Экспериментальные исследования токсичности отработавших газов двигателей с искровым зажиганием

УДК 621.43

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСКРОВЫМ

ЗАЖИГАНИЕМ

Д.В. Авдеев, Р.Н. Хмелев

Проведены экспериментальные исследования и выполнен анализ токсичности отработавших газов атмосферного и наддувного двигателей ЗМЗ-406 с учетом действующих нормативных документов по выбросам вредных веществ в отработавших газах . Эксперимент проводился на стенде, обеспечивающем возможность подключения системы турбонаддува к атмосферному двигателю. Для определения показателей работы двигателя использовалась программа компьютерной диагностики «Мотор-Скан» и газоанализатор АСКОН 02.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, экспериментальные исследования, токсичность отработавших газов, ограничения выбросов.

В настоящее время важнейшими показателями работы автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются экологические. Это связано с непрерывным ужесточением законодательных ограничений по выбросам вредных веществ с отработавшими газами. Для автомобильных ДВС с принудительным зажиганием рассматриваемые ограничения введены двумя нормативными документами.

1. ГОСТ Р 52033-2003 Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния. Данный стандарт устанавливает нормы и методы контроля выбросов загрязняющих веществ с отработавшими газами для автомобилей, находящихся в эксплуатации. Контроль соответствия автомобиля требованиям стандарта в основном осуществляется газоанализаторами при периодическом техническом осмотре транспортных средств. Нормативные значения [1] содержания оксида углерода и углеводородов в отработавших газах двигателей автомобилей категорий М1 и N1 приведены в табл. 1.

2. Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств», утвержденный решением Комиссии Таможенного союза от 09.12.2011 г. № 877. Технический регламент применяется для транспортных средств, изготовленных на территории Таможенного союза или ввозимых на эту территорию. В соответствии с данным регламентом [2] автомобили категорий М1, М2, N1, N2 с 1 января 2015 года должны соответствовать Европейскому экологическому классу 4, установленному Правилами ЕЭК ООН № 83-05, а с 1 января 2016 года -экологическому классу 5, установленному Правилами ЕЭК ООН № 83-06. Нормативные значения выбросов вредных веществ в отработавших газах автомобилей различных экологических классов приведены в табл. 2.

Также с целью улучшения экологических и эксплуатационных показателей автомобильных двигателей непрерывно ужесточаются требования к качеству топлива. На основании Технического регламента Таможенного союза TP ТС 013/2011 «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту», утвержденного решением Комиссии Таможенного союза от 18.10.2011 г. № 826, установлены следующие правила:

- выпуск в обращение и обращение автомобильного бензина экологического класса КЗ допускается на территории Российской Федерации по 31 декабря 2014 года;

- выпуск в обращение и обращение автомобильного бензина экологического класса К4 допускается на территории Российской Федерации по 31 декабря 2015 года.

- выпуск в обращение и обращение автомобильного бензина экологического класса К5 не ограничен.

Таблица 1

Нормативные значения содержания оксида углерода и углеводородов в отработавших газах двигателя

Комплектация автомобиля1 Частота вращения коленчато- Оксид углерода, объемная Углеводороды, объемная доля, -1 млн

го вала доля, %

Автомобили категорий М1, N1, произведенные до 01.10.1986 г. пмин 4,5 -

Автомобили категорий М1 и N1, не пмин 3,5 1200

оснащенные системами нейтрализации отработавших газов2 ппов 2,0 600

Автомобили категорий М1 и N1, обо- пмин 1,0 400

рудованные двухкомпонентной системой нейтрализации отработавших ппов 0,6 200

газов

Автомобили категорий М1 и N1 с пмин 0,5 100

трехкомпонентной системой нейтрализации отработавших газов и те же автомобили, оборудованные встроенной (бортовой) системой диагно- ппов 0,3 100

стирования

В эксплуатационных документах автомобиля предприятие-изготовитель указывает штатную комплектацию автомобиля оборудованием для снижения выбросов загрязняющих веществ (далее - вредные выбросы); предельно допустимое содержание оксида углерода, углеводородов и допустимый диапазон значений коэффициента избытка воздуха 1.

Для автомобилей с пробегом до 3000 км нормативные значения содержания оксида углерода и углеводородов в отработавших газах установлены технологическими нормами предприятия-изготовителя._

Таблица 2

Характеристики выбросов (г/км) вредных веществ по экологическим классам автомобилей с бензиновыми двигателями

Класс Дата введения СО НС КМНС КОх НС+КОх РМ

Евро-1 Июль 1992 2,72 (3,16) - - - 0,97 (1,13) -

Евро-2 Январь 1996 2,2 - - - 0,5 -

Евро-3 Январь 2000 1,3 0,20 - 0,15 - -

Евро-4 Январь 2005 1,0 0,10 - 0,08 - -

Евро-5 Сентябрь 2009 1,00 0,100 0,068 0,060 - 0,005

Евро-6 Сентябрь 2014 1,00 0,100 0,068 0,060 - 0,005

В табл. 2. используются следующие условные обозначения: СО -угарный газ, НС - углеводороды, КМНС - летучие органические вещества, КОх - оксиды азота, РМ - твердые частицы.

Европейские экологические классы в отличие от отечественного стандарта устанавливают ограничения на более широкий перечень вредных веществ в отработавших газах двигателей. Уровни выбросов измеряются в г/км по итогам серии ездовых циклов. При этом методика измерений достаточно сложна и в основном применяется производителями автомобилей и органами сертификации для оценки экологических классов новых автомобилей.

Таким образом, для автомобилей с бензиновыми двигателями, эксплуатирующихся на территории Российской Федерации, более актуальным является оценка соответствия выбросов вредных веществ в отработавших газах стандарту ГОСТ Р 52033-2003 при периодических технических осмотрах. Это мероприятие на данный момент является практически единственной формой контроля экологических показателей автомобилей.

В то же время показатели токсичности отработавших газов ДВС с принудительным зажиганием существенно зависят как от конструкции двигателя, так и от условий эксплуатации.

В этой связи актуальным является анализ изменения показателей токсичности отработавших газов как в различных режимах работы, так и в различных типах ДВС с принудительным зажиганием. В данной статье на примере двигателя ЗМЗ-406 выполнены экспериментальные исследования показателей токсичности отработавших газов ДВС в режиме прогрева, а также в режимах, регламентированных ГОСТ Р 52033-2003, для двигателя в атмосферном и наддувном вариантах.

Опыты проводились на оригинальном стенде [3], основой которому послужил двигатель отечественного производства марки ЗМЗ-406.

Общий вид экспериментального стенда показан на рис. 1.

Рис. 1. Стенд для проведения экспериментальных исследований

При проведении экспериментальных исследований к блоку управления двигателем подключался персональный компьютер для регистрации сигналов электронного блока управления (ЭБУ) в режиме реального времени. Вывод результатов сканирования осуществлялся посредством программы «МоторСкан», предназначено!! для проведения диагностики электронных систем управления автомобильным двигателем. Данная программа используется для проведения диагностики ЭБУ при помощи персонального компьютера под управлением ОС Windows (версии 2000 и выше). Окно интерфейса программы «МоторСкан» показано на рис. 2.

Рис. 2. Окно интерфейса программы «МоторСкан»

Для измерения токсичности отработавших газов при проведении экспериментальных исследований использовался газоанализатор АСКОН 02, подключенный к персональному компьютеру с соответствующим программным обеспечением. Значения измеряемых величин отображались в форме, показанной на рис. 3.

Рис. 3. Окно интерфейса программы АСКОН 02

При проведении экспериментальных исследований измерялись следующие показатели работы двигателя:

- частота вращения коленчатого вала п;

- состав смеси 1;

- температура охлаждающей жидкости 1;ож;

- содержание оксида углерода (СО) в отработавших газах;

- содержание оксида углерода (СО2) в отработавших газах;

- содержание углеводородов (СН) в отработавших газах;

- содержание кислорода (О2) в отработавших газах.

Результаты экспериментальных исследований на режиме прогрева двигателя (атмосферный вариант) представлены в виде графиков на рис. 4. Полученные экспериментальные данные при измерении токсичности отработавших газов прогретого двигателя в атмосферном и наддувном вариантах приведены в табл. 3.

В табл. 3 минимальной и максимальной частотам вращения соответствуют следующие значения: пмин = 840 об/мин, ппов = 3000 об/мин.

По графикам, приведенным на рис. 4, видно, что сразу после пуска двигателя частота вращения коленчатого вала максимальна и равна 1500 об/мин. В данном случае высокая частота вращения устанавливается за

счет обогащения рабочей смеси (1<1), что необходимо для обеспечения устойчивой работы ДВС. По мере прогрева охлаждающей жидкости, частота снижается и при достижении рабочей температуры становится равной частоте вращения на холостом ходу. При этом содержание СО уменьшается 16 раз - с 4,20 до 0,26 %, а содержание кислорода увеличивается в 3,5 раза - с 0,6 до 2,1 %. Именно по этой причине прогрев бензинового двигателя на холостом ходу является нежелательным с точки зрения экологии. При использовании в ДВС системы нейтрализации отработавших газов отмеченная закономерность также имеет место, так как нейтрализатор начинает полностью выполнять свои функции при коэффициенте избытка воздуха 1 равном 1.

Е о. а.

I

0

1

ю о

1600

1400

1200

1000

800

600

г-- 400

200

1 1

1

1

к

\

V

ч ч

=< _ -Л- _ _ - —• — —* —

- н -+- -  — — — - -

25 36 40 45 50 56 60 64 68 72

4,5 4

3,5 3

2,5 2

1,5 1

0,5 0

(М

О

о о

п=Г(1ож>

>— СЬ^рож) -* - СО^рож)

О2==Г

Рис. 4. Результаты измерений токсичности отработавших газов в процессе прогрева двигателя

Таблица 3

Результаты измерений токсичности отработавших газов прогретого двигателя в атмосферном и наддувном вариантах

Измеряемый параметр Атмосферный ДВС Наддувный ДВС

пмин, об/мин ппов об/мин пмин об/мин Ппов об/мин

СО, % 0,26 0,42 1,19 0,34

СН, ppm 247 149 327 146

О2, % 2,02 2,07 1,05 1,42

1 1,07 1,06 1 1,05

Анализ результатов, приведенных в табл. 3, позволяет сделать вывод, что реализация наддува в ДВС с принудительным воспламенением с целью улучшения экологических показателей требует настройки (изменения калибровочных данных) электронного блока управления двигателем. В рассматриваемом случае увеличение подачи воздуха сопровождалось пропорциональным увеличением подачи топлива за счет автоматического поддержания состава смеси (коэффициента избытка воздуха) l = 1 на всех режимах.

Как показали проведенные исследования, даже без системы нейтрализации рассматриваемый двигатель как в атмосферном, так и в надувном вариантах по выбросам вредных веществ практически полностью удовлетворяет требованиям, установленным стандартом ГОСТ Р 52033-2003, для автомобилей категорий М1 и Ni, оборудованных двухкомпонентной системой нейтрализации отработавших газов.

Реализация рассмотренной методики контроля уровня вредных веществ в отработавших газах с учетом требований ГОСТ Р 52033-2003, позволяет осуществлять оценку экологических показателей бензиновых двигателей и устанавливать закономерности влияния конструктивных и эксплуатационных параметров ДВС на их экологические характеристики.

Список литературы

1. ГОСТ Р 52033-2003 Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния.

2. Технический регламент Таможенного союза TP ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств», утвержденный решением Комиссии Таможенного союза от 09.12.2011 г. № 877.

3. Техника экспериментальных исследований для повышения эффективных показателей двигателей внутреннего сгорания / И.Е. Агуреев, А.П. Безгубов, Э.С. Темнов, М.Ю. Власов, Д.С. Лукьянов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 5. Ч. 3. С. 289 - 298.

Авдеев Дмитрий Викторович, студент, dmitriy.avdeev94@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Хмелев Роман Николаевич, д-р техн. наук, проф., aiah@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

EXPERIMENTAL RESEARCHES OF TOXICITY OF THE FULFILLED GASES OF ENGINES WITH SPARK IGNITION

D. V. Avdeev, R.N. Khmelev

Experimental researches and the analysis of toxicity of the fulfilled gases atmospheric and supercharged engines ZMZ-406 are made with a glance of currently in force regulations on the emissions of harmful substances in the exhaust gases. Experiment was made at the stand pro-viding possibility of connection of the turbo-supercharging system to the atmospheric engine. For definition of indicators of the engine work the program of computer diagnostics «Motor-scan» and gas analyzer ASCON 02 was used.

Key words: internal combustion engine, experimental researches, toxicity of the fulfilled gases.

Avdeev Dmitry Viktorovich, student, dmitriy. avdeev94@yandex. ru , Russia, Tula, the Tula state university,

Khmelev Roman Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, aiah@yandex. ru , Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.2.082.18

ВЛИЯНИЕ СМАЗОЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С НАНОЧАСТИЦАМИ ДИСЕЛЕНИДА ВОЛЬФРАМА НА ТРЕНИЕ

В ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ

А. Д. Бреки, В.В. Медведева, Ю.А. Фадин, О.В. Толочко,

Е.С. Васильева, Н.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Ю.Е. Титова

Представлены результаты исследования влияния наночастиц диселенида вольфрама на трение в радиальных подшипниках лёгкой серии, смазываемых жидким смазочным материалом. Для создания жидкого смазочного композиционного материала были использованы полученные методом газофазного синтеза пластинчатые нано-частицы диселенида вольфрама размером 60х5 нм.

Ключевые слова: жидкие смазочные композиции, дихалькогениды вольфрама, наночастицы, газофазный синтез, трение, износ.

Подшипники качения служат опорами для валов и вращающихся осей и работают в условиях преобладающего трения качения [1, 2]. Они воспринимают радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу, и сохраняют заданное положение оси вращения вала. Во избежание снижения КПД механизма потери на трение в подшипниках качения должны быть минимальными. Подшипники качения применяются в электродвигателях, автомобилях, тракторах и металлорежущих станках, в сельскохозяйственных и бумагоделательных машинах, в насосах, буксах вагонов, комбайнах и редукторах, центрифугах и прокатных станах, домкратах и других механизмах и машинах. Ущерб, связанный с потерями на трение, представляется весьма существенным, в связи с таким многообразием областей применения подшипников качения в различных отраслях российской экономики.

171