Технические науки / 4. Транспорт

Поливодин Э.С.

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса, Россия

Исследование токсичности отработавших газов

инжекторного двигателя ВАЗ 21124 в лабораторных

условиях

Источником токсичных выбросов, как известно, является не автомобиль в целом, а непосредственно его двигатель. С ежегодным увеличением автомобильного парка России увеличиваются выбросы вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами. Их суммарная доля в некоторых регионах страны достигает 80% от всех загрязняющих выбросов. Ежегодно в процентном соотношении выбросы вредных веществ от автомобильного транспорта увеличивается на 2-5% [1]. Из-за отсутствия фактического контроля компетентных органов за техническим состоянием автомобилей на дорогах можно встретить транспортные средства, которые на основе визуального анализа можно отнести к источникам повышенной экологической опасности, т.е. выпускная система неисправна [2], а некоторые автовладельцы могут снимать со своих автомобилей нейтрализаторы отработавших газов с целью увеличения мощностных характеристик своих автомобилей, тем самым увеличивая токсичные выбросы.

Важнейшее влияние на состав отработавших газов автомобильных двигателей оказывает качество топливо-воздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Состав смеси характеризует коэффициент избытка воздуха λ (в технической литературе иногда обозначается как коэффициент α). Коэффициент избытка воздуха – это отношение реального количества воздуха в смеси к теоретически необходимому, тому, что соответствует полному сгоранию. Идеальный случай когда λ=1, это означает что смесь состоит из 15 частей воздуха и 1 части бензина (углеводородного топлива), последнее сгорает полностью и при этом образуется всего лишь 2 компонента – углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). При полном сгорании углеводородного топлива (бензина) концентрация СО2 будет наиболее максимальна [3].

Обогащение смеси, т.е. увеличение в ней содержания топлива (λ<1), при воспламенении в связи с недостатком кислорода приведёт к образованию продуктов неполного сгорания углеводородного топлива (бензина) – оксид углерода (СО) и несгоревшие углеводороды (СН). Обедняя смесь (λ>1) первоначально приведёт к понижению концентрации СО и СН в отработавших газах, а при λ=1,1 содержание СО и СН минимизируется. Однако последующее обеднение топливо-воздушной смеси, несмотря на избыток кислорода, ухудшает сгорание топлива, появляются задержки воспламенения, двигатель теряет устойчивую работу, в связи с чем в выхлопных газах доля продуктов неполного сгорания особенно СН – увеличивается [3].

На практике идеального процесса сгорания углеводородного топлива не бывает, поскольку незначительная часть углеводородного топлива оседает на стенках камеры сгорания (КС). Кроме того, по объёму камеры сгорания смесь однородно не перемешивается. Это свидетельствует о постоянном присутствии некоторой концентрации оксида углерода и углеводородов в составе отработавших газов (ОГ).

Качество топливо-воздушной смеси влияет не только на состав отработавших газов, но и на основные технические характеристики двигателя – мощность и экономичность. Максимальную мощность двигателя обеспечивает богатая топливом смесь, а наибольшая экономичность проявляется при бедной топливо-воздушной смеси.

Для снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами в окружающую среду на автомобильные двигатели устанавливают выпускные коллекторы с каталитическими нейтрализаторами (катоколлекторы, катализаторы). Они, в свою очередь, обеспечивают доокисление (дожигание) оксида углерода, углеводородов, углекислого газа, т.е. в нейтрализаторах протекает процесс преобразования вредных соединений до безвредных. У двигателей, имеющих нейтрализаторы отработавших газов, концентрация вредных веществ значительно ниже, чем у двигателей без нейтрализаторов отработавших газов.

В процессе горения углеводородного топлива в атмосферу вместе с выхлопными газами попадает более двухсот различных компонентов и химических соединений. Из них к наиболее вредным для экологии относят всего три компонента: угарный газ (СО) – составляющий большую часть загрязнений от автомобиля (бесцветный, без запаха газ, вызывает головную боль, потерю сознания и угрожает жизни человека); углеводороды (СН) – выделяется из камеры сгорания цилиндров двигателя из-за неполного сгорания углеводородного топлива, оказывает своё влияние на образовании смога и озона; окислы азота (NОx) – элемент полного процесса сгорания, увеличивается при росте температуры горения, в больших концентрациях вызывает лёгочные заболевания.

Бурное развитие моторной техники обуславливает необходимость ужесточения требований к их экологической безопасности. Данная проблема может решаться в двух направлениях: первое – создание электромобилей, работающих за счёт подзарядки от сети постоянного тока, но тогда теряются скоростные характеристики и снижается непрерывность работы автомобиля, кроме того, увеличиваются выбросы в атмосферу загрязняющих веществ от предприятий, занимающихся выработкой электроэнергии (ТЭЦ, АЭС), второе – ужесточение требований к топливу (переход на ЕВРО-3,4,5), но и это мероприятие не повлияет существенным образом на экологическую ситуацию в нашей стране, т.к. возможности перехода на уровень Евро-4,5 в настоящее время отечественные нефтеперерабатывающие заводы не имеют.

В условиях лаборатории «Автомобильные двигатели» кафедры технической эксплуатации автомобилей Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса была проведена серия экспериментов по исследованию выбросов вредных веществ отработавших газов двигателя ВАЗ-21124 при работе на бензине с разным октановым числом.

Целью исследования являлась оценка токсичности отработавших газов бензинового двигателя внутреннего сгорания, при использовании топлив с октановым числом 80, 92, 95, 98. Для достижения поставленной цели требовалось решение следующих задач:

1. На различных нагрузках, даваемых двигателю, снять показания о составе отработанных газов с приборов с выпускным коллектором с нейтрализатором и без него.

2. Исследовать работу двигателя при отключении некоторых цилиндров.

3. Дать оценку влиянию нейтрализатора на токсичность отработавших газов.

Для проведения экспериментов использовалось следующее оборудование и материалы: двигатель внутреннего сгорания ВАЗ-21124; персональный компьютер; диагностический комплекс АВТОАС-СКАН; Мотор-Тестер MotoDok-3; газоанализатор ИНФРАКАР М; мультиметр Uni Trend UT107 цифровой, автомобильный; секундомер; выпускной коллектор без нейтрализатора; бензины марок АИ-80, АИ-92, АИ-95, АИ-98.

Эксперименты проводились в несколько этапов:

Первым этапом эксперимента являлось измерение показателей концентрации вредных веществ в отработавших газах, на рекомендованном бензине для данного двигателя – АИ-95 с нейтрализатором:

- при частоте вращения коленчатого вала: 1000, 1500, 2000, 2500, 3000;

- работа двигателя на всех четырёх цилиндрах двигателя;

- работа двигателя на 2-м и 3-м цилиндре (1-й и 4-й отключены);

- работа двигателя на 1-м и 4-м цилиндре (2-й и 3-й отключены).

Вторым этапом эксперимента стало испытание двигателя на бензине АИ-80 по аналогии с испытанием при его работе на бензине АИ-95.

Аналогично проводились третий и четвёртый этапы эксперимента с использованием бензина АИ-92 и АИ-98.

После завершения испытаний двигателя, работающего с нейтрализатором, были проведены эксперименты по испытаниям двигателя без участия нейтрализатора. Эксперименты проводились в той же последовательности, что и испытания на коллекторе с нейтрализатором.

Результаты эксперимента позволили сделать следующие выводы:

Тестирование работы двигателя ВАЗ-21124 на бензине марок АИ-80, АИ-92, АИ-95, АИ-98 показало, что в режиме холостого хода и на малых нагрузках (не более 2500 об/мин) марки бензина на состав отработавших газов не влияют. Показатели СО, СН были в пределах допустимых ГОСТ Р 52033-2003.

Наблюдение за расходом топлива, проводившееся помимо исследований токсичности отработавших газов, позволило установить, что существенного влияния на расход топлива октановое число бензина также не оказывает в режимах малых нагрузок. И был сделан вывод о том, что такое изменение следует проводить при испытании двигателя в режимах полных нагрузок.

Испытания по отключению пар цилиндров двигателя с целью имитации соответствующей неисправности, выявили существенную экономию топлива (порядка 30%). Практическая ценность результатов данного эксперимента заключается в том, что при эксплуатации автомобиля в городских условиях (светофоры, дорожные заторы и др.) двигателю необязательно работать на всех цилиндрах. Представляется целесообразным отключение половины цилиндров, что позволит достичь экономии топлива и снижения токсичности при эксплуатации автомобиля в данном режиме, для чего необходимо установить такую функцию на панель управления автомобиля. Указанную функцию используют некоторые зарубежные производители автомобилей, в частности BMW.

Кроме того, в результате проведённых исследований была выдвинута идея о необходимости установки датчика температуры на нейтрализаторе. Как известно, чем сильнее прогревается нейтрализатор отработавших газов, тем эффективнее он работает. Было бы не лишним установить датчик температуры на нейтрализаторе, который не запускал бы двигатель до тех пор, пока нейтрализатор не прогреется до необходимой для его работы температуры (около 180˚С). Данный датчик позволял бы значительно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу. Датчик температуры на найтрализаторе было бы целесообразно сделать обязательным элементом автомобиля. Вместе с тем, автомобиль должен иметь функцию, которая позволяла бы в экстренной ситуации запустить двигатель, не прогревая нейтрализатор до нужной температуры.

Литература:

1. Трифонов, С. Ф. О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2010 году / С. Ф. Трифонов и др. // Экологический вестник Дона. – Ростов-на-Дону, 2010. – 28 с.

2. ГОСТ Р 52033-2003. Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния. – Издательство стандартов, 2003.

3. Кульчицкий, А. Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей / А. Р. Кульчицкий. – М. : Академический проспект, 2004. – 155 с.