Повышение топливной экономичности и экологичности автомобиля конструктивными мерами

1. Системы впрыска бензиновых двигателей

В настоящее время практически все производители применяют вместо карбюраторов в системах питания бензиновых двигателей системы впрыска. Основными их преимуществами являются:

• более равномерное распределение смеси по цилиндрам;
• отсутствие сопротивления воздуха на впуске, что улучшает наполняемость цилиндров воздухом и повышает мощность двигателя;
• высокая степень оптимизации работы двигателя на всех режимах его работы вследствие точной регулировки состава смеси.

Автомобильные двигатели оборудуются двумя видами систем впрыска:

1. во впускной трубопровод;
2. в цилиндры двигателя (непосредственный впрыск).

На современных автомобилях системы впрыска объединяются с другими системами (зажигания, продувки, рециркуляции и т.д.). Работа этих систем координируется общим блоком управления. Общая схема системы электронного впрыска во впускной трубопровод представлена на рис. 2.

Электрический топливный насос 26, управляемый реле, подает топливо под давлением 0,3…0,6 МПа из топливного бака в систему через фильтр тонкой очистки топлива 17 и топливопровод к распределительной магистрали. Установленный на распределительной магистрали регулятор давления 4 поддерживает постоянное давление впрыска и осуществляет слив излишнего топлива в бак через топливопровод, т.е. циркуляцию топлива в системе, и исключает в ней образование пробок. Топливо из распределительной магистрали поступает к электромагнитным форсункам 5, через которые оно подается к впускным клапанам каждого цилиндра. В разных системах топливо может впрыскивается один или два раза за каждый оборот коленчатого вала; впрыск при этом может осуществляться сразу ко всем клапанам одновременно или поочередно по порядку работы двигателя.

Рис. 2. Схема системы «Мотроник» с встроенной системой диагностики: 1 — адсорбер; 2 — клапан впуска воздуха; 3 — клапан регенерации продувки; 4 — регулятор давления топлива; 5 — форсунка; 6 — регулятор давления; 7 — катушка — свеча зажигания; 8 — датчик фазы; 9 — вспомогательный воздушный насос для подачи дополнительных порций воздуха; 10 — вспомогательный воздушный клапан; 11 — расходомер воздуха; 12 — блок управления; 13 — датчик положения дроссельной заслонки; 14 — регулятор холостого хода; 15 — датчик температуры воздуха; 16 — клапан системы рециркуляции отработавших газов; 17 — топливный фильтр; 18 — датчик детонации; 19 — датчик частоты вращения коленчатого вала; 20 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 21 — лямбда-зонд (кислородный датчик); 22 — аккумуляторная батарея; 23 — диагностический разъем; 24 — диагностическая лампочка; 25 — датчик дифференциального давления; 26 — электрический топливный насос в топливном баке

Основу системы составляет электронный блок управления 12. Количество впрыскиваемого топлива, определяемое временем открытия электромагнитной форсунки, зависит от сигнала, подаваемого блоком управления. В блок управления поступает информация о количестве воздуха, поступающего в двигатель, — от расходомера 11; о частоте вращения коленчатого вала — от индукционного датчика 19; температуре двигателя — от датчика температуры охлаждающей жидкости 20; качестве сгорания топливовоздушной смеси — от кислородного датчика (лямбда-зонда) 21, расположенного в выпускной системе двигателя; протекании процесса сгорания в цилиндре — от датчика детонации 18; температуре воздуха, поступающего во впускной трубопровод, — от датчика 15; степени открытия дроссельной заслонки — от датчика 13 и др.

При запуске холодного двигателя в цилиндры поступает повышенное количество топлива, в то время как дроссельная заслонка прикрыта и воздуха для работы двигателя недостаточно. В это время по сигналу блока управления открывается электромагнитный клапан 14, подающий воздух во впускной трубопровод, минуя дроссельную заслонку, что обеспечивает устойчивую работу двигателя во время прогрева.

В современных системах впрыска согласно требованиям «Евро-4» и «Евро-5» устанавливается система улавливания топливных испарений, состоящая из угольного адсорбера 1, клапана впуска воздуха 2 и электромагнитного клапана продувки адсорбера 3. В целях снижения выбросов оксидов азота, количество которых зависит главным образом от температуры сгорания топливовоздушной смеси, в систему выпуска двигателя устанавливают клапан перепуска (рециркуляции) отработавших газов 16.

Описываемая система впрыска объединена с системой зажигания, которая включает катушку — свечу зажигания 7. Момент зажигания определяется блоком управления в зависимости от сигналов, поступающих от датчика частоты вращения коленчатого вала 19 и датчика детонации 18. Угол опережения зажигания при этом может изменяться для каждого цилиндра индивидуально, в частности, в случае возникновения детонации в каком-либо цилиндре.

Электронный блок управления является самым сложным прибором системы и координирует ее работу. Он получает электрические сигналы от датчиков или от генераторов в ожидаемом интервале значений, оценивает их и затем проводит вычисление пусковых сигналов для исполнительных устройств (приводов).

Более совершенными являются электронные системы впрыска в цилиндры двигателя (непосредственный впрыск), общая схема которой представлена на рис. 3. Топливо от топливоподкачивающего насоса 8 подается к топливному насосу высокого давления (ТНВД) 1, оснащенному датчиком давления топлива для его точного дозирования. ТНВД заключен в герметичный кожух; вал насоса приводится во вращение с помощью электромагнитной муфты. Подача топлива к форсункам цилиндров осуществляется насосом высокого давления 1, развивающим давление 4,0…11,0 МПа. При этом давление топлива, впрыскиваемое в цилиндры двигателя, может быть постоянным (системы впрыска CDI — Mitsubishi, FSI — Volkswagen) или изменяться: на холостом ходу 7,0 МПа, при полной нагрузке 11,0 МПа, на переходных режимах 3,0 МПа (система впрыска HPI французского концерна Peugeot-Citroen). Топливо накапливается в аккумуляторе давления 3 и из него по трубопроводам передается к форсункам 7. Форсунки, в отличие от традиционных систем впрыска, установлены не во впускном трубопроводе, а непосредственно в камере сгорания двигателя.

Рис. 3. Общая схема системы топливоподачи системы непосредственного впрыска

Необходимое давление в системе поддерживается предохранительным клапаном 4. При подаче напряжения из блока управления открываются соленоидные клапаны и топливо впрыскивается в камеру сгорания. Поршни двигателей, оборудованных системами непосредственного впрыска, имеют специальную конструкцию и характерные углубления на днище, которые позволяют факелу впрыскиваемого топлива закручиваться в турбулентной массе воздуха и подавать топливную смесь непосредственно к очагу воспламенения — свече зажигания. При подобной схеме смесеобразования не образуется нераспыленного топлива на днище поршня, так как сильный поток воздуха снимает и распыливает те капли топлива, которые образовались на днище поршня при начальной стадии впрыска.

2. Cовременные системы зажигания бензиновых двигателей

Контактные и бесконтактные системы зажигания в настоящее время имеют ограниченное применение. Им на смену пришли системы зажигания четвертого поколения — системы с электронновычислительными устройствами управления и без высоковольтного распределителя энергии по свечам в выходном каскаде, так называемые статические системы зажигания (рис. 4).

Применение электронных систем зажигания позволило создать систему постоянной подачи энергии для двигателей, работающих на бедной смеси во всем диапазоне режимов их работы. Одним из важных факторов, предопределивших применение таких систем, стало приближение опережения зажигания к порогу начала детонации (чем ближе работа двигателя к этому порогу, тем выше его мощность).

Электронные системы зажигания более точно, чем обычные механические, выбирают угол опережения зажигания, который задается электронным блоком управления в зависимости от начала детонационного сгорания, определяемого датчиком детонации.

Рис. 4. Статическая система зажигания: 1 — свеча зажигания; 2 — катушка зажигания; 3 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 4 — датчик положения дроссельной заслонки; 5 — блок управления; 6 — замок зажигания; 7 — АКБ; 8 — индуктивный датчик; 9 — зубчатый диск; 10 — датчик детонации

3. Системы впрыска дизельных двигателей

Качество распыливания дизельного топлива во многом предопределяет процесс его горения, а значит и образования токсичных компонентов в отработавших газах. Более качественного распыливания можно достигнуть при высоком давлении (порядка 160,0…250,0 МПа). Однако стандартные системы топливоподачи не могут обеспечить подачу топлива к форсункам под таким давлением, поэтому в настоящее время более широкое распространение имеют топливные системы с электронным управлением — Common Rail (англ. «общий путь», т.е. общая для форсунок магистраль, аккумулятор). Их главной особенностью является разделение узла, создающего давление (ТНВД-аккумулятор), и узла впрыска (форсунки) (рис. 5). По сравнению с обычным дизелем система Common Rail позволяет снизить расход топлива до 40 % при уменьшении токсичности отработавших газов и снижении шумности при работе на 10 %.

Рис. 5. Схема системы питания дизельных двигателей Common Rail: 1 — топливный бак; 2 — топливопроводы слива; 3 — ТНВД; 4 — регулятор давления; 5 — топливопровод высокого давления; 6 — топливоподкачивающий насос; 7 — фильтр; 8 — гидроаккумулятор; 9 — датчик давления; 10 — предохранительный клапан; 11 — электрогидравлическая форсунка; 12 — датчик педали акселератора; 13 — датчик частоты вращения и положения коленчатого вала; 14 — температурный датчик; 15 — блок управления

Принцип работы системы заключается в следующем. С помощью топливоподкачивающего насоса 6 топливо прокачивается через фильтр 7 с влагоотделителем и подается в радиально-плунжерный насос высокого давления 3, который с помощью эксцентрикового вала приводит в движение три плунжера. В нем размещают также регулятор производительности и подкачивающий насос. От ТНВД топливо под давлением 135,0…250,0 МПа подается в гидроаккумулятор 8, откуда под высоким давлением поступает на электроили пьезогидравлические форсунки 11. Излишки топлива от форсунок и ТНВД сливаются в топливный бак 1 через топливопроводы слива 2. Блок управления 15, получая информацию по входным параметрам (с датчиков), задает значения выходных параметров, используя заложенную программу (воздействует на исполнительные механизмы), что в целом необходимо для получения требуемых характеристик двигателя.

Количество топлива, подаваемого в цилиндры двигателя через форсунки, зависит от сигнала электронного блока управления 15 и режима работы двигателя. В блок управления поступает информация от различных датчиков: температуры двигателя, температуры поступающего воздуха, датчика частоты вращения и положения коленчатого вала двигателя, датчика положения педали акселератора, датчика расходомера воздуха, датчика давления воздуха и др. Давление в системе регулируется по сигналу блока управления с помощью регулятора 4. На холостом ходу оно минимальное, что снижает шум работы форсунок и ТНВД, а при разгоне — максимальное для обеспечения лучшей приемистости.

4. Регулируемые фазы газораспределения

В обычном двигателе фазы газораспределения определяются формой кулачка распределительного вала и остаются неизменными во всех диапазонах работы двигателя. Однако постоянные фазы газораспределения не позволяют создавать оптимальные процессы смесеобразования. Чтобы варьировать фазы газораспределения, необходимо изменять положение распределительного вала относительно коленчатого.

Одной из наиболее распространенных современных систем изменения фаз газораспределения является конструкция с гидроуправляемой муфтой (рис. 6). Привод состоит из двух частей — внутренней с закручивающимся ротором 10, связанной с распределительным валом, и внешней 11, приводимой цепью или ременной передачей от коленчатого вала. Связь между обеими частями осуществляется с помощью масляной полости, в которой выступы ротора или лопасти поворачивают ротор влево или вправо. Одновременно с ротором поворачивается распределительный вал, на который навинчен ротор.

Давление масла в рабочей камере зависит от частоты вращения коленчатого вала, нагрузки и температуры двигателя. Положение распределительного вала относительно коленчатого вала во время работы двигателя может быть как переменным, так и постоянным (фиксированным). Питание рабочей полости осуществляется от системы смазки двигателя.

Рис. 6. Схема системы непрерывного изменения фаз газораспределения с гидроуправляемой муфтой: а — общая схема; б — поворот ротора относительно корпуса вправо; в — поворот ротора относительно корпуса влево; 1 — масляный насос; 2 — электронный блок управления двигателем; 3 — датчик Холла для распределительного вала привода выпускных клапанов; 4 — датчик Холла для распределительного вала привода впускных клапанов; 5 — распределительный вал для впускных клапанов; 6 — распределительный вал для выпускных клапанов; 7 — электрогидравлический распределитель распределительного вала для впускных клапанов; 8 — электрогидравлический распределитель распределительного вала для выпускных клапанов; 9 — рабочие полости; 10 — ротор; 11 — гидроуправляемая муфта

Управляющий электрогидравлический распределитель 8 состоит из гидравлической части и электромагнита. Клапан установлен на корпусе распределительных валов и подключен к системе смазки двигателя. В цилиндре распределителя установлен золотник, перемещение которого приводит к изменению потоков масла. Управление положением золотника управляющего распределителя происходит по сигналу электронного блока управления 2. В зависимости от положения распределителя масло подается к гидроуправляемой муфте через один или через оба канала. Подключением того или иного канала производится перестановка ротора в положение «рано» или «поздно» или же он удерживается в определенном фиксированном положении.

Исходное положение золотника определяется натяжением возвратной пружины.

Диапазон перестановки распределительного вала составляет 40° по углу поворота коленчатого вала или 20° по углу поворота распределительных валов.

В настоящее время системы непрерывного изменения фаз газораспределения применяются на двигателях Audi, Volkswagen, Toyota, Renault, Volvo и др.

5. Cистемы изменения высоты подъема клапана

Применение системы изменения фаз газораспределения создает оптимальные условия работы двигателя только на полном или близком к полному открытии дроссельной заслонки. При других режимах работы двигателя поток воздуха ограничивает дроссельная заслонка, так как она определяет количество поступающего в двигатель воздуха, на основании которого электронная система управления определяет угол опережения зажигания и количество подаваемого топлива в цилиндры двигателя.

При работе двигателя на режимах частичных нагрузок дроссельная заслонка создает во впускном трубопроводе разрежение, которое ухудшает наполнение цилиндров. Чтобы исключить из конструкции двигателя дроссельную заслонку, необходимо открывать впускной клапан только на время, необходимое, чтобы достичь нужного наполнения цилиндра горючей смесью.

Благодаря увеличению хода клапана на высокой частоте вращения коленчатого вала достигаются наилучшие вентиляция цилиндра и заполнение топливовоздушной смесью. При минимальной частоте вращения коленчатого вала ход клапана минимален. При этом уменьшается эффект перекрытия клапанов, благодаря чему расход топлива минимален. С увеличением частоты вращения коленчатого вала величина открытия клапанов увеличивается.

При этом уменьшается сопротивление газовым потокам внутри цилиндра, скорость продувки и наполнения цилиндра топливовоздушной смесью возрастает. Кроме того, увеличивается действие инерционного эффекта: топливовоздушная смесь внутри цилиндра запирается клапанами при гораздо большем давлении, ее плотность выше, чем при минимальной частоте вращения коленчатого вала. Благодаря изменяющемуся ходу клапана снижаются потери на трение относительно обычного привода клапанов (вследствие небольшого сопротивления при малом ходе клапана).

Для решения задачи изменения хода клапана разработаны разные конструкции по открытию клапанов: механический привод, электрический привод и электрогидравлический привод.

Представителем механического привода является система Valvetronic (рис. 7), применяемая на автомобилях BMW, которая управляет подъемом впускных клапанов и дозирует поступающую в цилиндры рабочую смесь, что позволяет повысить экономичность двигателя без потерь мощности при удовлетворении норм «Евро-4» и сохранении системы впрыска во впускной коллектор.

Рис. 7. Система управления подъемом впускных клапанов двигателя Valvetronic (BMW): 1 — электродвигатель; 2 — колесо червячной передачи; 3 — пружина рычага; 4 — эксцентриковый управляющий вал; 5 — дополнительный рычаг с роликовой опорой; 6 — распределительный вал; 7 — коромысло; 8 — клапан

Между распределительным валом 6 и каждой парой впускных клапанов 8 размещен дополнительный рычаг 5, который крепится на оси. Электродвигатель 1 через червячную передачу поворачивает эксцентриковый управляющий вал 4 на угол, определяемый электронной системой управления. Клапаны открываются непосредственно рычагами 5 с роликовыми опорами при воздействии на коромысла, опирающиеся с одной стороны на клапан, а с другой стороны на гидравлический толкатель. Рычаги 5 посредством витых пружин 3 прижимаются к кулачку распределительного вала. Для снижения потерь на трения на осях рычага с роликовой опорой и коромысла установлены игольчатые роликовые подшипники. При повороте эксцентрикового вала, эксцентрик, набегая на рычаг 5, поворачивает его на определенный угол. Перемещая эксцентриковый вал, электродвигатель увеличивает или уменьшает плечо промежуточного рычага, тем самым удлиняя или укорачивая ход впускных клапанов в соответствии с нагрузкой двигателя. Эксцентрик, смещающий ось толкателя, имеет электрический привод, что позволяет задавать угол поворота нелинейно и программировать его индивидуально для каждого двигателя.

Величина открытия клапана изменяется от 0,20 мм (работа на холостом ходу и уменьшение нагрузки на клапан) до 9,7 мм (максимальная мощность). Высота подъема клапанов и, соответственно, продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль управления подачей топлива, потенциометр которой передает сигнал в блок управления; при этом нет необходимости применять дроссельную заслонку для изменения количества подаваемого воздуха, хотя она и сохраняется в системе Valvetronic. Она необходима лишь при диагностике системы (на всех режимах работы двигателя заслонка всегда полностью открыта).

6. Рециркуляция отработавших газов

Рециркуляция отработавших газов заключается в перепуске их части во впускную систему двигателя и последующем возврате в камеры сгорания. Так как отработавшие газы содержат очень мало кислорода, максимальные температура и давление при сгорании топлива снижаются. В результате этого уменьшается выброс оксидов азота NO_x.

Количество отработавших газов, участвовавших в рециркуляции, может достигать 20…50 % общего расхода, при этом содержание NO_x снижается до 60 %.

7. Система подачи дополнительного воздуха

Токсичные продукты неполного сгорания топлива в цилиндрах двигателя на отдельных режимах его работы можно нейтрализовать в выпускном трубопроводе путем дожигания с помощью подачи дополнительного воздуха. Система подачи дополнительного воздуха обеспечивает снижение выброса токсичных веществ при пуске холодного двигателя. При прогреве двигателя от работавшие газы содержат повышенное количество несгоревших углеводородов. Непрогретый нейтрализатор не способен их переработать, так как его температура еще не достигла рабочих значений. Подача дополнительного воздуха в выпускной трубопровод как можно ближе к тарелке выпускного клапана обогащает отработавшие газы кислородом, в результате чего создаются условия для дожигания их несгоревших компонентов. Выделяющееся при этом тепло ускоряет разогрев нейтрализатора до рабочих температур.

8. Автомобили с нетрадиционными двигателями

Электромобили. Основные преимущества электромобилей заключаются в отсутствии выброса отработавших газов и бесшумности работы. Расходы на их ремонт относительно небольшие, что объясняется простотой ремонта. Электромобили обладают хорошей маневренностью, динамичностью. Все это предопределило применение их в городских условиях эксплуатации (короткие пробеги, частые остановки, насыщенный транспортный поток).

Гибридные системы. Кроме чистых электромобилей (т.е. с электрической тягой к колесам), существуют и гибридные электромобили. В них есть специальный двигатель внутреннего сгорания, электрогенератор и аккумуляторные батареи. Гибридные схемы позволяют повышать надежность электромобилей и снижать эксплуатационные расходы.

Применение гибридных систем привода является промежуточным этапом развития электромобилей. Предполагается, что в будущем будут созданы коммерческие образцы источников электропитания, которые обеспечат для легковых электромобилей и городских электроавтобусов такие же эксплуатационные возможности, какие имеют современные легковые автомобили и автобусы с приводом от двигателя внутреннего сгорания.

Водородные двигатели на топливных ячейках. По сути это электромобили, так как и в тех, и в других движение осуществляется благодаря вращению электромотора. Разница лишь в источнике питания: электромобиль получает энергию от предварительно заряженного аккумулятора, а водородный — от пакета топливных ячеек, в котором при окислении водорода образуются электрическая энергия и вода.

9. Нейтрализация отработавших газов

Каталитическое действие нейтрализаторов основано на беспламенном поверхностном окислении токсичных веществ в присутствии катализатора, ускоряющего химическую реакцию. Процесс окисления происходит во время прохождения отработавших газов через слой носителя с нанесенным на него катализатором, причем скорость реакции сгорания зависит oт температуры носителя. Применение каталитических нейтрализаторов позволяет дожигать продукты неполного сгорания (СН и СО) и разлагать оксиды азота.

В качестве активных компонентов каталитических нейтрализаторов для СН и СО применяют благородные металлы (до 1…2 г палладия, платины), а также оксиды переходных металлов (меди, кобальта, никеля, ванадия, хромата железа, марганца). Для нейтрализации могут применяться также катализаторы на основе меди с добавкой ванадиевого ангидрида и оксида хрома, на основе оксида железа или алюминия, на основе металлических сплавов (нержавеющая сталь, бронза, латунь, легированные стали с хромоникелем).

Общая схема системы очистки отработавших газов бензинового двигателя показана на рис. 8.

Каталитический нейтрализатор представляет собой металлический корпус из жаропрочной нержавеющей стали толщиной около 1,5 мм, внутри которого находится керамический носитель. Наибольшее распространение получили гранулированные и блочные (монолитные) носители, которые пронизаны многочисленными мелкими сотами, создающими максимальную поверхность контакта (до 20 тыс. м2).

Рис. 8. Общая схема системы очистки отработавших газов бензинового двигателя: 1, 3 — входной и выходной датчики кислорода (лямбда-зонды); 2 — трехкомпонентный каталитический нейтрализатор; 4 — двигатель; 5 — блок управления двигателем; 6 — кабель шины CAN; 7 — блок управления датчиком NO_x; 8 — датчик (датчики) оксидов азота NO_x; 9 — накопительный нейтрализатор NO_x; 10 — датчик температуры

Чтобы обеспечить необходимый массоперенос между отработавшими газами и каталитической поверхностью, площадь последней увеличивают путем нанесения на нее гамма-оксида алюминия с пористой структурой в виде сферических гранул, которые укладываются в металлический цилиндр, закрытый по торцам сетками. Поверх фольги или гранул алюминия наносится тонкий слой катализаторов — платины и родия (2…3 г на весь нейтрализатор). Задача этих редких металлов — ускорять окисление углеводородов и окиси углерода до углекислого газа, а токсичные оксиды азота восстанавливать до азота. Между блоком-носителем и корпусом ставится специальная терморасширяющаяся прокладка.

10. Сажевые фильтры

Снижение выброса сажевых частиц является сегодня одной из сложнейших задач в области очистки отработавших газов дизелей. Помимо мероприятий, направленных на снижение выбросов СО, СН и NO_х и образования сажи при сгорании топлива непосредственно в двигателе, особое внимание уделяется фильтрации газов на выпуске из него. Одним из эффективных способов очистки газов от сажевых частиц является их задержание посредством специальных фильтров: с металлической «шерстью», с керамическими фильтрующими элементами, спиральных с керамическим наполнителем и др.

Общая схема системы выпуска отработавших газов дизельного двигателя с сажевым фильтром показана на рис. 9.

Наибольшее распространение получили фильтры с керамическими фильтрующими элементами. Такой фильтр состоит из сотообразных керамических модулей из карбида кремния в металлическом корпусе. Керамический модуль разделен на множество мелких каналов, которые создают лабиринт. Тем самым образуются впускные и выпускные каналы, разделенные стенками фильтра.

Рис. 9. Система выпуска отработавших газов дизельного двигателя с сажевым фильтром: 1—комбинация приборов; 2 — блок управления системы непосредственного впрыска дизельного двигателя; 3 — расходомер воздуха; 4 — датчик давления; 5 — сажевый фильтр; 6, 7, 11 — датчики температуры отработавших газов; 8 — катализатор окисления; 9 — датчик кислорода; 10 — турбонагнетатель; 12 — дизельный двигатель

Рис. 10. Принцип действия керамического сажевого фильтра: 1—вход отработавших газов; 2 — керамическая пробка; 3 — разделительная перегородка; 4 — выход очищенных отработавших газов

Стенки фильтра из карбида кремния имеют поры и покрыты слоем оксидов алюминия и церия, на который напылена платина, служащая катализатором (оксид церия снижает температуру воспламенения сажи и ускоряет термическую реакцию с кислородом).

По сравнению с каталитическим нейтрализатором со свободным проходом отработавших газов, в сажевом фильтре каналы установлены с чередованием открытых и закрытых концов, а газы с частицами сажи пропускаются через пористые стенки ячеистой конструкции без покрытия (рис. 10). Сажевые частицы при этом осаждаются в порах стенок. В зависимости от пористости керамического тела эти фильтры могут задерживать от 70 до 90 % твердых частиц.

Для нормальной работы при длительных условиях эксплуатации сажевые фильтры должны подвергаться регенерации через определенные промежутки времени, при этом осуществляется дожигание сажевых частиц (частицы сажи, участвуя в реакции с двуокисью азота, превращаются в углекислый газ).

11. Очистка отработавших газов дизельных двигателей по принципу SCR

Вроцпессе очистки по принципу SCR (Selective Catalytic Reduction, т.е. селективное каталитическое восстановление) в отработавшие газы добавляется восстановитель, например раствор мочевины с концентрацией 32,5 % по массе (рис. 11). В гидролизном нейтрализаторе из раствора мочевины добывается аммиак (NH₃), который реагирует в нейтрализаторе SCR с NO_x, в результате чего образуются азот и вода.

Рис. 11. Схема системы очистки отработавших газов дизельных двигателей по принципу SCR: 1 — двигатель; 2 — датчик температуры; 3 — окислительный нейтрализатор; 4 — форсунка для впрыскивания восстановителя; 5 — датчик NO_x; 6 — гидролизный нейтрализатор; 7 — нейтрализатор SCR; 8 — заграждающий нейтрализатор NH₃; 9 — датчик NH₃; 10 — электронный блок управления двигателя; 11 — насос восстановителя; 12 — бак для восстановителя; 13 — датчик уровня восстановителя

Современные нейтрализаторы SCR могут исполнять функции гидролизного нейтрализатора, так что последний становится не нужен.

Окислительный нейтрализатор перед добавлением восстановителя увеличивает эффективность системы. Окислительный нейтрализатор (заграждающий нейтрализатор NH₃), установленный за нейтрализатором SCR, предотвращает возможный выброс NH₃. Нейтрализаторы, работающие по принципу SCR, применяются преимущественно на грузовых автомобилях. Благодаря высокой степени снижения содержания NO_x (до 90 % в европейском ездовом тестовом цикле для грузовых автомобилей) возможна регулировка двигателя, оптимальная по расходу топлива (экономия до 10 %).

Требования к экологичности автомобиля в современном мире

Автомобиль и экология

Экологические требования к современному автомобилю являются в настоящее время приоритетными. Экологическая безопасность — это свойство автомобиля снижать негативные последствия влияния эксплуатации автомобиля на участников движения и окружающую среду. Она направлена на снижение токсичности отработанных газов, уменьшение шума, снижение радиопомех при движении автомобиля.

Несмотря на многочисленные попытки заменить двигатель внутреннего сгорания каким-либо другим, не выделяющим токсичные вещества, альтернативы ему пока нет.

А если принципиально новый двигатель и появится, то переналадка производства для его крупносерийного выпуска потребует грандиозных капиталовложений и произойдет далеко не сразу.

Вместе с тем уже сейчас человечество подошло к той черте, когда без экологически чистого автомобиля просто не обойтись. И выход пока видится один — надо если не полностью исключить, то во всяком случае
свести к минимуму вредные выбросы ДВС.

Вредные выбросы и их воздействие на живую природу

Как образуются доставляющие всем столько хлопот вредные вещества в отработавших газах? Известно, что топливо сгорает в камере при взаимодействии с кислородом воздуха. Этот процесс сопровождается интенсивным выделением тепла, которое и
преобразуется в работу.

Теоретически для сгорания 1 кг бензина требуется 14,7 кг воздуха, однако на практике этого количества оказывается недостаточно.

Дело в том, что воспламенение и сгорание бензино-воздушной смеси (ее еще называют горючей) длится тысячные доли секунды, и к такому быстрому процессу она недостаточно хорошо подготовлена.

В смеси остаются газы от предыдущего цикла, препятствующие доступу кислорода к частицам топлива; кроме того, не удается добиться ее идеального перемешивания по объему цилиндра, особенно у непрогретого двигателя и на переходных режимах.

В результате не все топливо окисляется до конечных продуктов, и для нормального протекания процесса сгорания его приходится добавлять. Если в горючей смеси количество топлива больше расчетного, смесь называется богатой, если меньше — бедной.

При средних нагрузках главное внимание обращается на экономичность, поэтому в камеру сгорания подается несколько обедненная смесь.

При небольшом обогащении смеси скорость ее сгорания увеличивается, в камере развиваются более высокие температура и давление. Для максимальных нагрузок или резкого перехода с малой нагрузки на большую требуется богатая смесь.

Большое количество топлива подается в цилиндры и при пуске холодного двигателя, когда горючую смесь образуют только самые легкие фракции топлива. В этих случаях из-за недостатка кислорода топливо сгорает не полностью.

Двигатель хотя и развивает большую мощность, но работает не экономично и выбрасывает в атмосферу токсичные продукты неполного сгорания.

Наиболее токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей являются: оксид углерода (СО), оксиды азота (NОx), углеводороды (СnHm), а в случае применения этилированного бензина — свинец.

Состав выбросов дизельных двигателей
отличается от бензиновых. В дизельном двигателе происходит более полное сгорание топлива. При этом образуется меньше окиси углерода и несгоревших углеводородов.

Но, вместе с этим, за счет избытка воздуха в дизеле образуется большее количество

оксидов азота. Дизельные двигатели, кроме всего прочего, выбрасывают твердые частицы (сажу). Сажа, содержащаяся в выхлопе, нетоксична, но она адсорбирует на поверхности своих частиц канцерогенные углеводороды. При сгорании низкокачественного дизельного топлива, содержащего серу, образуется сернистый ангидрид.

Как же эти вредные компоненты воздействуют на человека и окружающую среду? В обычных условиях СО- бесцветный газ без запаха, он легче воздуха и поэтому может легко распространятся в атмосфере.

При действии на человека СО вызывает головную боль, головокружение, быструю утомляемость, раздражительность, сонливость, боли в области сердца.

Оксид азота NO — бесцветный газ, диоксид азота NO2— газ красно-бурого цвета с характерным запахом.

Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта.

Воздействие NO2 cпособствует развитию заболеваний легких.

Некоторые углеводороды СН являются сильнейшими канцерогенными веществами (например бензапирен), переносчиками которых могут быть частички сажи, содержащиеся в отработавших газах.

В скопившихся над асфальтом облаках СН и NOx под воздействием света происходят химические реакции. Разложение оксидов азота приводит к образованию озона.

Вообще-то озон не стоек и быстро распадается, но только не в присутствии углеводородов (СН) — они замедляют процесс распада озона, и он активно вступает в реакции с частичками влаги и другими соединениями. Образуется стойкое облако мутного смога.

Озон разъедает глаза и легкие, а выбросы NОх участвуют в формировании кислотных дождей.

В случае применения этилированных бензинов около 50% свинца осаждается в виде нагара на деталях двигателя и в выхлопной трубе, остаток уходит в атмосферу.

Свинец присутствует в отработавших газах в виде мельчайших частиц размером
1-5 мкм, которые долго сохраняются в атмосфере. Концентрация свинца в атмосфере придорожной полосы в 2-20 раз больше, чем в других местах.

Присутствие свинца в воздухе вызывает серьезные поражения органов пищеварения, центральной

и периферической нервной системы. Воздействие свинца на кровь проявляется в снижении количества гемоглобина и разрушении эритроцитов.

Нормы токсичности выхлопных газов

Первыми тревогу забили в США и в Японии, где проблема загазованости в крупных городах встала особенно остро. Были законодательно утверждены требования по токсичности выхлопов новых автомобилей, которые периодически пересматривались и
ужесточались. Вскоре аналогичные законы были приняты и в странах Европы.

Содержание вредных веществ в отработанных газах

При современном уровне развития техники наиболее эффективным способом снижения токсичности выхлопа является нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов с использованием химических реакций окисления и (или) восстановления. С этой целью в выпускную систему двигателя устанавливают специальный термический реактор (нейтрализатор).

Устройство и принцип действия каталитических нейтрализаторов

Устройство каталитического нейтрализатора

На современных автомобилях для снижения выбросов вредных веществ устанавливаются трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы.

Трехкомпонентными их называют потому, что они нейтрализуют три вредных составляющих выхлопных газов: СО, СН и NO.

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор представляет собой корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска до глушителя.

В корпусе располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми тончайшим слоем вещества катализатора, которое само не вступает в химические реакции, но одним своим присутствием ускоряет их течение.

В качестве катализатора используется платина и палладий, которые способствуют окислению СО и СН, а родий ”борется” с NOx.

В результате реакций в нейтрализаторе токсичные соединения CO, CH и NOx окисляются или восстанавливаются до углекислого газа
СО2, азота N2 и воды Н2О.

Как правило, носителем в нейтрализаторе служит спецкерамика -монолит со множеством продольных сот-ячеек, на которые нанесена специальная шероховатая подложка.

Это позволяет максимально увеличить эффективную площадь контакта каталитического покрытия с выхлопными газами — до величин около 20 тыс.кв.м.

Причем вес благородных металлов, нанесенных на подложку на этой огромной площади, составляет всего 2-3 грамма.

Керамика сделана достаточно огнеупорной – выдерживает температуру до 800-850°С. Но все равно при неисправности системы питания и длительной работе на переобогащенной рабочей смеси монолит может не выдержать и оплавиться — и тогда каталитический нейтрализатор выйдет из строя.

Впрочем, все шире в качестве носителей каталитического слоя используются тончайшие металлические соты.

Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, получить меньшее противодавление, ускорить разогрев каталитического нейтрализатора до рабочей температуры и, главное, расширить температурный диапазон до 1000-1050°С.

На первый взгляд может показаться, что установка катализатора решает все экологические проблемы. Однако, температура, при которой катализатор начинает действовать (температура активации), находится в пределах 250–350°С.

Время же, необходимое для разогрева, может достигать нескольких минут и зависит от типа автомобиля, способа его эксплуатации и температуры воздуха.

Холодный катализатор практически неэффективен – следовательно, необходимо уменьшить время достижения температуры активации.

Проблему частично решили, приблизив нейтрализатор к выпускному коллектору (такое сочетание часто называют катколлектором). Кроме этого, коллектор изготавливают из тонкостенных стальных труб вместо массивных чугунных и дополнительно утепляют,
уменьшив тем самым тепловые потери.

Другой способ быстро прогреть нейтрализатор – подать в отработавшие газы дополнительную порцию воздуха и одновременно обогатить смесь. Топливо догорает уже на выпуске, температура выхлопных газов растет, и нейтрализатор быстрее выходит на рабочий режим.

Иногда нейтрализатор разогревают электрическим термоэлементом, однако это влечет дополнительные энергозатраты.

Обратная связь

Трехкомпонентный нейтрализатор наиболее эффективен при определенном составе отработавших газов. Это значит, что нужно очень точно выдерживать состав горючей смеси возле так называемого стехиометрического отношения воздух/ топливо,
значение которого лежит в узких пределах 14,5- 14,7.

Если горючая смесь будет богаче, то упадет эффективность нейтрализации СО и СН, если беднее- NOx. Поддерживать стехиометрический состав горючей смеси можно было только одним способом- управлять смесеобразованием, немедленно получая информацию о процессе сгорания, то есть, организовав обратную связь.

Для этого в выпускной коллектор поместили специально разработанный кислородный датчик- так называемый лямбда-зонд.

Он вступает с раскаленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень которого зависит от количества кислорода в выхлопе. Если кислорода осталось много- значит, смесь слишком бедная, если мало- богатая.

А по результатам мгновенного анализа, которым занимается электроника, можно быстро корректировать состав смеси в ту или иную сторону.

Напряжение на выходе кислородного датчика принимает два уровня. Если смесь бедная, то низковольтный сигнал дает команду на обогащение топливной смеси, и наоборот. На современных нейтрализаторах устанавливается два кислородных датчика. Первый определяет качество смеси- богатая или бедная. Другой, установленный за нейтрализатором, отслеживает эффективность нейтрализации.

Дальнейшим развитием систем коррекции являются адаптивные системы с возможностью «самообучения» в процессе эксплуатации.

Суть работы таких систем заключается в том, что по мере изменения характеристик различных систем и компонентов двигателя в процессе эксплуатации (например, загрязнение форсунок, уменьшение компрессии, подсос воздуха) в специальной области памяти блока управления накапливаются «поправочные коэффициенты», используемые процессором при расчете длительности времени впрыска на различных установившихся режимах. Это позволяет поддерживать стехиометрический состав смеси даже при значительных отклонениях в состоянии системы.

Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизельных двигателей

Сравнительно небольшое содержание вредных компонентов в отработавших газах дизелей не требовало в прошлом установки специальных устройств. Однако ужесточение норм токсичности (Евро-3 и Евро-4) коснулось и их.

Основные претензии к дизелям экологи предъявляют из-за содержания частиц сажи и окиси азота (NOx) в выхлопе.

Поэтому и на дизелях появились системы снижения токсичности выхлопа, включающие рециркуляцию отработавших газов, каталитический нейтрализатор и специальный сажевый фильтр.

Система рециркуляции выхлопных газов (ЕGR) применяется на бензиновых, дизельных и газовых двигателях. Предназначена для снижения токсичности отработавших газов (главным образом содержания оксидов азота NOx) в режимах прогрева и резкого ускорения двигателя, который на данных режимах работает на обогащённой топливной смеси.

Часть отработавших газов попадает в обратно в цилиндры, что вызывает снижение максимальной температуры горения и, как следствие, уменьшение выбросов оксидов азота, образующихся при высоких температурах и являющихся одними из самых токсичных веществ. Система EGR не используется на холостых оборотах (прогретый двигатель), на холодном двигателе и при полностью открытой заслонке.

Работа системы вызывает снижение эффективной мощности двигателя.

Сажевые фильтры изготавливают в виде пористого фильтрующего материала из карбида кремния. В конструкциях прошлых лет фильтры периодически очищали от накопившейся сажи отработавшими газами, температуру которых для этого повышали путем обогащения смеси. Очистка фильтра происходила по команде блока управления после каждых 400—500 км пробега автомобиля.

Однако в этом случае резко увеличиваются выбросы других вредных веществ. Поэтому современный сажевый фильтр чаще всего работает в паре с окислительным нейтрализатором, который восстанавливает NОx до NO2 и одновременно дожигает сажу, причем при более низких температурах – около 250°С.

В фильтрах нового поколения общий принцип остался прежним: задержать и уничтожить. Но как добиться нужной для сгорания частиц сажи температуры? Во-первых, фильтр разместили сразу за выпускным коллектором. Во-вторых, через каждые 300-500 км пробега контроллер включает режим многофазного впрыска, увеличивая количество поступающего в цилиндр топлива.

И, наконец, главное: поверхность фильтрующего элемента покрыта тонким слоем катализатора, который дополнительно повышает температуру выхлопных газов до необходимых 560-600°С.

Фильтрующий элемент состоит, как правило, из керамической (карбид кремния) микропористой губки. Толщина стенок между ее каналами не превышает 0,4 мм, так что фильтрующая поверхность очень
большая.

Иногда эту «губку» делают из сверхтонкого стального волокна, также покрытого катализатором.

Набивка настолько плотная, что задерживает до 80% частиц размером 20-100 нм. Новые фильтры стали активно участвовать в управлении работой двигателя.

Ведь режим обогащения включается по сигналу от датчиков давления, установленных на входе и выходе фильтра.

Когда разность показаний становится значительной, компьютер воспринимает это как признак закупоренности «губки» сажей. А выжигание контролируют с помощью датчика температуры.

Система нейтрализации отработанных газов в дизеле

Яркий пример современного механизма очистки выхлопа дизелей – электронная система управления дизельным двигателем EDС (electronic diesel control), разработанная компанией Bosch.

Ее конструкция включает в себя многокомпонентную систему выпуска отработавших газов, в которой предусмотрено семь датчиков – два лямбда-зонда, два температурных, два давления и один уровня сажи в выхлопе, а также три очистительных элемента – каталитический нейтрализатор, катализатор-накопитель и сажевый фильтр накопительного типа.

Датчики в системе выхлопа позволили оптимизировать процессы смесеобразования и сгорания. Кстати, для этого под контроль «мозгу» EDС передали и многие системы двигателя – топливо- и воздухоподачи, рециркуляции отработавших газов, электронную дроссельную заслонку и турбонаддув.

С помощью датчиков давления на входе и выходе из сажевого фильтра EDС контролирует степень его загрязнения. Эффективность работы катализаторов оценивается по показаниям двух лямбда-зондов
(на входе и выходе).

Корректировка работы систем двигателя осуществляется на основании показаний лямбда-зондов, датчиков температуры и уровня сажи на выходе.

Каталитический нейтрализатор «перерабатывает» токсичные составляющие выхлопа – NO, NO2, CO, CН – в нетоксичные и малотоксичные соединения – H2O, N2, CO2,
а катализатор-накопитель выполняет функции дополнительной очистки от окиси азота (NO2) и предварительной – от частиц сажи.

Основные правила эксплуатации автомобиля с каталитическим нейтрализатором

Последствия нарушений правил эксплуатации нейтрализатора

Для обеспечения эффективной работы нейтрализатора необходимо использовать только качественное не этилированное топливо, так как содержащийся в бензине тетраэтилсвинец необратимо “отравляет” каталитическую поверхность.

Во время и после работы двигателя корпус нейтрализатора имеет достаточно высокую температуру. В связи с этим, во избежание пожара, не следует парковать автомобиль над легко воспламеняющимися предметами, например сухими листьями, травой, бумагой и т.д.

Следует соблюдать основные правила, приведенные в инструкции по эксплуатации автомобилей. Они направлены на предупреждение ситуации, когда в нейтрализатор может попасть значительное количество не сгоревшего топлива. В этом случае возможная вспышка может привести к его разрушению.

Наиболее общие рекомендации можно изложить следующим образом:

• не следует бесполезно крутить двигатель стартером длительное время;
• в холодное время года, если двигатель не запустился с первой попытки, необходимо избегать повторных включений стартера через короткие промежутки времени;
• нельзя пускать двигатель путем буксировки;
• запрещается проверять работу цилиндров, отключая свечи зажигания.

Экологические требования к автотранспортным средствам

Требования к автотранспортным средствам, осуществляющим международные перевозки

Технические параметры и качества современных автомобилей, такие как тягово-скоростные показатели, надежность, безопасность, энергоемкость, экологичность, за последние десятилетия достигли высокого уровня.

Этому способствовал не только технический прогресс, но и существующие в Европе законодательные меры, направленные на обеспечение безопасности конструкции автотранспортных средств, сохранение окружающей среды, улучшения условий жизни людей.

Вопросами совершенствования автотранспортных средств занимаются транспортные организации ЕЭК ООН, ЕС и Международная организация по стандартизации (ISO).

Требования к подвижному составу можно разделить на три группы:

1) обязательные – требования экологического характера и технические требования безопасности дорожного движения;

2) необязательные – которые можно выполнять или не выполнять (например, тип подвески: рессорная или пневматическая);

3) требования, связанные с особыми условиями перевозок (например, перевозки скоропортящихся, опасных, негабаритных грузов).

Нормативные документы, регламентирующие требования к автомобилям

Для выполнения международных перевозок необходимо соответствие подвижного состава международным требованиям. Обязательные требования регламентированы специальными нормативными документами.

Соглашение о стандартизации транспортных средств, известное как Женевское соглашение 1958 года*, было принято в 1958 году в рамках ЕЭК ООН (новая редакция 1995 p.).

Это соглашение о принятии единых условий официального утверждения и о взаимном признании официального утверждения предметов оборудования и частей механических транспортных средств.

На основе этого соглашения были разработаны процедуры аттестации автотранспортных средств, являющиеся средством контроля деталей и систем новых автомобилей перед их регистрацией.

* Полное название соглашения: “Соглашение о принятии единообразных технических предписаний для колесных транспортных средств, предметов оборудования и частей, которые могут быть вмонтированы и / или использованы на колесных транспортных средствах, и об условиях взаимного признания официальных утверждений, выданных на основе этих предписаний , от 20 марта 1958 p. “. Заключено в Женеве; вступило в силу 20 июня 1959 г.

Страны, присоединившиеся к Женевскому Соглашению, имеют право выдавать официальные сертификаты – аттестаты на транспортные средства по правилам ООН. Сейчас таких стран 45.

Украина присоединилась к Женевскому Соглашению в 2000 году. Постановлением КМУ от 14.02.2001 года Министерство транспорта Украины назначен компетентным органом по обеспечению исполнения Женевского Соглашения 1958 г.

в Украине, для чего разработан комплект законодательных и рабочих документов.

Правила ЕЭК ООН, известные как дополнение к соглашению 1958 года распространяются на оборудование и системы автомобилей. В настоящее время принято 126 Правил ЕЭК ООН. Соглашение 1958 и Правила определяют, что каждая из стран, присоединившихся к Соглашению, выставляет одни и те же требования к подвижному составу: по выбросам, шинам, рулевому управлению и тому подобное.

Правила постоянно пересматриваются и дополняются в соответствии с новыми требованиями, но применяются в европейских странах добровольно. Украина применяет на своей территории 96 Правил ЕЭК ООН.

Директивы ЕС, принятые в Брюсселе, распространяются на собранные конструкции автотранспортных средств и требуют, чтобы они были оснащены аттестованными системами, которые включены в технические условия на конструкцию и национальные стандарты. Таким образом Европейский Союз также регулирует порядок аттестации автомобилей. Директивы ЕС публикуются в официальном бюллетене ЕС и обязательны для включения в национальное законодательство стран-членов ЕС.

Как правило, технические нормативы Директив соответствуют техническим нормам Правил, а некоторые их дублируют. Например, Правилу R49 /02, известном как “Euro-2”, соответствует Директива 92/97 / ЕЭС.

Сейчас в области автомобилестроения действуют 126 Правил ЕЭК ООН, 50 Директив ЕС. Они регламентируют требования к техническому состоянию автомобилей:

– по условиям безопасности движения;

– по содержанию вредных веществ в отработанных газах автомобилей;

– по уровню допустимых шумов автомобиля;

– по защите водителя;

– а также требования к установке защитных устройств на различные типы автомобилей и автопоездов, к освещению и сигнализации и др.

Также нужно учитывать требования Конвенции о дорожном движении 1968 г., включая все поправки. Поправка 1997 г. обязует каждую из стран, присоединившихся к Конвенции, ввести технический контроль транспортных средств с получением сертификата, срок действия которого определяется в 1 год.

Экологические требования к автотранспортным средствам

Борьба с загрязнением атмосферы в последние годы приобрела глобальный характер.

Для восстановления экологического баланса и возмещения убытков, которые наносит транспорт окружающей среде, в пределах Европейского Союза предусмотрено взимание платы за пользование транспортной инфраструктурой.

Поступления должны покрывать расходы на содержание и расходы, связанные с ДТП, загрязнением атмосферы, шумом, перегруженностью дорог. Это касается всех видов транспорта и всех категорий пользователей (частных и коммерческих).

В Европейском Союзе введены жесткие стандарты на токсичность и дымность отработанных газов. Некоторые из них приведены в таблице.

Мероприятия по внедрению экологических требований

Наиболее известные Правила ЕЭК ООН №49 (иначе R49/02). Ограничение шума автомобилей регламентируется Правилами ЕЭК ООН №51.

Правило №49, разработанное в начале 80-х годов XX в., Содержало следующие ограничения по выбросам вредных веществ в отработанных газах дизелей:

– оксида углерода – 14 г / кВт ч;

– углеводородов- 3,5 г / кВт ч;

– оксидов азота – 19 г / кВт ч.

Поэтому в 1990 году в Правила №49 была принята поправка серии “01”, которая установила требования Euro 0. Далее были приняты другие поправки и дополнения к ним, устанавливали более жесткие требования. Нормы выбросов приведены в таблице.

Масса вредных веществ в отработанных газах дизелей, г/кВт ч

Итак, Правило №49 содержит ограничения по токсичности и предназначено прежде всего для производителей автомобилей. Автомобиль должен соответствовать тем требованиям, которые действуют на момент его производства.

Например, если автомобиль был выпущен в 1990 г., то он должен удовлетворять требованиям, которые вступили в силу в 1988 году (Правило R-49.01, 1986-1990), поскольку именно они действовали на тот момент. Если фирма приобрела новый автомобиль в 1996 г.

, то он должен отвечать требованиям Euro 2.

Динамика усиления экологических требований показана на рисунке.

Шумность – это отдельное требование, и его нельзя относить к требованиям Евро. Правило №51, действующее с 1996 p., содержит ограничения по шумности автомобилей общей массой более 3,5 т в зависимости от мощности двигателя.

Экологическая безопасность автомобиля

Экологическая безопасность – это свойство автомобиля, позволяющее уменьшать вред, наносимый участникам движения и окружающей среде в процессе его нормальной эксплуатации. Основными загрязняющими веществами при эксплуатации автотранспорта являются:

– нефтепродукты при их испарении;

– продукты истирания шин, тормозных колодок и дисков сцепления, асфальтовых и бетонных покрытий.

Шумовое загрязнение является также серьезной проблемой.

Фактически шум создают транспортные потоки, и уровень его может меняться от очень многих причин, основными из которых являются; техническое состояние, скорость движения и режимы движения автомобиля; тип и состояние дорожного покрытия; состав и характеристики транспортного потока, в котором движется автомобиль; градостроительные особенности магистрали. При исследовании влияния срока службы автомобиля на уровень создаваемого шума установлено, что он возрастает в среднем на 1,5– 2,5 дБ по шкале А в год. В отдельных городах под воздействием автомобильного транспорта и других источников загрязнения образовались предельные экологические состояния, что препятствует устойчивому их развитию и требует кардинальных решений по улучшению их коммуникационной инфраструктуры. Наибольшему загрязнению подвержены территории, непосредственно прилегающие к трассам. Полоса загрязнения достигает 300 м и более.

Основными мероприятиями по предотвращению и уменьшению вредного воздействия автомобилей на окружающую среду следует считать:

1) Разработку таких конструкций автомобилей, которые меньше загрязняли бы атмосферный воздух токсичными компонентами отработавших газов и создавали бы шум более низкого уровня.

2) Совершенствование методов ремонта, обслуживания и эксплуатации автомобилей с целью снижения концентрации токсичных компонентов в отработавших газах, уровня шума, производимого автомобилями, и загрязнения окружающей среды эксплуатационными материалами.

3) Использование средств и методов организации и регулирования движения, обеспечивающих оптимальные режимы движения и характеристики транспортных потоков, сокращение остановок у светофоров, числа переключения передач и времени работы двигателей на неустановившихся режимах.

Вдоль автомобильной дороги посажены елки, летом там появляется много маслят. Можно ли собирать грибы в лесопосадке у дороги?

На дороге пробка. Не вредно ли ехать на велосипеде по автомагистрали? Почему?

После реконструкции проспекта, окна дома стали выходить на автомагистраль, уровень шума в квартире резко возрос. Что делать?

При широком использовании автомобилей все возрастающее количество людей посещает ранее недоступные для них природные комплексы. К каким последствиям это может что привести?

Модель экологического компактного транспортного средства

THE ECOLOGICAL MODEL COMPACT VEHICLES

Dmitry Selemenev

student of Volga Region State University of Telecommunications and Informatics,

Iran Stefanova

candidate of Science, assistant professor of Volga Region State University of Telecommunications and Informatics,

Victor Zaharov

engineer, teacher of Children’s supplementary education Center for Technical Design “POISK”,

АННОТАЦИЯ

Вопросы безопасности движения и загрязнения окружающей среды транспортными средствами является весьма актуальными в наше время. В статье рассматривается модель авторского компактного транспортного средства, позволяющая улучшить его маневренность, безопасность на дорогах, а также снизить экологическое загрязнение окружающей среды.

ABSTRACT

The issues of traffic safety and environmental pollution by vehicles are urgent. The article presents the author’s model of a compact vehicle that can improve its cornering ability and safety on roads. Additionally, the model reduces emission level.

Ключевые слова: компактное транспортное средство, экологический транспорт, система устойчивости и безопасности.

Keywords: compact vehicle, eco vehicle, system of sustainability and security.

В настоящее время экологическое загрязнение окружающей среды занимает одно из первых мест, среди глобальных проблем мирового масштаба.

Одним из источников загрязнения окружающей среды является автомобильный парк, который сосредоточен, в основном, в городах.

Если в среднем в мире на один квадратный километр территории приходится пять автомобилей, то плотность их в крупнейших городах развитых стран в 200-300 раз выше.

В мировой практике наблюдается концентрация населения в крупных городах.

С их развитием и ростом всё большую актуальность приобретает своевременное и качественное обслуживание населения, охрана окружающей среды от негативного воздействия городского, особенно автомобильного, транспорта.

В настоящее время в мире насчитывается 300 миллионов легковых, 80 миллионов грузовых автомобилей и порядка 1 млн. городских автобусов [2], что в значительной мере ухудшает окружающую экологию.

Автомобили сжигают огромное количество ценных нефтепродуктов, нанося одновременно ощутимый вред окружающей среде, главным образом атмосфере.

Поскольку основная масса автомобилей сконцентрирована в крупных и крупнейших городах, воздух этих городов не только обедняется кислородом, но и загрязняется вредными компонентами отработавших газов, таких как окись углерода, углеводороды, альдегиды, сажа и другие.

Основная причина загрязнения воздуха заключается в неполном и неравномерном сгорании топлива. Всего 15% его расходуется на движение автомобиля, а 85% «летит на ветер». К тому же камеры сгорания автомобильного двигателя – это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу.

Существенное повышение концентрации токсичных компонентов и канцерогенов в местах скопления транспортных средств, вызывает ухудшение общего состояния здоровья человека, и увеличение количества онкологических заболеваний [4].

Кроме того, автомобиль является один из главных факторов шумового загрязнения; дорожная сеть, особенно вблизи крупных городов поглощает ценные сельскохозяйственные земли, происходит отравление почвы и водоёмов, страдает растительный и животный мир.

Каждый год для улучшения показателей экологической чистоты окружающей среды в городах ученые создают разного рода установки по очистки воздуха, сложные системы очистки воды, сырья и т.п. Но, решить эту проблему можно иначе, улучшить сами средства передвижения, путем снижения показателей их загрязнения к минимуму.

Начиная с 1992 года, Европейским союзом были разработаны и внедрены стандарты, регламентирующие содержание токсичных соединений в выхлопе автомобиля. Эти экологические стандарты пересматриваются и ужесточаются.

В 2005 году Евросоюзом был принят стандарт Евро 4, а в 2014 года – экологический стандарт Евро 5, ужесточающий требования по очистке воздуха к машинам. Ведущие компании мира соблюдая экологические стандарты качества, стремятся изменить свои автомобили в соответствие со стандартом Евро 5.

В России стандарт Евро-5 действует на все ввозимые автомобили с января 2016 года. К ввозу и эксплуатации в России допускаются европейские и американские автомобили, выпущенные не ранее 2009 года [3].

Следующим этапом решения проблемы загрязнения воздуха выхлопными газами является создание компактных транспортных средств (ТС).

В этом направлении создано множество дорогостоящих опытных образцов, которые разрабатываются и усовершенствуются, по сей день.

Главная проблема разработок таких транспортных средств – это дороговизна разработки их исследования и проведения испытаний. Инженеры пытаются свести эти показатели к минимуму.

На сегодняшний день создано многообразие концептов компактных транспортных средств и изобретений, но, как правило, они не запускаются в серийное производство.

И связано это с тем, что у них технологические и эксплуатационные характеристики не соответствуют требованию времени и научному подходу, а также цена на транспортное средство для потребителя остается высокой.

Кроме того у разработок имеется обобщающий признак, это наличие поддерживающих ТС колес или опор и сложные системы их выдвижения.

Авторы статьи тоже не остались равнодушны к экологической проблеме и предлагают проект транспортного средства «SafeCar», который превосходит нынешние разработки не только в плане экологии, но и по безопасности, устойчивости, понижения шумов и экономичности.

В статье рассматривается концепт, претендующий на то, чтоего основные показатели, такие какбезопасность движения, при прохождении поворотов, маневренность, безопасность при столкновениях, простота эксплуатации, низкая себестоимость, экономичность и экологические показатели, превосходят все предложенные ранее аналогичные транспортные средства, которые были выявлены авторами в процессе работы над проектом.

«SafeCar» – это транспортное средство будущего. В нем сбалансированы все нынешние проблемы автомобиля городского типа. Одна из самых главных проблем, которая рассмотрена в данном проекте – это экология.

На рисунке 1, приведена схема ТС, на которой видно расположение трех колес (два сбоку и одно впереди), аккумуляторных батарей (1 – слева и справа от центральной оси), двигателя (2 – в задней части ТС) и мотор-колесо (3 – в передней части ТС).

Двигатель работает от аккумуляторной батареи, что в значительной степени снижает уровень шума, вызываемого работой ТС.

Рисунок 1 .Схема расположения узлов в ТС «SafeCar»

1.Аккумуляторные батареи. 2.Электродвигатель. 3.Мотор-колесо.

Произведен расчет устойчивости проектируемого средства [1], который показал, что устойчивость ТС при движении на поворотах при задании соответствующего крена не зависит ни от массы, ни от высоты центра масс, что особенно ценно.

Так как именно высота центра масс является главным отрицательным фактором, влияющим на устойчивость ТС обычной четырехколесной схемы.

Благодаря такой конструкции проектируемое транспортное средство имеет пятикратный запас устойчивости по углу его наклона на поворотах.

Предлагаемая схема ТС работает по принципу двух связанных определенным образом систем: первая система это чистое одноколейное ТС, имеющее собственную массу порядка 70% от общей массы ТС, остальные 30 % (15%+15%) приходятся на боковые (буферные) системы.

Буферная система определяет собственно поперечный размер ТС и представляет собой двухколейную транспортную систему с самоориентирующимися колесами. Она позволяет дополнительно нагружать первую систему. Взаимное центрирование двух систем осуществляется за счет горизонтального шарнира.

В головной части ТС располагается система безопасности, которая срабатывает при сближении и возможном столкновении электромобиля с посторонними предметами [1].

На данный момент собран экспериментальный макет электромобиля (рисунок 2) на радиоуправлении. Макет позволяет испытать ТС при разных режимах его передвижения и уменьшить разного рода проблем, которые решает данное ТС.

Макет представляет собой каркасную модель, на основе радиоуправляемого мотоцикла, с разработанной системой устойчивости и оснащенный системой пассивной безопасности. На реальном ТС предполагается установка как ДВС (двигателя внутреннего сгорания), так и электромотора.

Рисунок 2. Экспериментальный макет ТС «SafeCar»

Были проведены испытания по безопасности ТС, заключающиеся в преодоления препятствий в виде «стены» высотой 4 кирпича, в которую «SafeCar» врезывался, и при этом срабатывала система безопасности.

В ходе испытаний было замечено, что у модели имеются недостатки, а именно: система безопасности срабатывает во всех случаях, даже когда к ТС приближается живой объект. Это обстоятельство может привести к травме последнего.

В данный момент ведутся поиски датчиков, которые могли бы решить данную проблему.

Кроме того, при испытании модели была проверена теория относительно угла наклона кузова.

При радиусе поворота 15 градусов и скорости порядка 10-15 км/ч, макет остался устойчив и не перевернулся в отличие от мотоцикла или трицикла.

На боковых буферах в ходе проверок и испытаний было принято использовать самоустанавливающееся по направлению хода ТС колесо. Проводимые испытания дали положительный результат.

В процессе работы над моделью рассматривается компоновка ТС, количество посадочных мест (2 или 3), а также отрабатывается дизайн.

Остается, надеется, что в скором будущем данная разработка сможет помочь усовершенствовать весь транспорт, который в полной мере сумеет удовлетворить постоянно возрастающие потребности в перевозках грузов и пассажиров, не угрожая при этом окружающей среде.

Список литературы:

1. Автомобили и экология – [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: Источник http://referati-besp-latno.ru/avtomobili-i-ekologiya (дата обращения 16.04.2017).

Негативное влияние транспорта на окружающую среду

Вывоз, переработка и утилизация отходов с 1 по 5 класс опасности

Работаем со всеми регионами России. Действующая лицензия. Полный комплект закрывающих документов. Индивидуальный подход к клиенту и гибкая ценовая политика.

С помощью данной формы вы можете оставить заявку на оказание услуг, запросить коммерческое предложение или получить бесплатную консультацию наших специалистов.

Влияние транспорта на окружающую среду – одна из самых актуальных проблем современности. И чтобы её решить, нужно вникнуть в суть воздействия и разработать меры, направленные на устранение негативных последствий.

Актуальность проблемы

Существует несколько видов транспорта, но наиболее опасным с точки зрения негативного воздействия на окружающую среду считается автомобильный. И если несколько десятков лет назад личную машину мог позволить себе далеко не каждый, то сегодня она стала необходимым и вполне доступным средством передвижения для многих людей.

В связи с этим доля загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу автомобилями, достигла 50%, в то время как в 70-е годы прошлого века она составляла всего 10-15%. А в крупных городах и современных мегаполисах данный показатель может достигать 65-70%. Кроме того, ежегодно количество выбросов возрастает примерно на 3%, и это вызывает серьезные опасения.

Интересный факт: автомобильный транспорт занимает лидирующие позиции с точки зрения ущерба, наносимого окружающей среде, это основной источник загрязнения атмосферы. На его долю приходится более 90% загрязнения воздуха, чуть меньше 50% шумового воздействия, а также около 65-68% влияния на климат.

Вредные вещества, образующиеся в процессе эксплуатации транспорта

Экологические проблемы автомобильного транспорта очень актуальны и связаны с особенностями работы современных моделей.

Если брать усреднённые показатели, то одна машина в течение года поглощает около четырёх тонн кислорода, необходимого для запуска процессов сгорания топлива.

В результате работы двигателя автомобиля образуются отработанные газы, состоящие из множества вредных компонентов.

Так, в год выбрасывается порядка 800 кг угарного газа, 180-200 килограммов углеродов и примерно 35-40 кг оксидов азота.

Также в атмосферу выделяются и канцерогенные соединения: порядка пяти тысяч тонн свинца, около полутора тонн бензапилена, свыше 27 тонн бензола и более 17 тысяч тонн формальдегида.

А общее количество всех вредных и опасных веществ, выделяемых в процессе эксплуатации автомобильного транспорта, составляет около 20 миллионов тонн. И такие цифры огромные и пугающие.

Всего в состав отработанных газов, выделяемых автомобильным транспортом, входит свыше 200 различных компонентов и соединений, и подавляющее их большинство обладает токсичными свойствами. А некоторые вещества образуются в результате эксплуатации машин и их взаимодействия с окружающими поверхностями, например, из-за трения резины об асфальт.

Нельзя недооценивать и вред различных автомобильных деталей, утилизации которых не уделяется должного внимания. В итоге образуются стихийные свалки с миллионами запчастей транспорта, изготовленных из резины и металлов, которые также выделяют опасные пары в атмосферу.

Процесс работы двигателя автомобильного транспорта очень сложен и включает массу различных реакций. В ходе последних образуются многочисленные вещества, основными среди которых являются:

• Углеводороды являются соединениями, состоящими из изначальных или подвергшихся распаду элементов топлива.
• Сажа представляет собой образующийся в результате пиролиза твёрдый углерод и основную составляющую нерастворимых частиц, выделяемых двигателем автотранспорта.
• Оксиды серы образуются в процессе входящей в состав автомобильного топлива серы.
• Оксид углерода – это не имеющий запаха и цвета газ, имеющий невысокую плотность и быстро распространяющийся по атмосфере.
• Углеводородные соединения. Они изучены довольно плохо, но учёным уже удалось выяснить, что эти компоненты выхлопных газов могут служить исходными продуктами для формирования так называемых фотооксидантов.
• Оксид азота является бесцветным газом, а диоксид приобретает насыщенный бурый оттенок и характерный неприятный запах.
• Сернистый ангидрид представляет собой газ без цвета, но с очень едким запахом.

Интересный факт: состав выхлопных отработанных газов, выделяемых в атмосферу в ходе эксплуатации автомобильного транспорта, зависит от особенностей работы машины, её состояния, используемого топлива, а также опыта водителя.

Негативные последствия

Воздействие автомобильного транспорта на окружающую среду крайне негативно. И стоит рассмотреть несколько основных угроз.

Парниковый эффект

О нём говорят все экологи, и последствия такого глобального явления уже начинают проявляться.

Возникающие в процессе эксплуатации автомобилей компоненты отработанных выхлопных газов проникают в атмосферу, повышают плотность её нижних слоёв и создают эффект парника.

В итоге солнечные лучи попадают на поверхность Земли и нагревают её, но тепло не может уходить обратно в космос (примерно такие процессы наблюдаются в теплицах).

Парниковый эффект – это реальная угроза. К его возможным последствиям относятся повышение уровня мирового океана, глобальное потепление, таяние ледников, природные катаклизмы, хозяйственный кризис, губительное влияние на фауну и флору.

Изменение экосистемы

Из-за загрязнения окружающей среды транспортом страдает практически всё живое на земле. Выхлопные газы вдыхают животные, из-за чего ухудшается функционирование их дыхательной системы. В результате нарушения дыхания и нехватки кислорода страдают другие органы.

Животные испытывают стресс, из-за которого могут вести себя неестественно.

Также заметно снижаются темпы размножения, в результате чего одни виды становятся малочисленными, а другие начинают относиться к редким и вымирающим.

Сильно страдает и флора, ведь отработанные газы автомобильного транспорта практически сразу попадают на растения, образуя на них плотный налёт и нарушая процессы естественного дыхания.

Кроме того, вредные соединения проникают в почву и из неё всасываются корнями, что также негативно сказывается на состоянии и росте представителей флоры.

Связанные с негативным влиянием автотранспорта перемены с каждым годом становятся всё более масштабными и глобальными, а со временем они могут привести к краху существующей на планете Земля экосистемы, что повлияет на жизнь человечества, воздух, атмосферу.

Экологические проблемы из-за автотранспорта

Экологические проблемы автотранспорта — актуальные вопросы. Активная и повсеместная эксплуатация автомобилей сильно ухудшает экологию, загрязняет воздух, водоёмы, осадки, атмосферу. И такая ситуация может привести к многочисленным проблемам со здоровьем.

Так, сильно страдает дыхательная система, ведь вредные вещества выхлопных газов практически сразу попадают в неё, раздражают слизистые оболочки, засоряют лёгкие и бронхи.

Из-за нарушения дыхания возникает дефицит кислорода во всех тканях человеческого организма.

Кроме того, опасные выбрасываемые автомобильным транспортом соединения разносятся с кровью и оседают в различных органах, и последствия такого загрязнения могут проявляться спустя годы в виде хронических или даже онкологических заболеваний.

Кислотные дожди

Ещё одна опасность активного использования автомобильного транспорта – кислотные дожди, возникающие из-за воздействия выхлопных газов и загрязнения атмосферы. Они влияют на растительный мир и здоровье людей, меняют состав почвы, разрушают здания и памятники, а также сильно загрязняют водоёмы и делают их воду непригодной для использования и проживания.

Пути решения проблемы

Экологические проблемы автомобильного транспорта в современном мире неизбежны. Но всё же их можно решить, если действовать комплексно и глобально. Рассмотрим основные пути решения проблем, связанных с эксплуатацией автомобилей:

1. Чтобы сократить выбросы выхлопных газов, негативно влияющих на окружающую среду, следует использовать качественное очищенное топливо. Зачастую попытки сэкономить приводят к покупке бензина, содержащего опасные соединения.
2. Разработка принципиально новых типов двигателей автомобильного транспорта, использование альтернативных источников энергии. Так, в продаже стали появляться электромобили и гибриды, работающие на электричестве. И хотя пока таких моделей немного, возможно, в будущем они станут более популярными.
3. Соблюдение правил эксплуатации автомобиля. Важно вовремя устранять неполадки, обеспечить постоянное и комплексное обслуживание, не превышать допустимые нагрузки, придерживаться касающихся управления рекомендаций.
4. Экологическая обстановка наверняка улучшится, если разработать и использовать очистное и фильтрующее оборудование, которое сократит объёмы вредных соединений, выделяемых автомобильным транспортом.
5. Реконструкция двигателя автомобиля с целью повышения КПД и сокращения объёмов расходуемого топлива.
6. Использование других видов транспорта, например, троллейбусов и трамваев.

Используйте автотранспорт рационально и старайтесь сокращать его негативное влияние на окружающую среду.

Экологический класс транспортного средства: 3 способа определения

Автомобили, в зависимости от своего предназначения и размеров, имеют различные классы экологичности, что очень влияет на окружающую среду.

Легковые машины чаще всего оборудуются специальными фильтрами, минимизирующими вредные выхлопы.

Крупная техника, которая используется в карьерах либо при строительстве различных зданий, имеет значительно больший объём мотора, поэтому её класс существенно отличается.

Экологический класс транспортного средства позволяет выяснить подробную информацию про машину и её оснащение.

Также рекомендуем прочитать статью нашего специалиста, в которой подробно описаны классы автомобилей по цене и предназначению.

Классификация авто

Существуют пять основных разновидностей экологичных стандартов. Они вводились в разное время, поэтому имеют различные требования к выхлопным газам. Подробную информацию можно увидеть в таблице.

Как узнать экологический класс автомобиля?

Существует несколько способов выяснить, к какому стандарту относится автомобиль. Все способы отличаются достоверностью, поэтому не нуждаются в перепроверке. Способы выяснения экологического класса таковы.

1. При помощи ПТС. Паспорт предполагает указание всей информации, влияющей на работу транспортного средства. В большинстве документов есть строка, где указывается класс, к которому относится машина. В бумагах нового типа есть специальная графа под номером 13, в которой указывается словами класс машины. В старых техпаспортах класс экологичности может указываться в разделе дополнительные отметки, но это необязательно.
2. В таблице Росстандарта. Специальная табличка, разработанная профильным ведомством, содержит информацию об экологичности транспортных средств определённого года выпуска и марки. В таблице учитывается страна, в которой был выпущен автомобиль, и на основе этих данных составляется статистика. Например в Европейских странах нормы к производству машин менялись практически сразу после вступления требования в силу. Страны Востока реагировали на нововведения гораздо позже, поэтому машины стали производиться в новых стандартах спустя несколько лет. В Японии стандарт Евро-4 вступил в силу позже, чем в России, поэтому автомобили некоторое время не могли попасть на территорию страны легальным образом. Оформление таможенных бумаг могло происходить только на те автомобили, которые соответствовали принятым в России экологическим стандартам.
3. По VIN-коду. В небольшой табличке под капотом зашифровано большое количество информации. При регистрации машины в МРЭО в базу заносятся все данные о машине. На специальном сайте можно узнать подробную информацию о машине, всего лишь введя ВИН-код (как проверить машину по вин-коду, узнайте в нашей статье). В предоставленной по запросу информации будет содержаться: информация о производителе (название и адрес), модель транспортного средства, тип кузова, информация о моторе, экологический класс авто. Ещё в запросе может указываться техническая информация. Если машина отсутствует в базе, то получить данную информацию можно только при личном обращении в профильное ведомство.

В каких машинах возможно несоответствие года выпуска и класса экологичности?

Специальная техника, работающая в карьерах либо на строительных площадках, имеет другой документ. Вместо паспорта транспортного средства выдается паспорт самоходного механизма.

К машинам с ПСМ выдвигается гораздо меньше экологических требований.

Руководители экологических комиссий по какой-то причине считают, что техника, которая может передвигаться не более 40 км/час, выбрасывает в атмосферу меньше вредных веществ, чем легковой автомобиль и не нуждается в тщательном контроле.

Возможно ли повышение или понижение класса экологичности?

В процессе эксплуатации автомобиль подвергается замене многих деталей. Так как катализаторы на Евро с 3 по 5 стоят достаточно дорого, то многие автомобилисты отказываются от их использования и получается, что машина имеет первый либо второй класс после переделки. В Российской Федерации практически не регулируются преобразование автомобилей на более низкий класс экологичности.

При повышении экологического класса необходимо провести переоборудование, в котором выдадут соответствующие бумаги установленного образца. Если автомобиль имеет старый ПТС и затёртые номерные знаки, то целесообразно переоформлять сразу весь комплект. В новых паспортах будет сразу указываться повышенный класс.

Источник Источник Источник http://extxe.com/17221/povyshenie-toplivnoj-jekonomichnosti-i-jekologichnosti-avtomobilja-konstruktivnymi-merami/
Источник Источник http://ufa-zapchasti.ru/baza-znanij/trebovaniya-k-ekologichnosti-avtomobilya-v-sovremennom-mire.html