 1,40 | – | – | |
| Euro 2 | янв. 1998 | 4,0 | – | 0,65 | – | – | |
| N1, Класс II, 1305…1760 кг | Euro 3 | янв. 2001 | 4,17 | 0,25 | – | 0,18 | – |
| Euro 4 | янв. 2006 | 1,81 | 0,13 | – | 0,10 | – | |
| Euro 5 | сент. в 2010 | 1,81 | 0,13 ж | – | 0,075 | 0,005 г, д | |
| Euro 6 | сент. 2015 | 1,81 | 0,13 ж | – | 0,075 | 0,005 г, д | |
| Euro 1 | окт. 1994 | 6,90 | – | 1,70 | – | – | |
| Euro 2 | янв. 1998 | 5,0 | – | 0,80 | – | – | |
| N1, Класс III >1760 кг | Euro 3 | янв. 2001 | 5,22 | 0,29 | – | 0,21 | – |
| Euro 4 | янв. 2006 | 2,27 | 0,16 | – | 0,11 | – | |
| Euro 5 | сент. в 2010 | 2,27 | 0,16 з | – | 0,082 | 0,005 г, д | |
| Euro 6 | сент. 2015 | 2,27 | 0,16 з | – | 0,082 | 0,005 г, д | |
DI – двигатели с непосредственным впрыском; IDI – предкамерные двигатели.
а – до 30 сентября 1999 г. (после этой даты двигатели с непосредственным впрыском (DI) должны будут соответствовать нормам для предкамерных двигателей (IDI); б – январь 2011 г. для всех моделей; в – январь 2012 г. для всех моделей; г – применимо только к автомобилям с двигателями с непосредственным впрыском; д – предлагается изменить на 0,003 г/км, используя методику испытаний РМР; е – и методику NMHC=0,068 г/км; ж – и методику NMHC=0,090 г/км; з – и методику NMHC=0,108 г/км.
* Для Euro 1/2 классы по массе, соответствующие категории N1: Класс I ≤1250 кг, Класс II 1250…1700 кг, Класс III >1700 кг.
Надежность сохранения уровня токсичности ОГ. Сроки эксплуатации автомобилей, в течение которых должен сохраняться уровень токсичности ОГ, составляют:
- Euro 3 – 80 000 км пробега, или 5 лет (в зависимости от того, что наступит раньше); вместо фактического испытательного пробега производители могут использовать следующие коэффициенты ухудшения: 1,2 для СО, СН, NOx (бензин) или 1,1 для СО, NOx, СН+ NOx и 1,2 для твердых частиц (дизель);
- Euro 4 – 100 000 км, или 5 лет (в зависимости от того, что наступит раньше);
- Euro 5/6 – при соответствующих условиях эксплуатации: 100000 км или 5 лет; проверка надежности сохранения качества работы устройств снижения токсичности ОГ для Одобрения типа транспортного средства: 160 000 км, или 5 лет (в зависимости от того, что наступит раньше).
Прочие условия. В нормах содержится ряд дополнительных условий:
- государства Евросоюза могут вводить налоговые льготы за досрочный ввод в эксплуатацию автомобилей, соответствующих будущим экологическим нормам;
- нормы токсичности ОГ для холодного пуска (–7 °С) автомобилей с бензиновыми двигателями введены с 2002 г. (Директива 2001/100/ЕС), для легковых автомобилей норма составляет 15 г/км СО и 1,8 г/км СН; токсичность измеряется только на городских режимах ездового цикла;
- системы контроля токсичности ОГ должны диагностироваться бортовой системой автомобиля.
Требования по бортовой диагностике автомобиля. Начиная с норм Euro 3 автомобили должны оборудоваться бортовыми диагностическими системами для контроля токсичности ОГ. Водитель должен быть извещен в случае неисправности или ухудшения работы системы контроля токсичности ОГ, которое может вызвать повышение токсичности ОГ выше допустимого предела, указанного в табл. 2 (нормы для Euro-4 – предлагаются). Допустимые величины основаны на ездовом цикле NEDC (холодный пуск ЕСЕ+EUDC). Чтобы отличить эти требования от требований по бортовой диагностике США (US OBD), они называются EOBD – Европейские требования по бортовой диагностике.
| Категория | Класс | Нормы токсичности | Дата введения | СО | СН | NOx | Твердые частицы (сажа) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Дизельные | |||||||
| N1 | I | EU 3 | 2005 г. | 3,20 | 0,40 | 1,20 | 0,18 |
| EU 4 | 2005 г. | 3,20 | 0,40 | 1,20 | 0,18 | ||
| II | EU 3 | 2006 г. | 4,00 | 0,50 | 1,60 | 0,23 | |
| EU 4 | 2006 г. | 4,00 | 0,50 | 1,60 | 0,23 | ||
| III | EU 3 | 2006 г. | 4,80 | 0,60 | 1,90 | 0,28 | |
| EU 4 | 2006 г. | 4,80 | 0,60 | 1,90 | 0,28 | ||
| Бензиновые | |||||||
| N1 | I | EU 3 | 2000 г. | 3,20 | 0,40 | 0,60 | – |
| EU 4 | 2005 г. | 1,90 | 0,30 | 0,53 | – | ||
| II | EU 3 | 2001 г. | 5,80 | 0,50 | 0,70 | – | |
| EU 4 | 2005 г. | 3,44 | 0,38 | 0,62 | – | ||
| III | EU 3 | 2001 г. | 7,30 | 0,60 | 0,80 | – | |
| EU 4 | 2005 г. | 4,35 | 0,47 | 0,70 | – | ||
Примечание. Ряд требований по бортовой диагностике разъяснены в Директиве 1999/102/ЕС. Даты введения в действие требований по бортовой диагностике для автомобилей с двигателями на газе (сжиженном или натуральном) приведены в Директиве 2001/1/ЕС.