CC BY
25m
Транспорт и экология
Снижение вредных выбросов городского автомобиля с бензиновым двигателем
A.З. Шарипов,
инженер РУДН, С.В. Гусаков,
профессор, зав. кафедрой РУДН, д.т.н.,
B.Ф. Каменев,
профессор, начальник отдела НАМИ, д.т.н.
Приведены результаты испытаний и дан анализ эффективности методов и устройств для снижения выброса токсичных веществ с отработавшими газами до действующих и перспективных нормативных требований бензиновыми двигателями автомобилей массой до 3,5 т.
Ключевые слова: автомобиль, бензиновый двигатель, вредные выбросы, нормативные требования, прогрев двигателя.
Decreasing harmful emissions of the city car with the petrol engine
A.Z. Sharipov, S.V. Gusakov, V.F. Kamenev
The actual problem of decreasing harmful emissions by cars with petrol engines in weight up to 3^ is discussed. Results of tests and the analysis of efficiency of methods and devices for decrease in emission of toxic substances with the exhaust gases of the engine is given.
Keywords: the car, the petrol engine, harmful emissions, normative requirements, warming up of the engine and neutralizer.
Рост автомобильного парка потребовал периодического обновления стандартов и ужесточения нормативных требований к выбросам вредных веществ (ВВ) автотранспортными средствами. Нормативы на предельно допустимые выбросы ВВ в европейском законодательстве с 1993 по 2010 г. ужесточились в 2,7 раза на оксид углерода и в 5,4 раза на суммарный выброс углеводородов и оксидов азота для категорий наиболее массовых автомобилей (рис. 1).
Одновременно с количественным ужесточением вредных выбросов в нормативных требованиях происходит и качественное изменение
экологических стандартов в сторону расширения видов нормируемых параметров, приближения испытательных циклов к действительным условиям эксплуатации автомобилей, учета климатических условий эксплуатации и сохраняемости экологических параметров в течение всего срока эксплуатации. Поэтому процедуры испытаний автомобилей при оценке их вредных выбросов, то есть ездовой цикл и условия испытаний, начали изменяться (таблица).
Анализ режимов работы автомобильного бензинового двигателя в условиях городской эксплуатации показывает, что на суммарные
вредные выбросы значительное влияние оказывает режим работы непро-гретого двигателя после его холодного пуска. Поэтому принятый ранее в Правилах ЕЭК ООН № 83 (поправки 02 и 03) городской ездовой цикл для автомобилей, в основном легковых и грузопассажирских, массой до 3,5 т предусматривал перед началом испытаний прогрев двигателя в течение 40 с после холодного пуска, и только затем начинался отбор пробы отработавших газов для анализа. Однако такая процедура испытаний не отражает условия эксплуатации автотранспорта в Скандинавских странах и России, где средняя температура в зимнее время опускается ниже 0 °С. При работе непрогретого двигателя выброс автомобилем оксида углерода и углеводородов увеличивается в 1,5-2 раза. Поэтому начиная с поправки 04 к Правилам ЕЭК ООН № 83 в процедуре испытания (тип 1) по ездовому циклу был исключен режим предварительного прогрева в течение 40 с перед началом ездового цикла, что увеличило выброс двигателем СО и СН. Поправкой 05 к Правилам ЕЭК ООН № 83 были введены новый тип испытаний охлажденного до -7 °С автомобиля по фазе городского ездового цикла, бортовая диагностика параметров работы всех антитоксичных систем и устройств при пробеге 100 тыс. км в ходе эксплуатации, а также раздельные нормы выбросов СН и N0 .
X
Проведенный анализ режимов работы автомобильного бензинового двигателя по результатам испытаний автомобиля ВАЗ-2112 по ездовому циклу Правил ЕЭК ООН № 83 подтвердил, что значительное влияние на суммарные вредные выбросы оказывает режим работы непрогретого двигателя после его холодного пуска. Ездовой цикл Правил ЕЭК ООН № 83 включает пять фаз движения автомобиля, начиная с холодного пуска двигателя и работы на режиме холостого хода в течение 12 с (рис. 2а). Первые
Транспорт и экология
lijitii
''"Сацл***
ВВ,
г/км
3,0 -
2,5 -
2,0 -
1,5 -
1,0 -
0,5 -
СО
со
CH+NO*
CH+NOx
ЕЭС
рф
1993 1996 'S 1 ЕВРО-1 I
I
2000 ЕВРО-2 I
2005 2010
ЕВРО-3 I ЕВРО-4 I ЕВРО-5
-1-1-
2014 2015 Годы
ЕВРО-6
1 ЭК-1
ЭК-2
ЭК-4
ЭК-5
Рис. 1. Изменение норм выбросов вредных веществ автомобилями массой до 3,5 т: -ЕС,-----РФ (ЭК - экологический класс)
четыре фазы соответствуют городскому движению автомобиля. Причем фазы 1 и 2 практически протекают в режиме прогрева автомобиля и двигателя. Фаза 5 имитирует высокоскоростное загородное движение.
Фаза 1 городского ездового цикла включает три подфазы: А - разгон автомобиля и движение на скорости 15 км/ч; Б - разгон автомобиля и движение на скорости 32 км/ч; В - разгон автомобиля и движение на скорости 50 км/ч с последующим замедлением
и движением на скорости 35 км/ч. Вариант I (см. рис. 26) соответствует выбросам (г) оксида углерода, углеводородов и оксида азота автомобиля с классической конструкцией выпускной системы при установке нейтрализатора под полом при удаленности реакторной полости от двигателя на 1230 мм, вариант II (см. рис. 2в) - при приближенном нейтрализаторе с его размещением от двигателя на 850 мм. Вариант III (см. рис. 2г) предусматривает конструкцию системы выпуска
с катколлектором, то есть неитрали-затор конструктивно сформирован как единое целое с выпускным коллектором цилиндров двигателя. При этом удаленность реакторной полости неИтрализатора от двигателя минимальна и составляет 200 мм.
Суммарные массовые вредные выбросы для каждого варианта приведены ниже.
Вещества..............СО
Выбросы, г/км
Вариант 1.......1,103
Вариант II......0,493
Вариант III ....0,141
СН NO
x
0,182 0,054 0,131 0,028 0,069 0,096
Из приведенных результатов испытаний ВАЗ-2112 видно, что у автомобиля (вариант I) только за первые две фазы городского ездового цикла выбрасывается 80.. .90 % оксида углерода и углеводородов от полной массы их выбросов за весь ездовой цикл испытаний. Испытания также показали, что хотя на подфазе А двигатель автомобиля работает короткое время и развивает небольшую мощность, доля выбросов СО и СН составляет до 50 % от общего выброса за фазу 1.
У автомобиля (вариант II), имеющего экологически более совершенные двигатель и нейтрализатор, доля ВВ в фазе 1 уменьшилась в 2-2,5 раза. У автомобиля (вариант III) с катколлек-тором - наименьший выброс вредных веществ, но каталитический блок находится в зоне максимальной температуры отработавших газов (ОГ),
Нормы ЕС РФ Нормы выбросов, г/км Требования к испытаниям
Нормативный документ Год Нормативный документ Год СО СН NOx СН+ NOx
Евро-1 Правила № 83-02 ЕЭК ООН 1993 ГОСТ Р 41.83-99 1999 2,72 - - 0,97 Ездовой цикл UDC+EUDC
Евро-2 Правила № 83-03 ЕЭК ООН 1996 2002 2,2 - - 0,5
Евро-3 Правила № 83-04 ЕЭК ООН 2000 Экологический техрегламент РФ 2008 2,3 0,2 0,15 - Ездовой цикл без 40 с прогрева
Евро-4 Правила № 83-05 ЕЭК ООН 2005 2010 1,0 0,1 0,08 - Холодные испытания автомобиля при -7 °С
Евро-5 Правила № 83-05 ЕЭК ООН 2010 2014 1,0 0,1 0,06 - Бортовая система диагностики при пробеге 100 тыс. км
<Щ
Транспорт и экология
а
6,3
б
глг
Е22 - СО; [Щ] - СИ; - N0
Рис. 2. Ездовой цикл (а) и выбросы вредных веществ для различных фаз ездового цикла Правил ЕЭК ООН № 83 и вариантов (б, в, г) удаленности нейтрализатора от выпускного фланца двигателя автомобиля ВАЗ-2112
которая при режимах работы двигателя на полной мощности достигает более 1000 °С. Это способствует быстрому термическому старению каталитической подложки блока и, как следствие, снижению ресурса и потере степени конверсии вредных выбросов.
При испытаниях было выявлено, что повышенные выбросы в фазе 1 городского ездового цикла определяются несколькими факторами. К первой группе факторов относятся особенности рабочего процесса двигателя на режимах холостого хода и малых нагрузок, негативно влияющие на протекание процессов сгорания, образования вредных веществ и смесеобразования во впускной системе. Ко второй относится неэффективность работы каталитического нейтрализатора и всей системы нейтрализации ОГ вследствие происходящих в выпускной системе и нейтрализаторе газодинамических процессов теплообмена во время холодного пуска и прогрева двигателя. В эти периоды значительная часть теплоты ОГ теряется вследствие теплообмена в выпускном трубопроводе на пути к нейтрализатору, что не позволяет быстро прогреться полости реактора до температуры начала эффективной конверсии ВВ. Причем, чем ниже температура холодного пуска, тем медленнее протекает этот процесс при движении автомобиля и, как следствие, увеличивается доля вредных выбросов в период прогрева двигателя. Изменения процедур испытаний и одновременное ужесточение норм вредных выбросов в новых поправках к Правилам ЕЭК ООН № 83 потребовали от производителей автомобилей и двигателей новых технических решений, обеспечивающих эффективную работу системы бифункциональной нейтрализации в период прогрева двигателя, особенно при отрицательных температурах окружающей среды.
Транспорт и экология
lijitii
Рис. 3. Функциональная схема комплексной антитоксичной системы
Для минимизации негативных процессов, влияющих на общий объем выбросов ВВ автомобильным двигателем, был предложен ряд мероприятий по ускорению его прогрева и выхода на режим максимальной эффективности системы нейтрализации вредных выбросов (рис. 3).
Разработанный комплекс наряду со штатной системой распределенного фазированного впрыскивания бензина и бифункциональной системой нейтрализации с электроподогревае-мым кислородным датчиком (Л-зонд) включал ряд дополнительных технических мероприятий. Для устойчивого воспламенения богатой топливо-воздушной смеси в период холодного пуска система зажигания обеспечивала форсированный по мощности разряд свечи и запаздывание угла опережения зажигания в первой части фазы прогрева двигателя. Хотя поздний угол опережения зажигания немного увеличивал расход топлива, однако при этом затягивалась фаза его горения и выделения теплоты на такте расширения, что содействовало повышению температуры ОГ и увеличению теплопередачи в систему охлаждения. Это ускоряло прогрев двигателя и нейтрализатора.
Для ускорения прогрева каталитических блоков основного
нейтрализатора и выхода его на эффективный режим работы патрубки цилиндров выпускного коллектора и выпускной трубопровод были термо-изолированы. Это позволило уменьшить теплоотдачу от ОГ в окружающую среду и поднять их температуру на входе в нейтрализатор.
В выпускной системе перед основным нейтрализатором был установлен небольшой стартовый каталитический блок окислительного типа, который первым прогревался до температуры начала эффективной работы «light off» и обеспечивал окисление продуктов неполного сгорания обогащенной топливовоздушной смеси с интенсивным выделением теплоты. Для эффективного окисления продуктов неполного сгорания топлива потребовалось введение устройства дополнительной подачи воздуха в выпускную систему до стартового нейтрализатора, который обеспечивал более раннее вступление в работу системы нейтрализации после холодного пуска двигателя.
Для ускорения прогрева двигателя были осуществлены предподогрев масла в картере двигателя, включаемый за 1...3 мин до холодного пуска двигателя в зависимости от начальной температуры окружающей среды, и ускоренный подогрев охлаждающей
жидкости с помощью теплового аккумулятора. Для оценки эффективности этих мероприятий были испытаны разработанный фирмой ООО «ИВЭЛЬ» электроподогреватель моторного масла в картере системы смазки двигателя, в основе которого лежит применение керамических позисторов из титаната бария, и автономная система предстартового прогрева двигателя перед холодным пуском с помощью теплового аккумулятора, разработанного фирмой ООО «Крис».
Система предстартового прогрева позволяет поднять температуру двигателя до 25...30 °С в начале прогрева после пуска двигателя. При этих испытаниях был также применен дополнительный адсорбционный блок, который связывает находящиеся в отработавших газах продукты неполного сгорания топлива СО и СН при начальных низких стартовых температурах. Это происходит при нагреве каталитического блока до 100.150 °С, а затем при более высоких температурах происходит их десорбция в ОГ и полное окисление в каталитическом блоке основного нейтрализатора.
Все мероприятия подтвердили свою эффективность и обеспечили автомобилю выполнение действующих нормативных требований. Однако они экономически неоправданно усложняли и делали дороже конструкцию автомобиля, не обеспечивая гарантийного запаса для выполнения перспективных нормативных требований. Поэтому на последующих этапах работа была направлена на создание и исследование комплексной системы химмотологического разогрева двигателя и нейтрализатора за счет введения в рабочий процесс химически активных веществ, получаемых из бензина путем каталитического синтеза в термохимическом конвертере на борту автомобиля. Такая система должна обеспечивать снижение выброса вредных веществ с отработавшими газами автомобильного двигателя до перспективных норм Евро-5 и Евро-6.
