Экологические проблемы автотранспорта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Проблема автомобильного выхлопа сейчас стоит очень остро. Нормы на выброс токсичных веществ регулярно ужесточаются

К началу 1970-х годов годовой выпуск автомобилей в США и Японии перевалил за 10 миллионов, вырос автомобильный парк и в Европе. В результате жители крупных городов вынуждены были познакомиться с таким неприятным явлением, как смог: под действием солнечного ультрафиолета содержащиеся в выхлопных газах вещества вступали в фотохимические реакции и образовывали соединения, раздражающие слизистые оболочки. У людей першило в горле, слезились глаза. Особенно страдал от смога Лос-Анджелес: город закрыт от ветров горами и почти круглый год там светит солнце. Но автомобильный выхлоп и сам по себе несёт огромный вред здоровью людей. В нём содержится ядовитый угарный газ (СО), ещё более ядовитые оксиды азота (NOх), не сгоревшие в цилиндрах двигателей углеводороды (СН), например бензапирен, обладающие канцерогенным действием.

Видимо, именно поэтому в США в 1972 году были введены нормы на выброс с отработавшими газами токсичных веществ и методы испытаний двигателей. Позже аналогичные меры предприняли в Японии и в Европе. Проверке должна была подвергаться каждая готовящаяся к выпуску новая модель автомобиля.

Нормы и схемы испытаний в США, Японии и Европе несколько разнились. Для автомобилестроителей ЕС в соответствии с введёнными в 1992 году нормами ЕВРО-1 была предусмотрена имитация четырёх циклов езды по городу (условно 1 км на каждый цикл) с разгоном, движением на постоянной скорости на разных передачах и торможением. Испытания проводились на роликовом стенде. Колёса автомобиля вращали ролики с установленными на них инерционными массами, обеспечивающими соответствующую нагрузку при разгоне и торможении, а также силу сопротивления потока воздуха. При испытаниях постоянно проверялось содержание СО, СН и NOх в отработавших газах, определялся расход топлива. Дополнительно проверялась концентрация СО, СН на холостом ходу при минимальной частоте вращения коленчатого вала (имитация остановки на светофоре или в пробке).

До конца 1980-х годов в Советском Союзе проблемы с выхлопом стояли не так остро, как в США, Японии и Европе. И причина, как ни парадоксально, была в низком техническом уровне отечественных машин и их небольшом количестве: при громадной территории в стране выпускалось около миллиона легковых автомобилей в год, а большинство двигателей имело относительно низкую степень сжатия и соответственно низкий выброс оксидов азота NOх, которые образуются при высоких температурах и давлениях. Кроме того, в отличие от заграницы, где ради повышения октанового числа в бензин добавляли тетраэтилсвинец, у нас в этом не было острой необходимости, и содержание свинца в топливе и соответственно в выхлопных газах было гораздо ниже.

Тем не менее работа по снижению токсичности отработавших газов проводилась достаточно активно. Например, при торможении двигателем, то есть при режиме, когда выброс СО и СН особенно велик, для уменьшения концентрации этих компонентов нужно сократить подачу топлива в двигатель. С этой целью в НАМИ разработали систему «Каскад» для карбюраторов автомобилей ВАЗ, УАЗ и ЗАЗ. С помощью электропневматического клапана при торможении двигателем она перекрывала доступ топлива в цилиндр.

Нормы на выброс токсичных веществ постепенно становились более строгими. Так, по нормам ЕВРО-1 измерения содержания токсичных веществ начинались через 40 с после запуска двигателя, в течение которых он достаточно прогревался. Принятый в 1995 году стандарт ЕВРО-2 запрещает эти «льготные» секунды, считается, что автомобиль после запуска двигателя должен сразу стартовать. Это ужесточение объясняется тем, что на автомобилях вместо карбюраторов появились инжекторы, которые позволяли автоматически регулировать состав смеси.

Более сложными стали испытания: по стандарту ЕВРО-3, принятому в 2000 году, к «городским» циклам добавился загородный, который имитирует движение на расстояние 7 км со скоростью до 120 км/ч (у автомобилей с предельной скоростью до 130 км/ч скорость при испытаниях на загородном цикле составляет 90 км/ч). Новшество было внедрено для контроля работы двигателя на высоких нагрузках, когда особенно велик выброс оксидов азота. Кроме того, предусматривается испытание по запуску двигателя при температуре -7^оС.

Относительно простые и недорогие средства обеспечить работу двигателя даже по нормам ЕВРО-2, не говоря о более жёстких стандартах ЕВРО-3 и ЕВРО-4, уже не могут. Необходимы компьютеризированные системы управления с обратными связями, применение дорогих каталитических нейтрализаторов, содержащих платину и палладий и снижающих концентрацию СО, СН и NOх, и прочие ухищрения.

В системе выхлопа приходится ставить датчики кислорода, позволяющие автоматически управлять впрыском топлива. Оптимальный режим достигается лишь в так называемой зоне бифункциональности -- узком диапазоне (0,97-1,00) коэффициента избытка воздуха б, равного отношению количества воздуха в смеси к тому количеству воздуха, которое нужно для полного сгорания бензина. При б=1 смесь считается нормальной, при б1 -- бедной. Состав отработавших газов зависит от степени обогащения смеси: при богатой смеси в выхлопе присутствуют угарный газ и несгоревшие углеводороды (для полного сгорания просто не хватает воздуха), а при бедной смеси в цилиндрах образуется много оксидов азота. (При запуске холодного двигателя в цилиндры приходится подавать богатую смесь, иначе двигатель глохнет.)

Датчики имеют разную конструкцию и по-разному реагируют на наличие кислорода. Например, пальчиковые датчики представляют собой тонкостенный цилиндр из специальной керамики (обычно из диоксида циркония и оксида иттрия), покрытый тонким слоем платины, служащей электродом. Датчик снабжён электронагревательным элементом, обеспечивающим необходимую рабочую температуру. Прибор работает как электронный ключ: при появлении в выхлопных газах кислорода электрический потенциал резко падает, это служит сигналом блоку управления увеличить подачу топлива. После обогащения смеси кислород в отработавших газах исчезает, напряжение на датчике становится максимальным и блок управления уменьшает подачу топлива. Таким образом система реагирует на нажатие водителем на педаль акселератора: подача воздуха увеличивается, смесь обедняется, и в выхлопных газах остаётся кислород; следовательно, требуется увеличить подачу топлива.

В России микропроцессорные блоки управления двигателями разработаны специалистами НАМИ и НИИ приборостроения им. В. В. Тихомирова. С 1994 года производили блоки с 8-разрядными процессорами, а с 1997 года начат выпуск блоков с более быстродействующими 16-разрядными процессорами. С помощью обратных связей по датчику кислорода эти устройства позволяют надежно удерживать состав отработавших газов в пределах установленных норм токсичности.

В России с 2008 года начали действовать Правила 83--04 ЕЭК ООН (ЕВРО-3)

Одним из требований нового стандарта стала обязательная установка на машине системы бортовой диагностики (ОВD: On-board Diagnosis), которая позволяет постоянно контролировать работу узлов и систем автомобиля. При выявлении неисправности система диагностики автоматически включает соответствующий индикатор на панели приборов или мониторе бортового компьютера.

В России существуют достаточно простые приборы, которые проводят диагностику, выявляют возникшие дефекты и помогают устранить неисправности. Например, в Ростове-на-Дону выпускают адаптер «BT-ECU» и программу к нему «Check-Engine», позволяющие владельцам отечественных и импортных автомобилей выполнять диагностику автомобиля с помощью мобильного телефона или портативного компьютера. Адаптер подключается к диагностическому разъёму и по беспроводному каналу связи передаёт информацию на компьютер. Программа «Check-Engine» распознаёт коды неисправностей, выводит на экран комментарии, помогающие владельцу принять решение. Система OBD контролирует такие параметры, как расход воздуха, нагрузка на двигатель, угол опережения зажигания, расход топлива и т.д., и указывает, когда они выходят за предельные значения. Фиксируются и другие параметры, например время в пути. Вся информация записывается в память и хранится там, чтобы с ней мог впоследствии ознакомиться специалист станции техобслуживания.

У нас внедрение стандартов ЕВРО-3 и ЕВРО-4 сталкивается с серьёзными проблемами: не хватает специальной аппаратуры, подготовленных специалистов для проведения технического осмотра, не налажен контроль за качеством топлива на автозаправочных станциях (присадки, которые для повышения октанового числа добавляют в бензин недобросовестные работники АЗС, приводят к быстрому выходу из строя дорогих нейтрализаторов). Только решив их, можно будет исключить эксплуатацию автомобилей с повышенным выбросом токсичных веществ.

Необходимо разработать систему наказаний за эксплуатацию автомобиля с «грязным» выхлопом. Можно воспользоваться, например, опытом шведов. У них, когда во время техосмотра выявляют превышение содержания вредных веществ в выхлопе, то при пробеге меньше нормативного штраф платит фирма-производитель (если, конечно, владелец сам не внёс изменений в конструкцию). Другой причиной санкций может быть случай, когда владелец проигнорировал показания OBD и на неисправном автомобиле продолжал ездить, не обратившись тут же на станцию техобслуживания.

1. Токсичность отработавших газов

1.1 Используемое топливо

Топливом для двигателей с искровым зажиганием обычно служит бензин. Одной из наиболее важных характеристик бензина является октановое число, которое указывает на способность топлива сопротивляться детонации -- сгоранию с очень высокой скоростью, приводящей к резкому повышению температуры и давления, что может привести к разрушению деталей двигателя. Октановым числом называется процентное содержание изооктана в его смеси с нормальным гептаном, когда эта смесь имеет ту же детонационную стойкость, что и данное топливо. Октановое число может различаться в зависимости от того, какой метод использовался для его измерения. Существует два метода: исследовательский и моторный. Октановое число, полученное исследовательским методом, обычно характеризует способность топлива сопротивляться детонации при разгоне, а моторным методом - сопротивление детонации при постоянной высокой скорости и нагрузках. Независимо от того, каким способом определено октановое число, оно может быть увеличено применением различных добавок к топливу. В течение многих лет с этой целью использовались добавки, содержащие свинец. Сейчас они запрещены, не только из-за того, что свинец отравляет атмосферу, но и в связи с тем, что наличие свинца в топливе выводит из строя каталитические нейтрализаторы (устройства для снижения вредных компонентов в отработавших газах). Этилированный бензин (с добавками свинца) сейчас запрещен к применению в большинстве стран. Соответствующее октановое число вплоть до 98 (по исследовательскому методу) обеспечивается применением специальных топливных присадок. Октановое число автомобиля также можно повысит с помощью дополнительных присадок.

Бензин не единственное топливо, которое может использоваться в двигателях с искровым зажиганием. Существует много альтернативных видов топлива, различные спирты (этанол и метанол), водород, углеводородные газы, такие как сжиженный нефтяной газ, смесь пропана и бутана и природный газ(метан). Ни один из этих видов топлива не может быть использован непосредственно, и любой из бензиновых двигателей требует модификации для их использования.

Рис. 1. Сгорание топлива

При работе двигателя с разной нагрузкой изменяется количество подаваемого в камеры сгорания воздуха (или горючей смеси), тем не менее, соотношение между количеством топлива и воздуха не должно выходить заданные рамки.

Для полного сгорания одной весовой части бензина требуется 14,7-15,0 весовых частей воздуха (на самом деле, в процессе сгорания участвует кислород, содержащийся в воздухе). Состав горючей смеси принято оценивать с помощью коэффициента избытка воздуха -- б (в зарубежной практике -- л).

б = (Действительное количество поступившего воздуха) / (Теоретически необходимое для полного сгорания)

Смесь с коэффициентом избытка воздуха, равным единице, называется стехиометрической, т. е. нормальной. Если б>1, то есть воздуха в смеси больше, чем необходимо для полного сгорания топлива, смесь называют бедной. Если б<1 -- смесь богатая. Чрезмерное переобеднение или переобогащение смеси приводит к плохому ее воспламенению от искры. На различных режимах работы двигателя требуется различный состав горючей смеси. На режимах средних нагрузок для снижения расхода топлива (на которых большую часть времени работает автомобильный двигатель) желательно обеспечить работу на обедненных смесях (на 1 весовую часть бензина приходится 15,0-16,5 частей воздуха). При пуске холодного двигателя необходимо обогащать смесь, поскольку конденсация топлива на холодных поверхностях камеры сгорания ухудшает пусковые свойства двигателя. Некоторое обогащение горючей смеси требуется при работе на холостом ходу, при необходимости получения максимальной мощности, резких ускорениях автомобиля.

1.2 Токсичность отработавших газов

Теоретически, при сгорании углеводородного топлива выделяется конечный продукт в виде воды (из водорода) и двуокиси углерода (из углерода) и азота. В них нет ничего особенно вредного, хотя сейчас многие исследователи обеспокоены проблемой «теплового эффекта», обусловленной увеличением двуокиси углерода (СО₂) в атмосфере, который оказывает влияние на изменение климата в мире. На самом деле, ДВС выделяют следующие компоненты, которые загрязняют окружающую среду.

Особо вредными загрязнителями для бензиновых двигателей признаны: автомобильный выхлоп двигатель топливо

-- окись углерода (СО);

-- пары бензина и несгоревшие углеводороды (НС);

-- оксиды азота (NО_x).

Окись углерода вызывает головную боль, нарушение зрения, слабость, а в больших концентрациях удушье, которое может привести к смерти. Углеводороды могут привести к серьезным воспалениям слизистых оболочек глаз, горла и носа. Оксиды азота вызывают воспаление легких и являются канцерогенами. Кроме того, оксиды азота соединяются в атмосфере с парами воды и образуют кислотные дожди. Выброс этих загрязнителей увеличивается вследствие неполного сгорания топлива. Выброс оксидов азота (NО_x) увеличивается при высокой температуре сгорания. Увеличение количества углеводородов (НС) происходит также за счет испарения топлива из бака и из-за конденсации бензина на стенках впускного коллектора.

Впервые в конце 60-х гг. были установлены нормы токсичности выбросов автомобилей: сначала в штате Калифорния, а затем и в других штатах. За США последовали Япония, Европа и другие страны. Сейчас практически все развитые страны имеют национальные стандарты, устанавливающие нормы токсичности выбросов автомобилей, и эти нормы постоянно пересматриваются с целью их ужесточения.
Дальнейшее ужесточение требований к содержанию вредных веществ в отработавших газах автомобильных двигателей привело к тому, что практически во всех странах карбюраторы уступили место системам впрыска.

Рис.2. Состав отработавших газов

Рис.3. Состав токсичных веществ

2. 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.

2.1 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

2.2 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/м^3,/SUP>).

3. Нормы токсичности в различных странах

3.1 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 <, 2,5 т) регламентируется в Директиве 91/441 ЕС/ЕЭС.

Следующим шагом в ужесточении норм токсичности является Директива 1997 г. ЕС 94/12. Дальнейшее ужесточение предельных норм токсичности планируется осуществить в 2000 г. Используемый ранее ездовой цикл ЕСЕ (ЕЭС) R15 был заменен модернизированным европейским ездовым циклом (включающим часть цикла, относящуюся к движению по загородным дорогам со скоростью движения вплоть до 120 км/ч). Предельные нормы дымности, рассмотренные в правилах ЕЭК R24 и ЕЭС 72/306, остаются в силе.

Нормы токсичности для грузовиков (полная масса <3,5т ). Ездовой цикл: модернизированный европейский цикл; временный вариант при Vmax = 90км/ч для автомобилей с максимальной скоростью < 130 км/ч и/или отношением мощности к массе < 30кВт/т.

Нормы токсичности для легковых автомобилей (полная масса <2,5т ). Ездовой цикл: модернизированный европейский цикл ЕЭС R 15 и ЕС (Директивы).

Так называемая "стокгольмская группа" государств (включая Швецию, Швейцарию, Австрию) приняла нормы по предельной токсичности, базирующиеся на нормативах США (1987 г.). Швеция также проявила инициативу в вопросе создания системы штрафов за несоблюдение более строгих норм предельной токсичности.

Грузовые автомобили

В Европе автомобили полной массой свыше 3,5 т, которые имеют более чем 9 мест для сиденья, проходят 13-режимные испытания, регламентированные правилами ЕЭК R49. Последовательность испытания - это серия из тринадцати различных стационарных рабочих режимов. Первоначально принятые предельные нормы выбросов газообразных компонентов были ужесточены, и в новые нормативы были включены требования по предельным выбросам твердых частиц в отработавших газах. Существующие предельные значения выбросов в странах ЕС приведены в нормативах Стадии 1 (EURO I) и Стадии 2 (EURO II) ЕЭС директив ЕЭС 91/542; последние предназначены для автомобилей серийного производства, начиная с октября 1996 г. Дополнительное снижение норм предельной токсичности планируется в 1999 г. Пересмотр испытательного цикла также предполагается осуществить на Стадии 3 (EURO III). Тем временем нормы, касающиеся контроля за дымностью отработавших газов дизелей, работающих при полной нагрузке (Директива ЕЭК R24), бьши оставлены без изменения, хотя имеющее место значительное снижение уровней твердых частиц в отработавших газах делает их не совсем приемлемыми.

3.2. Испытательные циклы и нормы токсичности в Японии