Екологічні показники автомобільних двигунів
Практична робота №5
ЕКОЛОГІЧНІ ПОКАЗНИКИ АВТОМОБІЛЬНИХ ДВИГУНІВ
До екологічних показників відносяться показники, які спричиняють негативний вплив на людину і навколишнє середовище. До них відносяться токсичність двигунів і шумність. Під токсичністю двигунів розуміють виділення ними токсичних або шкідливих речовин. Автомобілі щорічно викидають сотні мільйонів тонн шкідливих речовин. При цьому забруднюється не тільки атмосфера, а й грунти, водойми, тобто спричиняється шкідливий вплив на всю живу природу.
Шкідливі викиди двигунів
Автомобільний транспорт відноситься до основних джерел забруднення довкілля. У великих містах на нього припадає більше половини обсягу шкідливих викидів. Рівень забруднень повітря шкідливими речовинами на автомагістралях перевищує в 5 – 10 разів гранично допустимі концентрації.
Шкідливий вплив автомобільного транспорту на навколишнє середовише проявляється під час виконання автомобілями транспортної роботи (шкідливі викиди двигунів, шум, вібрація) та їх технічного обслуговування і ремонту. Найбільш небезпечними є фактори першої групи, а з поміж них - викиди шкідливих речовин двигунами. Джерелами шкідливих викидів двигунів внутрішнього згоряння є відпрацьовані гази, картерні гази та випари з системи живлення. Серед цих джерел забруднення основним є відпрацьовані гази. Визначено, що один автомобіль щорічно поглинає з атмосфери понад 4 т кисню, викидаючи з відпрацьованими газами приблизно 800 кг оксиду вуглецю, близько 40 кг оксидів азоту та майже 200 кг різних вуглеводнів. Ці речовини є найбільш небезпечними для навколишнього середовища, вони осідають на поверхні Землі, і навіть сильні дощі не можуть їх змити. Крім того, деякі шкідливі речовини (свинець та марганець, сірка) містяться в паливі, і їх сполуки викидаються в оточуюче середовище при роботі двигуна. Виділяється також сажа, яка сама по собі не токсична, але вбирає в себе токсичні речовини, тобто є їх абсорбентом, сполуки свинцю і марганцю, канцерогенні речовини, зокрема, бенз/а/пірен.
Дані про приблизний вміст основних шкідливих компонентів відпрацьованих газів наведені в таблиці 1. З цієї таблиці видно, що спосіб сумішоутворення суттєво впливає на склад і кількість шкідливих викидів. Найбільш небезпечним із наведених шкідливих речовин є оксид вуглецю СО. Це газ без кольору і запаху. Молекулярна маса його рівна 28, тобто дешо менша від маси повітря. Тому він легко поширюється в атмосфері, проникає у житлові приміщення. Внаслідок попаданні в органи дихання проникає в кров і там накопичується. Гемоглобін крові у 240 разів швидше сполучається з оксидом вуглецю, ніж з киснем, утворюючи карбоксигемоглобін, і втрачає здатність переносити кисень від легенів до окремих органів. В людини виникає спочатку головний біль, а потім втрата свідомості та смерть. Тому недопустимо, щоб автомобіль з працюючим двигуном знаходився тривалий час в закритому приміщенні.
Таблиця 1. Вміст основних шкідливих речовин у відпрацьованих газах
| Компоненти відпрацьованих газів | Бензинові двигуни | Дизелі |
Оксид вуглецю  , %
Оксиди азоту  , %
Вуглеводні  , %
Сажа, мг/м 
| 0.5...10 0,01...0,6 0,2...2,0 0...0,04 | 0,01...0,3 0,004...0,2 0,01...0,5 0,01...1,5 |
Вуглеводні , які є газоподібними частинками палива, що не згоріло, також мають токсичні властивості, вони шкідливо діють на центральну нервову і м`язову системи людини. Оксиди азоту , вступаючи в реакцію з компонентами повітря, утворюють азотну кислоту, яка спричиняє сильну подразнюючу дію на слизові оболонки, а також на легені. Вважається, що оксиди азоту токсичніші в десять разів за оксид вуглецю. Частинки сажі затримуються в легенях, викликаючи алергію. Сажа абсорбує велику кількість вуглеводневих сполук, і серед них найбільш небезпечний - бенз/а/пірен, який спричиняє онкологічні захворювання.
Оксид вуглецю і вуглеводні є продуктами неповного згоряння пального, вони інтенсивно утворюються при недостачі кисню, тобто коли 
< 1, оксиди азоту – навпаки, при високій температурі та наявності вільного кисню, який вступає в реакцію з азотом, що входить до складу повітря.
В бензинових двигунах вміст шкідливих речовин у відпрацьованих газах значною мірою залежить від складу суміші, який характеризується коефіцієнтом надлишку повітря (рис.1).
З графіка видно, що найменші викиди і 
притаманні = 1,05...1,1. Із збільшенням утворення вуглеводнів зростає через погіршення процесу згоряння. Максимум вмісту - при = 1,05. Максимальна температура наприкінці згоряння в бензинових двигунах досягається при = 0,85...0,95, але при цьому не вистачає кисню для утворення великої кількості .
Одним з проявів негативного впливу транспорту на навколишнє середовище є смог (в перекладі - туман, викликаний димом). Смог лондонського типу виникає зимою у великих промислових містах за відсутності вітру і являє собою сполучення газоподібних забруднювачів і краплинок туману. Від смогу в Лондоні в 1952 р. з 3 по 9 грудня загинуло більше 4 тис. людей.
З відпрацьованими газами викидаються також речовини, які порушують фізичні властивості атмосфери, тобто сприяють появі так званого „парникового” ефекту. Сюди належить двооксид вуглецю 
, який не пропускає в простір, що оточує планету, теплове випромінювання. Збагачення ним атмосфери призводить до того, що планета гірше остигає, внаслідок цього може настати глобальне потепління. За останні 100 років середня температура на Землі підвищилась всього на 0,5 
С, але наслідки вже проявляються, наприклад, у зростання кількості повеней.
шнього середовища, не допускаючи погіршення екологічної ситуаціїОскільки неможливо припинити випуск і експлуатацію транспорту, як неможливо загальмувати процес, то потрібно розробляти заходи зі зменшення забруднення навколишнього середовища, не допускаючи погіршення екологічної ситуації.
Рис.1. Залежність вмісту основних шкідливих речовин у відпрацьованих газах бензинового двигуна від коефіцієнта надлишку повітря
5.2 Нормування шкідливих викидів у ДВЗ
Всебічно оцінити токсичність автомобіля можна на стенді з біговими барабанами (рис.2) за дослідним їздовим циклом, який відтворює характерні режими умов експлуатації в місті, а також пуск двигуна, зупинки і т.д.
Рис.2. Принципова схема установки для проведення випробувань за європейським їздовим циклом:
1 - гальмівний пристрій; 2 - інерційна маса; 3 - вихід відпрацьованих газів; 4 - повітряний фільтр; 5 - розбавляюче повітря; 6 - охолоджувач; 7 - датчик температури відпрацьованих газів; 8 - датчик тиску; 9 - компресор; 10 - пробовідбірники; 11 – вихід відпрацьованих газів.
В нашій державі при випуску нових автомобілів з бензиновими двигунами їх шкідливі викиди оцінюють за ОСТ 37.001.054-86, згідно з яким автомобілі повною масою не більше 3500 кг або пасажировмісткістю не більше 12 випробовують за програмою, що включає чотири міських їздових цикли Європейської економічної комісії (ЄЕК) згідно з правилами №15 та 83. Масу токсичної речовини визначають за кількістю відпрацьованих газів та їхньою концентрацією. Токсичність легкових автомобілів нормується за викидами оксиду вуглецю, вуглеводнів та оксидів азоту, вміст яких у відпрацьованих газах визначають спеціальними приладами – газоаналізаторами. Для автомобілів без нейтралізаторів, поставлених на виробництво після 1991 року, з робочим об"ємом двигуна від 1,4 до 2,0 л гранично допустимі викиди оксиду вуглецю становлять 54 г/випроб., а сума вуглеводнів та оксидів азоту - 20 г/випроб.
В Європі зараз діють норми „Євро-4", які передбачають значно жорсткіші обмеження викидів (табл.2). Випробувальний цикл доповнений етапом випробувань в умовах приміського руху при швидкостях до 120 км/год (рис.3). З 1.01.2002 року введено також випробування при
Рис.3. Їздовий випробувальний цикл ЄЕК/ЄС:
пробіг за цикл випробувань 11 км; середня швидкість руху 32,5 км/год
температурі оточуючого середовища -7 С. Це випробування проводиться в режимах міського їздового циклу. Ставиться вимога обладнання нових
автомобілів з 1.01.2003 року бортовими діагностичними системами для контролю екологічних параметрів з метою не перевищення граничних викидів.
Але навіть для виконання норм „Євро-2” в автомобілі потрібно вносити суттєві конструктивні зміни. Необхідно відмовитись від карбюраторів і перейти на розподілене впорскування бензину з електронним керуванням, застосовувати системи нейтралізації відпрацьованих газів, при встановленні яких двигуни повинні працювати тільки на неетилованому бензині. На автомобілях з дизелями – перейти на дизелі з нерозділеними камерами згоряння, підвищити тиск впорскування. Потрібно встановлювати коректори димності, нейтралізатори, широко застосовувати турбонаддув з проміжним охолодженням повітря. Використовувати паливо з низьким вмістом сірки і антидимними присадками.
Таблиця 2. Норми токсичності відпрацьованих газів двигунів автомобілів європейських держав
|
Правило ЄЕК | Рік введення | Вміст у відпрацьованих газах, г/кВт | |||
|
| CO | CH | Тверді частини | ||
| Euro1 | 1993 | 8,0 | 4,5 | 1,1 | 0,36 |
| Euro2 | 1996 | 7,0 | 4,0 | 1,1 | 0,15 |
| Euro3 | 2000 | 5,0 | 2,0 | 0,6 | 0,10 |
| Euro4 | 2005 | 3,5 | 1,5 | 0,46 | 0,02 |
год
Сьогодні в Україні автомобілі з бензиновими двигунами, які знаходяться в експлуатації, перевіряються на вміст шкідливих викидів за ДСТУ 4277:2004. Згідно із цим стандартом перевіряється і обмежується вміст оксиду вуглецю і вуглеводнів на двох режимах роботи двигуна: мінімальної та підвищеної частоти обертання холостого ходу (2200 хв 
100 хв ). В автомобілів, не обладнаних нейтралізаторами, на режимі мінімальної частоти обертання гранично допустимий вміст оксиду вуглецю не повинен перевищувати 3,5%, вуглеводнів для автомобілів з 4-циліндровими двигунами 1200 млн 
. На режимі підвищеної частоти обертання вміст оксиду вуглецю обмежується 2%, вміст вуглеводнів – 600 млн .
Автомобілі з дизелями в умовах експлуатації перевіряються згідно з ДСТУ 4276:2004 на димність відпрацьованих газів в режимі вільного прискорення. За цим стандартом основним показником димності є натуральний показник ослаблення світлового потоку К, м . Ця величина у несертифікованих автомобілів не повинна перевищувати в дизелів без наддуву 2,5 м та в дизелів з наддувом 3 м .