К.т.н. Туленов А.Т.
Южно-Казахстанский государственный университет
имени М.Ауезова,
г. Шымкент, Республика Казахстан
Влияние режима работы автомобиля на токсичность отработавших газов
Проблемы экологической безопасности
подвижного состава автомобильного транспорта являются составной частью
экологической безопасности любой страны. Значимость и острота этой проблемы растет с каждым годом.
Один автомобиль ежегодно поглощает из
атмосферы в среднем более 4т кислорода, выбрасывая при этом с отработавшими
газами примерно 800кг угарного газа, 40кг оксидов азота и почти 200кг различных
углеродов.
С точки зрения наносимого экологического
ущерба, автотранспорт лидирует во всех видах негативного воздействия:
загрязнения воздуха – до 80%, шум – 50%, воздействие на климат – около 65%.
Вызывает тревогу тот факт, что, несмотря на проводимую работы, выбросы
загрязняющих веществ в атмосферу от автотранспортных средств увеличивается в
год в среднем на 3,2%.
Одним из путей повышения экологической
безопасности автотранспорта является сокращение вредных выбросов в окружающую
среду двигателями автомобилей до уровня, отвечающего жестким европейским нормам
(см. табл.).
Работа двигателя автомобиля
характеризуется частой сменой скоростных и нагрузочных режимов, каждому из
которых соответствует определенное количество токсичных веществ в отработавших
газах. Их концентрация изменяется в
широких пределах в зависимости от отдаваемой двигателем мощности,
температурного режима, частоты вращения коленчатого вала, квалификация водителя
и др. Для каждого режима существуют
теоретические
Таблица
Нормы токсичности автомобилей
для развитых европейских стран
|
Наименования стандартов |
Год введения |
Содержание в выхлопе, г/кВт
ч |
|||
|
NOx |
CO |
CxHy |
Твердые частицы |
||
|
Евро – 0 Евро – 1 Евро – 2 Евро – 3 Евро – 4 Евро – 5 |
1988 1993 1996 1999 2005 2008 |
14,4 8,0 7,0 5,0 3,5 2,0 |
11,2 4,5 4,0 2,0 1,5 1,5 |
2,5 1,1 1,1 0,6 - - |
0,36 0,15 0,10 - - |
идеальные составы горючей смеси,
обеспечивающие минимальное количество токсичных веществ в продуктах сгорания.
Автомобили, движущиеся с постоянной скоростью, выделяют меньше токсичных
веществ, чем автомобили, движущиеся неравномерно. В реальных условиях
эксплуатации ДВС автотранспортных средств в городской черте работают при
непрерывном изменении режимов: различают два режима движения: городской, около
пяти переключений передачи на 1 км пути и шоссейный – на порядок меньше.
В качестве основных
показателей, определяющих вид рабочего режима, рассматривают: число оборотов
коленчатого вала, нагрузку, тепловое состояние двигателя. При работе
автотранспортных средств режим работы в городских условиях являются
неустановившимися, что видно из уравнения тягового баланса автомобиля:
,
где Мк – крутящий момент двигателя; 
– передаточное
отношение КП и РК; 
– передаточное
отношение главной передачи; 
– радиус качения колеса автомобиля; 
– механический КПД
трансмиссии; 
– приведенный к оси
коленчатого вала момент инерции всех
движущихся масс автомобиля; w – угловая
скорость коленчатого вала; KF – коэффициент
обтекаемости автомобиля; v – скорость автомобиля; m – масса автомобиля; g – ускорение свободного падения; j – коэффициент
сопротивления качению; 
– число колес
автомобиля; 
– момент инерции
колеса; 
– угловая
скорость колес; 
– ускорение движения
(замедления) автомобиля.
Если составляющая
правой части уравнения тягового баланса автомобиля постоянна, то режим
считается установившимся, что на практике почти исключено.
Следует добавить, что
к числу эксплуатационных факторов, оказывающих существенное влияние на уровень
токсичных выбросов, можно отнести: условия движения автомобиля (режимы работы
двигателя); угол опережения зажигания или впрыска топлива; температуру окружающей
среды; техническое состояние двигателя.
В отработавших газах
двигателей с искровым зажиганием в период замедления движения автомобиля
содержится большое количество углеводородов.
Максимальный выброс СО
наблюдается при работе на холостом ходу, а при ускоренном движении автомобиля
отработавшие газы характеризуются максимальным выбросом NOx. На рисунке показана зависимость состава отработавших
газов от режима движения автомобиля. При движении автомобиля с постоянной
скоростью количество токсичных выбросов значительно меньше.
Дизельные двигатели в отличие от
карбюраторных двигателей при работе на неустановившихся режимах выделяют
значительно меньше токсичных компонентов. В период разгона автомобиля с
дизельным двигателем значительно увеличивается дымность отработавших газов, но
при этом наблюдается только несущественное возрастание
концентрации СО, CnHm и NO2. При торможении двигателем содержание токсичных
компонентов и сажи
I – холостой
ход; II – разгон; III – установившийся режим; IV – замедление
Рисунок –
Зависимость состава отработавших газов от режима движения
автомобиля
в отработавших газах практически снижается
до нуля.
В двигателях с
искровым зажиганием существенное влияние на процесс сгорания и, следовательно,
и на токсичность выброса оказывают коэффициент избытка воздуха и угол
опережения зажигания. Поэтому, правильно подбирая указанные параметры с точки
зрения оптимальных условий процесса сгорания во всем диапазоне режимов работы
двигателя, можно значительно снизить выброс токсичных компонентов (СО и CnHm), являющихся продуктами некачественного сгорания
топлива.
Изучение режимов
движения автомобилей в областном центре г. Шымкент показало, что
продолжительность работы легкового автомобиля на холостом ходу составляет
22-28%, на режимах ускорения 20-25%, постоянной скорости 27-37% и замедления –
23-27% от общего баланса времени пребывания автомобиля на линии. Содержания
описи углерода и углеводородов на холостом ходу, режимах ускорения, а так же
при замедлении автомобиля достигают максимального значения. Указанные
соотношения баланса времени работы автомобиля не оптимальны для снижения токсичности
отработавших газов.
Автомобиль в городских
условиях движется относительно небольшую часть времени с установившейся
скоростью. Степень загрязнения воздуха отработавшими газами зависят от
интенсивности автомобильного движения, времени дня, метеорологических условий и
др.
Между концентрацией
окиси углерода в воздухе и интенсивностью автомобильного движения существует
корреляционная зависимость. Повышения интенсивности автомобильного движения с
2000 автомобили в час до 4000 увеличивает содержание окиси углерода в воздухе с
0,0005 до 0,0017%, т.е. практически в три раза. Максимальная концентрация окиси
углерода в рабочие дни отмечается дважды: в утреннее и вечернее время, а в
выходные и праздничные дни – только вечером, что согласуется с интенсивностью
транспортных потоков в указанные часы суток. Интенсивность транспортных потоков
в особенности в центральной части города ежегодно увеличивается на 5-10%.
Литература
1.
Матвеев Ю.А. и др.
Прогнозирование и управление экологической безопасностью при реализации сложных
технических проектов. – М.: Изд-во МАИ, 2005.
2.
Луканин В.Н. и др.
Автртранспортные потоки и окружающая среда.– М.: ИНФРА, 2001. – 646 с.
3.
Двигатели внутреннего
сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов /Луканин В.Н. и др. – М.:
Высшая школа, 1995