Полностью исключить наличие токсичности в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания нельзя. Предупредить излишнее относительно нормы количество токсичных веществ можно путем соблюдения режимов технического обслуживания, периодичности проведения регулировок и качественного их выполнения; снижения расхода топлива; повышения качества ремонта. Следует отметить, что повышение токсичности отработавших газов при большом расходе топлива происходит из-за неправильной регулировки карбюратора, засорения воздушных фильтров, повышения уровня топлива в поплавковой камере карбюратора. На расход топлива и на токсичность влияет также техническое состояние газораспределительного механизма - изменение тепловых зазоров и подгорание выпускных клапанов, а также система зажигания - изменение зазоров в прерывателе-распределителе и свечах зажигания.
У некоторых автомобилей при обслуживании больниц, курортов двигатели оборудуют системами нейтрализации выпускных газов. Снижение концентрации токсичных веществ здесь достигается воздействием на рабочий процесс и применением устройств для нейтрализации и очистки газов в выпускном трубопроводе - нейтрализаторов и очистителей.
Нейтрализаторы бывают термические и каталитические. В них происходят химические реакции, в результате которых уменьшается количество газовых компонентов токсичных веществ. Механические и водяные очистители применяют для очистки газов от сажи и капелек масла.
Термический нейтрализатор представляет собой камеру сгорания, которая размещается в выпускном тракте двигателя для дожигания продуктов неполного сгорания топлива. Такой нейтрализатор устанавливают на месте выпускного трубопровода. Однако термические нейтрализаторы на режимах холостого хода и малых нагрузках малоэффективны, так как температура выпускных газов недостаточна для быстрого протекания реакции.
Каталитические нейтрализаторы более эффективны, в них применены катализаторы из благородных металлов - платины и палладия, родия. Эти катализаторы обеспечивают более высокую скорость окисления СО и СН при невысоких температурах. У выпускных газов при этом почти исчезает неприятный запах, сгорает сажа. Катализаторы на базе обычных металлов уступают предыдущим по активизации процессов окисления при невысоких температурах. В каталитическом нейтрализаторе выпускные газы поступают в камеру и в контактную зону коробки катализатора, очищенные газы поступают в атмосферу. Коробка сменная, рассчитана на 1500-2000 ч работы и обеспечивает очистку газов почти на 75 %. При втором ТО коробку очищают. Для этого газовой горелкой ее нагревают до температуры 800-900° С и выжигают сажу.
Предусмотрено оборудование всех современных автомобильных карбюраторных двигателей, автомобильных дизелей системами нейтрализации отработавших газов при работе в карьерах, на рудниках, где недостаточен воздухообмен.
Снизить токсичность отработавших газов позволяет применение форкамерно-факельного зажигания карбюраторных двигателей, а также работающих на газе автомобилей, электромобилей, двигателей с двухстадийным сгоранием топлива; разработка и применение малотоксичных антидетонаторов, противодымных присадок к топливу.
Закон об охране атмосферного воздуха устанавливает, что выбросы загрязняющих веществ в атмосферу автомобилями, самолётами и другими передвижными средствами и установками должны контролироваться с целью сокращения содержания вредных веществ. Производство и эксплуатация машин, в выбросах двигателей которых содержание загрязняющих и токсичных веществ превышает установленные нормативы, не допускается. Нарушение этих правил влечет за собой административную, материальную и уголовную ответственность. Действует ГОСТ 25478-82 «Допустимые нормы содержания окиси углерода и дым-ности отработавших газов», который содержит необходимые для контроля токсичности данные (табл. 7).
Проверку содержания окиси углерода в отработавших газах выполняют на прогретом двигателе в режиме холостого хода и при частоте вращения коленчатого вала, равной 0,8 номинальной. Полученные данные сравнивают со значениями табл. 7. Для проверки применяют газоанализаторы моделей И-СО НИИАТ, ГАИ-1, НИИАТ-651 и другие. Увеличенное содержание окиси углерода на малой частоте вращения коленчатого вала двигателя свидетельствует о неправильной регулировке системы холостого хода карбюратора, а на большой частоте вращения - о неисправности главной дозирующей системы или неплотности прилегания клапанов экономайзера и ускорительного насоса.
На двигателях автомобилей ИЖ-2715, ВАЗ-2121, ВАЗ-2109, УАЗ-31512 устанавливают карбюраторы, имеющие системы снижения токсичности отработавших газов. Снижение токсичности обеспечивается уменьшением расхода топлива. Электронный блок 13 (рис. 1) такой системы управляет электромагнитным клапаном 12, который на режимах принудительного холостого хода (ПХХ) закрывает топливный жиклер, прерывая подачу топливной смеси. Регулировки карбюраторов таких автомобилей выполняют одновременно с регулированием содержания окиси углерода в отработавших газах.
Рис. 1. Система снижения токсичности отработавших газов автомобиля ВАЗ-2109:
1 - карбюратор; 2 - воздушная заслонка; 3 - пусковое устройство; 4 - прокладка; 5 - тепловой экран; 6 - впускная труба; 7 - подогрев системы холостого хода; 8 - винт качества смеси; 9 - рычаг привода дроссельных заслонок; 10 - упорный винт; 11 - канал системы холостого хода; 12 - электромагнитный клапан; 13 - блок управления; 14 - выключатель зажигания; 15 - аккумуляторная батарея; 16 - электронный коммутатор; 17 - катушка зажигания; 18 - провода высокого напряжения; 19 - датчик-распределитель
Определение токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ) осуществляется с помощью специальных газоанализаторов. Для определения содержания оксида углерода СО и углекислого газе CО 2 при стендовых испытаниях двигателей в лаборатории МАДИ применяются оптико-акустические газоанализаторы ГИАМ-5 Смоленского завода, а для несгоревших углеводородов С n Н m - газоанализаторы ГЛ-1121, основанные на поглощении инфракрасного излучения исследуемым газом. Известно, что только многоатомные газы, смеющие хотя бы два разнородных атома в молекуле (CO 2 , H 2 O, СО, C n H m и др.), обладают наибольшей способностью поглощать лучистую энергию, причем в строго определенных для каждого газа интервалах длин волн. Это позволяет определять содержание отдельных компонентов в сложных газовых смесях (ОГ двигателя) независимо от концентрации других компонентов.
Механизм действия оптико-акустических анализаторов основан на использовании явления разогрева газа при поглощении радиации и охлаждения его, когда действие лучей прекращается, Исследуемый газ поступает в сосуд-лучеприемник и через светофильтр, пропускающий инфракрасное излучение, с помощью обтюратора периодически облучается от источника инфракрасного излучения. В результате нагрева одновременно с изменением температуры газа на величину Δt соответственно изменяется и давление его на величину Δр, которое воспринимается чувствительней мембраной конденсаторного микрофона. Колебания мембраны преобразуются в постоянный ток, величина которого характеризует поглощение данным компонентом инфракрасной радиации и служит мерой его концентрации, фиксируемой в процентах регистрирующим прибором.
Определение концентрации в ОГ оксидов азота производится в основном приборами, основанными на хемилюминесценции. При сгорании топлива в двигателе образуется оксид азота NO, который затем в условиях более низких температур в значительной части переходит в NO 2 . Таким образом, оксиды азота NO X содержат смесь NO и NO 2 Для определения концентрации NO хемилюминесцентным методом пробу ОГ предварительно обрабатывают озоном О 3 . В результате получаются возбужденные частицы NO 2 , которые при переходе в стабильное состояние излучают фотоны света. При этом интенсивность излучения пропорциональна концентрации NO в пробе газа. Интенсивность излучения измеряется с помощью фотоумножителя, причем прибор показывает непосредственно концентрацию NO. Для определения в ОГ суммарной концентрации NO X полученная ранее NO 2 (при анализе на NO) превращается в специальном конвертере прибора в NO, содержание которого определяется хемилюминесцентным методом, как было показано выше. Иногда для анализа ОГ на содержание оксидов азота используют инфракрасные и ультрафиолетовые спектрометры, принцип действия которых аналогичен принципу действия газоанализаторов на несгоревшего углеводорода.
Определение дымности ОГ осуществляется с помощью специальных дымомеров. Наибольшее распространение получили дымомеры, работающие по методу просвечивания ОГ с поглощением светового потока, и дымомеры с фильтрацией ОГ. Дымомеры с просвечиванием, использование которых для замера дымности ОГ дизелей регламентировано стандартом, оценивают относительную задымленность по оптической плотности слоя газа определенной толщины (0,4 -0,5 м). В дымомерах этого типа часть ОГ или все газы пропускаются через измерительный цилиндр прибора. По торцам цилиндра расположены осветитель и фотоэлемент, ток которого регистрируется соответствующим измерителем и служит показателем дымности. В дымомерах с фильтрацией дымность определяется по степени потемнения фильтровальной бумаги, через которую пропущен определенный объем ОГ. Степень потемнения фильтра определяют фотометрированием; при этом нулевая отметка шкалы прибора соответствует чистому фильтру, а предельная - полному поглощению света фильтром, т.е. 100% дымности.
Основными видами экологического воздействия автомобиля на окружающую среду являются:
- вредные выбросы ОГ из ДВС автомобилей (токсичность);
- акустические воздействия, например, вентиляционный и магнитный шумы при работе исполнительных механизмов ЭСАУ;
- вибрация элементов кузова и вибрация, возникающая при работе электроприводных механизмов;
- восстановление заряда В В Б.
ИСПЫТАНИЯ НА ТОКСИЧНОСТЬ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ АВТОМОБИЛЕЙ С ЭЛЕКТРОННЫМИ СИСТЕМАМИ УПРАВЛЕНИЯ
Автоэлектроника играет основную роль в снижении токсичности ОГ. Токсичность ОГ определяется наличием окиси углерода (максимум наблюдается в режиме холостого хода), окиси азота (максимум наблюдается при самой высокой температуре сгорания) и углеводорода, возникающим при перебоях в воспламенении или при пропусках зажигания.
Наибольшее отрицательное влияние в плане токсичности оказывают системы зажигания бензиновых двигателей, особенно конструкция свечей зажигания и их расположение в камере сгорания, а также энергия и продолжительность искрового разряда. Важными являются момент зажигания, угол опережения зажигания, так как при применении позднего зажигания в выпускной системе двигателя увеличивается температура газов, что позволяет уменьшить содержание окиси углерода, углеводородов и окиси азота. Но это приводит к увеличению расхода топлива. Разумное сочетание углов опережения зажигания и состава смеси, поступающей в цилиндр, достигается применением электронных систем управления и нейтрализаторов О Г. Особенно успешна каталитическая очистка при применении системы с обратной связью по датчику кислорода - 1-зонду.
Испытания на токсичность отработавших газов проводят по стандартным программам на стенде с беговыми барабанами по так называемым ездовым циклам. Во время этих циклов меняется режим работы двигателя, поэтому проводится отбор проб выхлопных газов и их газовый анализ. Существует несколько ездовых циклов: федеральный ездовой цикл США (ЕТР75), испытательный цикл ЕЭК/ЕС (ЕЭКИ. 15-04) и испытательный цикл Японии. Эти циклы различаются режимами, продолжительностью и максимальной скоростью автомобиля во время цикла.
Электронные системы управления двигателем испытывают в составе автомобиля. Причем с каждым годом эти системы все более совершенствуются, и поэтому возрастает количество функций регулирования, оптимизируются программы управления, увеличиваются диагностические функции.
В табл. 9.1 приведены технические характеристики и методы газового анализа ОГ автомобилей.
Таблица 9 .7
Основные технические характеристики газоанализаторов
Примечание. Используется обогреваемый (до 200°С) пробоотборник с гибкими шлангами длиной 6-10 м. Инструментальная погрешность - ±3%.
На рис. 9.1 представлена схема измерительной камеры инфракрасного газоанализатора. Инфракрасное излучение создается элементом, нить которого имеет температуру около 700°С.
Рис. 9.1.
7 - приемная камера с компенсационными объемами I/, и / 2 ; 2 - датчик потока; 3 - измеряющий элемент; 4 - вращающийся диск с щелью; 5 - инфракрасный
излучатель; М - электродвигатель привода диска
Инфракрасные лучи пропускаются через измеряющий элемент перед входом в приемную камеру. Окись углерода, содержащаяся в выхлопных газах, поглощает часть излучения, что сопровождается увеличением температуры газа, которое приводит к возникновению потока газа, перетекающего через датчик потока из зоны с объемом У 1 в компенсационную камеру с объемом У 2 . Вращающийся диск со щелью обеспечивает периодическое прерывание инфракрасного излучения, проходящего через два объема У 1 и У 2 . Датчик потока преобразует это перемещение диска со щелью 4 в переменный электрический сигнал. Когда испытуемый газ с измененным содержанием СО проходит через измеряющий элемент, он поглощает энергию инфракрасного излучения в количестве, пропорциональном содержанию СО. Отклонение от переменного основного сигнала соответствует показателю содержания СО в испытательном газе.
Для определения концентрации углеводородов используют пламенно-ионизационный метод, а 1ЧО Л. - хемилюминесцентный.
Сущность плазменно-ионизационного метода заключается в ионизации углеводородными атомами пламени водорода при температуре около 2000°С. Чувствительность этого метода пропорциональна количеству углеводородов. При непосредственном отборе пробоотборник нагревают во избежание адсорбции и конденсации углеводородов на его стенках при соприкосновении протекающего газа.
При анализе окислов азота (а в выхлопных газах присутствуют N0 и N03) их окисляют, проводят колориметрию и определяют интенсивность люминесценции N02, атомы которого при озонировании находятся в возбужденном состоянии. В качестве детектора применяется фотоэлектронный усилитель.
Газоанализаторы (рис. 9.2) позволяют объективно судить о полноте сгорания топлива. Любое отклонение от нормы в работе системы зажигания или других систем двигателя приводит к снижению его эффективности и, как следствие, к изменению концентрации вредных веществ в О Г.
Рис. 9.2. Структурная схема газоанализатора ОГ для ДВС:
Определено, что при каждом пятом перебое воспламенения (пропуске зажигания) на одной свече четырехцилиндрового двигателя количество углеводорода С^Н, увеличивается со 150 до 250- 400 ppm при частоте вращения коленчатого вала 1500 мин -1 ; при полностью неработающей свече оно вырастает до 1500-2000 ppm, а количество кислорода в ОГ увеличивается с 1 до 6-7%. Как правило, свечи начинают выходить из строя при холостом ходе. Поэтому при пропусках зажигания уменьшается доля СО и С0 2 , а доля 0 2 возрастает. Если при увеличении частоты вращения вала двигателя до 1500-1700 мин -1 характеристика восстанавливается полностью, то необходимо проверить свечи. При неработающей форсунке СН будет в норме, а количество кислорода в ОГ увеличится до 6-7%.
Таким образом, состав отработавших газов является обобщенным параметром, с помощью которого делается вывод об эффективности работы двигателя и его основных систем: механической, топливоподачи и зажигания. Правильно отрегулированные системы топливоподачи и зажигания при исправном двигателе дают минимальный выброс вредных веществ в атмосферу. Неоспоримое достоинство газоанализатора - его универсальность. Его с успехом можно применять при диагностике любых типов двигателей.
В настоящее время в связи с внедрением систем снижения токсичности и оборудованием автомобилей каталитическими нейтрализаторами двухкомпонентные газоанализаторы как диагностические приборы оказались малоэффективными. Они не дают достаточного количества объективной информации о работе двигателя, так как каталитические нейтрализаторы активно уменьшают именно концентрацию измеряемых ими продуктов сгорания - окиси углерода СО и углеводородов С /г Н,„. Современные четырехкомпонентные газоанализаторы измеряют концентрацию СО, С /г Н,„, С0 2 и 0 2 . Замеры содержания первых трех компонентов выполняются спектрометрическим методом. Концентрация кислорода определяется при помощи электрохимического датчика.
Преимущество приборов этого уровня заключается в том, что они позволяют расчетным путем определить исходный состав топливной смеси даже для двигателей, выхлопная система которых оборудована катализатором. Помимо этого, они дают несколько дополнительных параметров, совокупный анализ которых позволяет глубже понять характер процессов, происходящих в двигателе. Однако газоанализатор в большинстве случаев не позволяет локализовать неисправность, а лишь указывает на ее наличие.
Существенно расширить возможности применения газоанализатора можно, используя его в составе диагностических комплексов совместно с мотор-тестером.
Лучшим в своем классе является газоанализатор MGA1500 фирмы Sun. Газоанализаторы такого класса кроме измерения концентрации СО, С0 2 , 0 2 и С /г Н,„ в ОГ могут определять частоту вращения коленчатого вала двигателя, температуру масла в картере, суммарную токсичность ОГ и отображать результаты на дисплее в графическом виде, управлять режимом тестирования и вычислять коэффициент избытка воздуха по показаниям?-зонда для различных видов топлива (бензина, пропана, природного газа), осуществлять трехступенчатая очистку пробы газа. Диапазон измерения газоанализатором концентрации: СО - до 10%; С, ; Н /И - до 5000 ppm; С0 2 - до 25%; 0 2 - до 25%; диапазон рабочих температур - до -20°С; питание от сети - 220 В и от АКБ - 12 В.
Рис. 9.3.
1 - термопреобразователь; 2 - источник света; 3,5 - защитное стекло индикатора; 4 - фотоэлемент; б - измерительная камера; 7,8 - предварительные усилители; 9 - источник тока; 10 - источник питания прибора; 11 - микроЭВМ; 12 - жидкокристаллический индикатор; 13 - аналого-цифровой преобразователь; 14 - устройство коммутации; 15 - блок обработки измерительной информации
Дымомеры (рис. 9.3) предназначены для измерения дымности ОГ дизельных двигателей автомобилей. По показаниям дымомера можно определить состояние цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и частоту вращения вала дизеля, также можно распечатать результаты диагностирования на принтере, подключаемом к дымомеру.
- - ЭВМ; 2 - цифровые дисплеи; 3 - газоанализатор СпНт; 4 - пробоотборный насос; 5 - газоанализатор СО; 6 - газоанализатор N0*; 7 - вход для тариро- вочных газов
Для автомобилей с бензиновыми вновь изготавливаемыми и находящимися в эксплуатации в Беларуси, действует ГОСТ 17.2.2.03-87 „Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерения содержания оксида углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. Требования безопасности с изменением №1 «. Стандарт не распространяется на автомобили, полная масса которых менее 400 кг или максимальная скорость не превышает 50 км/ч, на автомобили с двухтактными и роторными двигателями.
При испытании на токсичность отработавших газов двигатель прогревается до рабочей температуры, воздушная заслонка полностью открывается. В выхлопную трубу на глубину не менее 300 мм от среза вставляется зонд. Устанавливается повышенная частота вращения коленчатого вала двигателя. После работы на этом режиме не менее 15 с частота вращения снижается до минимальной пхх мин и не ранее чем через 20 с измеряется содержание оксида углерода и углеводородов. Затем устанавливается повышенная частота вращения коленчатого вала двигателя nхх пов и не ранее чем через 30 с повторно измеряется содержание оксида углерода и углеводородов. Проверку на повышенной частоте вращения коленчатого вала проводят только на автомобилях, имеющих карбюратор. Минимальная и максимальная частоты устанавливаются в технических условиях и инструкции по эксплуатации автомобилей. Если эти значения не установлены, при проверке принимают nхх мин = (800±50) мин-1, nхх пов = (3000±100) мин-1.
При наличии в автомобиле раздельных выпускных систем измерение производят отдельно для каждой из них. Показателем токсичности служат максимальные концентрации оксида углерода. Содержание оксида углерода в % и углеводородов в млн-1 в отработавших газах по ГОСТ 17.2.2.03-87 для России с изменением №1 не должно превышать норм, приведенных в табл.
Содержание углеводородов указываются в млн-1 по принятому международному обозначению, при этом 1 % углеводородов соответствует 10 000 млн-1. Такое обозначение принято в связи с тем, что при считывании показаний приборов трудно оценивать малые значения процентного содержания углеводородов, например 0,1 или 0,01, в тоже время 100 или 1000 млн-1 более наглядно показывает динамику изменения показаний приборов.
В Республике Беларусь при проверке содержания токсичных веществ в отработавших газах следует пользоваться данными таблицы.
Табл. Предельно допустимое содержание токсичных компонентов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями (Беларусь)
|
Частота вращения коленчатого вала мин -1 |
Предельно допустимое содержание оксида углерода, объемная доля, % |
Предельно допустимое содержание углеводородов, объемная доля, млн -1 , для двигателей с числом цилиндров |
|
|
до 4 |
более 4 |
||
|
n хх мин |
1,5 |
1200 |
3000 |
|
n хх пов |
2,0 |
600 |
1000 |
