ИССЛЕДОВАНИЕ  ЭКОЛОГИЧЕСКИХ  ХАРАКТЕРИСТИК  ДВИГАТЕЛЕЙ  ВНУТРЕННЕГО  СГОРАНИЯ

Поливодин  Эдуард  Сергеевич

ассистент  кафедры  Техническая  Эксплуатация  Автомобилей,  ЮРГУЭС,  г.  Шахты

E-mail:  polivodin@bk.ru

Источником  токсичных  выбросов  является  не  автомобиль  в  целом,  а  непосредственно  его  двигатель,  а  концентрация  токсичных  выбросов  определяется  газоанализаторами  (для  бензиновых  двигателей)  и  дымомерами  (для  дизельных  двигателей). 

С  ежегодным  увеличением  автомобильного  парка  России  также  увеличиваются  выбросы  вредных  веществ  в  атмосферу  с  отработавшими  газами.  Их  суммарная  доля  в  некоторых  регионах  страны  может  достигать  80  %  от  всех  загрязняющих  выбросов.  Ежегодно  в  процентном  соотношении  выбросы  вредных  веществ  от  автомобильного  транспорта  увеличивается  на  2…5  процента  [1].  Из-за  отсутствия  фактического  контроля  компетентных  органов  за  техническим  состоянием  автомобилей  на  дорогах  можно  встретить  транспортные  средства,  которые  по  визуальному  анализу  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  «лямбда»  (в  технической  литературе  её  ещё  можно  встретить  как  коэффициент  α  «альфа»).  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.  Обогащая  смесь,  т.е.  увеличивая  в  ней  содержание  топлива  (λ<1),  то  при  её  воспламенении  в  связи  с  недостатком  кислорода  образуются  продукты  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.  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.  На  практике  же  идеального  процесса  сгорания  углеводородного  топлива  не  бывает,  поскольку  незначительная  часть  углеводородного  топлива  оседает  на  стенках  камеры  сгорания  (КС),  да  и  по  самому  объёму  камеры  сгорания  смесь  однородно  не  перемешивается.  Это  говорит  о  том,  что  в  составе  отработавших  газов  (ОГ)  постоянно  присутствуют  оксид  углерода  и  углеводороды  в  некоторых  концентрациях.  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  [3]  . 

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  до-окисление  (дожигание)  оксида  углерода,  углеводородов,  углекислого  газа,  т.е.  в  нейтрализаторах  протекает  процесс  преобразования  вредных  соединений  до  безвредных.  На  двигателях  имеющих  нейтрализаторы  отработавших  газов  концентрация  вредных  веществ  значительно  ниже,  концентрации  вредных  веществ  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  наиболее  «страшными»  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)  -  часть  полного  процесса  сгорания,  увеличивается  при  увеличении  температуры  сгорания,  в  больших  концентрациях  вызывает  лёгочные  заболевания.

Бурное  развитие  моторной  техники  заставляет  ужесточать  требования  к  их  экологической  безопасности.  Данный  вопрос  может  решаться  в  двух  направлениях:  первое  –  создание  электромобилей,  работающих  за  счёт  подзарядки  от  сети  постоянного  тока,  тогда  теряются  скоростные  характеристики  и  непрерывность  работы  автомобиля  снижается,  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  является  существенным  и  полноценным  для  реализации  его  в  нашей  стране,  так  как  физической  возможности  перехода  на  уровень  Евро-4,5-  наши  нефтеперерабатывающие  заводы  не  имеют.

В  своей  выпускной  квалификационной  работе  весной  2011  года  «Исследование  экологических  характеристик  двигателей  внутреннего  сгорания  в  условиях  лаборатории  «Автомобильные  двигатели»  кафедры  ТЭА  ЮРГУЭС»  были  исследованы  показатели  выбросов  вредных  веществ  отработавших  газов  бензинового  двигателя  ВАЗ-21124  при  работе  на  бензине  с  разным  октановым  числом.  В  режиме  холостого  хода  и  на  малых  нагрузках  (не  более  2500  об/мин-1)  была  протестирована  работа  двигателя  на  бензинах  марок  А-80,  АИ-92,  АИ-95,  АИ-98.  После  чего  результаты  исследования  показали,  что  марки  бензина  на  состав  отработавших  газов  не  влияют  в  режиме  холостого  хода  и  малых  нагрузках.  Показатели  СО,  СН  были  в  пределах  допустимых  ГОСТ  17.2.2.03-87.

Помимо  исследований  токсичности  отработавших  газов  я  проводил  наблюдения  за  расходом  топлива  на  различных  бензинах.  В  ходе  чего  сделал  вывод,  что  существенного  влияния  на  расход  топлива  октановое  число  бензина  не  влияет  в  режимах  малых  нагрузках.  Такое  изменение  следует  наблюдать  при  испытании  двигателя  в  режимах  полных  нагрузках.

Также  мною  были  проведены  испытания  по  отключению  пар  цилиндров  двигателя  с  целью  имитации  соответствующей  неисправности,  в  ходе  которой  была  выявлена  существенная  топливная  экономичность  (порядка  30%),  что  наталкивает  на  мысль  о  необходимости  произвести  подобные  испытания  в  условиях  скоростной  нагрузки.  При  эксплуатации  автомобиля  в  городских  дорожных  условиях  (светофоры,  дорожные  заторы  и  др.)  двигателю  необязательно  работать  на  всех  цилиндрах.  Целесообразно  будет  отключать  половину  цилиндров,  что  позволит  достичь  топливной  экономичности  и  снижение  токсичности  при  эксплуатации  автомобиля  на  данном  режиме  с  последующей  установкой  такой  функции  на  панель  управления  автомобиля.  Данную  функцию  используют  некоторые  зарубежные  производители  автомобилей  в  частности  BMW  давно  уже  начал  применять  такую  функцию  на  своём  продукте.

Как  известно  чем  выше  прогревается  нейтрализатор  отработавших  газов,  тем  эффективней  он  работает.  Было  бы  не  лишним  установить  датчик  температуры  на  нейтрализаторе,  который  не  запускал  бы  двигатель  пока  нейтрализатор  не  прогреется  для  необходимой  для  его  работы  температуры  (около  180˚С).  Данный  датчик  позволял  бы  значительно  снизить  выбросы  вредных  веществ  в  атмосферу.  Данный  датчик  считать  как  обязательным  элементом  автомобиля.  При  этом  необходимо  иметь  функцию,  которая  позволяла  бы  в  экстренной  ситуации  запустить  двигатель  не  прогревая  нейтрализатор  до  определённой  температуры.

Список  литературы:

1.Авторский  коллектив.  Экологический  вестник  Дона:  «О  состоянии  окружающей  среды  и  природных  ресурсов  Ростовской  области  в  2010  году».  Ростов-на-Дону,  2010.-28  с.

2.ГОСТ  17.2.2.03-87  Нормы  и  методы  измерений  содержания  окиси  углерода  и  углеводородов  в  отработавших  газах  автомобилей  с  бензиновыми  двигателями.  Издательство  стандартов  1987.

3.Кульчицкий  А.Р.  Токсичность  автомобильных  и  тракторных  двигателей:  учеб.пособие.  М.:Академический  проспект,  2004.-155  с.