Европейский цикл движения NEDC для типовых испытаний

Анализ ОГ при типовых испытаниях автомобилей существенно отличается от проверок токсичности ОГ, проводимых на СТО. При типовой проверке автомобиль проезжает предписанные циклы движения на беговых барабанах при точно заданных параметрах окружающей среды и условиях испытаний.

Предписанные и стандартизированные методы измерений определяют количество каждого отдельного компонента ОГ. Для Европы обязательным является новый европейский цикл движения — NEDC (New European Driving Cycle). Данный цикл моделирует типичную манеру езды на европейских дорогах. В других странах (например, в США и Японии) при испытаниях автомобилей применяются другие циклы, учитывающие региональную специфику дорожного движения и стиля вождения. Измерение количества и анализ вредных веществ выполняются по методу CVS (Constant Volume Sampling, отбор проб постоянного объема).

Уже начиная с нормы Евро-3 произошло значительное ужесточение европейских условий испытаний. 40-секундная фаза холостого хода перед началом испытаний была упразднена. Измерение ОГ начинается в момент начала испытания. В 2002 году вступило в силу очередное ужесточение условий испытаний для автомобилей с бензиновыми двигателями. При дополнительном испытании в холодных условиях пуск двигателя производится при температуре -7°С, и немедленно начинается измерение ОГ в городском цикле. Предельно допустимое количество оксида углерода во время этого испытания не должно превышать 15 г/км, а углеводородов — 1,8 г/км. Параллельно с ужесточением условий испытаний вступление в силу нормы Евро-4 почти наполовину уменьшило предельное содержание вредных веществ в выхлопе. Поскольку 90% вредных веществ образуется в фазе нагрева катализатора, изготовители были вынуждены устанавливать новые системы очистки ОГ для фазы холодного пуска и прогрева двигателя.

Испытание с холодным пуском предусмотрено также для автомобилей с дизельными двигателями. После вступления в силу новых стандартов содержания вредных веществ в ОГ автомобилей с дизельными двигателями, с 2008 г требования ужесточились. Так, например, предельное содержание частиц снижено до уровня 0,0025 г/км, а количество МО( по сравнению с Евро-4 сокращено вдвое.

NEDC

Рис. NEDC (New European Driving Cycle, новый европейский цикл движения). Длительность цикла 1220 секунд (4 х 195 секунд + 1 х 400 секунд). Длина цикла 11007 метров. Средняя скорость 33,6 км/ч. Максимальная скорость 120 км/ч

Американский цикл движения FTP 75

Рис. Американский цикл движения FTP 75 (Federal Test Procedure). Длительность цикла 1372 секунд + 505 секунд = 1877 секунд. Длина цикла 11,04 миль, 17763 метра (1 миля = 1609 м). Средняя скорость 34,1 км/ч. Максимальная скорость 91,2 км/ч

На рисунке изображен цикл движения NEDC для типовых испытаний легковых автомобилей.

Различия между региональными циклами движения показаны на рисунке.

Американский цикл движения показан на примере FTP-75. Это всего лишь один из стандартных испытательных циклов, принятых в США. Остальные, не описанные здесь циклы — это загородный цикл (Highway Cycle), цикл 5FTP, цикл US06 и цикл OBD, который также называют CARB Unified Cycle. Испытание FTP-75 состоит из трех фаз и паузы (простоя). Пауза в 10 минут в цикле FTP имитирует нахождение автомобиля в пробке, типичной при движении в большом американском городе. Третья фаза идентична первой. Максимальная скорость автомобиля при этом испытании заметно ниже, чем при испытаниях в Европе. Единых условий испытаний, таких как в Европе, в США нет. Выброс ОГ на испытаниях определяется по следующей формуле:

(0,43 х фазы 1 + 2) + (0,57 х фазы 2 + 3)

У грузовиков и автобусов ОГ анализируются не с привязкой к расстоянию и характеристикам движения, а с привязкой к мощности двигателей в рамках испытаний из 13 этапов.

Стационарный метод испытаний заменен на динамический, содержащий близкие к реальным изменения нагрузки на двигатель.

Определение потерь на испарение

Важным объектом проверки при типовых испытаниях бензиновых двигателей на токсичность ОГ является испарение углеводородов. Независимо от выбросов вредных веществ в результате сгорания в двигателе углеводороды попадают в атмосферу из топливной системы также через испарение из негерметичных (неисправных или неудачно сконструированных) элементов топливной системы. При проверке токсичности ОГ или осмотре автомобилей на СТО этот параметр проверить невозможно. Законодатели полагаются на то, что системы функционируют или отдельные элементы (например, система вентиляции топливного бака и его герметичность) контролируются системой бортовой диагностики (OBD). Испарения у дизельных двигателей в силу низкой летучести компонентов дизельного топлива играют второстепенную роль.

Стандартным методом определения потерь на испарение является метод SHED. При этом методе автомобиль помещается в газонепроницаемую камеру, и его топливный бак примерно наполовину заполняется контрольным бензином заданной температуры (от +10 до +14,5°С). Затем измеряется концентрация углеводородов в испытательной камере. После этого в течение часа температура топлива повышается на 14°С. По достижении конечной температуры снова измеряется концентрация углеводородов в испытательной камере. Окна и багажник автомобиля во время измерения должны быть открыты. Чтобы измерить испарение в фазе охлаждения автомобиля, прогретый автомобиль помещается в испытательную камеру, в которой в течение одного часа измеряется увеличение испарения. Масса испарившихся углеводородов на обоих испытаниях не должна превышать 2 г. В перспективе следует ожидать дальнейшего ужесточения требований к испарению углеводородов (испытание, аналогичное описанному выше, проводится в течение суток при температуре от +20 до +35 °С).

Анализ ОГ по методу CVS

Выбросы вредных веществ автомобилями определяются на беговых барабанах. Пока автомобиль «движется» на барабанах в соответствии с определенными циклами движения (цикл NEDC), откалиброванные измерительные системы определяют концентрацию отдельных компонентов выхлопа. Конечно, в ходе измерений возможны ошибки. Чтобы исключить их, выполняется несколько измерений или серий измерений, из результатов которых затем выводится среднее значение. Свести возможные ошибки к минимуму можно и путем использования различных измерительных приборов и испытательных стендов.

Метод CV5 начали использовать в 1972 году в США для анализа токсичности ОГ на легковых автомобилях и легких грузовиках с дизельными двигателями. Технология CVS состоит в следующем: после взятия проб в объем ОГ добавляется эквивалентное объему пробы количество чистого воздуха, при этом суммарный объем ОГ и добавленного воздуха поддерживается постоянным.

Преимущества этого метода состоят в следующем:

  • учет реального индивидуального объема выхлопных газов;
  • реальное определение параметров движения в каждый момент времени (разгон, торможение);
  • предотвращение конденсации водяного пара;
  • уменьшение потерь окислов азота;
  • предотвращение взаимных реакций компонентов выхлопа (особенно СН).

Описание метода CVS

Испытательный стенд для анализа ОГ

Рис. Испытательный стенд для анализа ОГ:

  1. Беговые барабаны
  2. Индикация/управление циклом движения
  3. Подача наружного воздуха
  4. Фильтр наружного воздуха
  5. Канал разбавления воздуха
  6. Контроль давления
  7. Охладитель
  8. Контроль температуры ОГ
  9. Контроль давления ОГ
  10. Ротационный насос
  11. Вентиль для взятия проб ОГ
  12. Сборник ОГ
  13. Измерительные приборы для CO, СО, СН, NOх
  14. Сажевые фильтры для дизельных двигателей
  15. К выпуску
  16. Испытуемый автомобиль

Принципиальная схема стенда для анализа выхлопных газов в рамках типового испытания автомобиля изображена на рисунке Работа производится следующим образом. Выхлопные газы автомобиля при его работе по предписанному испытательному циклу разбавляются чистым воздухом. Суммарный объем ОГ и чистого воздуха поддерживается постоянным даже при изменении нагрузки на двигатель автомобиля. Из разбавленного чистым воздухом выхлопа непрерывно отбираются пробы, которые аккумулируются в специальных емкостях. Концентрация вредных веществ в этих пробах соответствует среднему значению концентрации отобранной выхлопной смеси. Таким образом, на протяжении испытательного цикла точно известен общий объем газа. На основе общего объема и концентрации вредных веществ в сборной емкости можно вычислить массу вредных веществ. Во избежание искажений измеренных значений из разбавляющего воздуха берутся пробы и также анализируются на содержание вредных веществ. Это позволяет корректировать точность измерений.

Для достижения постоянного объемного расхода используются обычные вентиляторы с соплом Вентури или ротационные воздуходувки. Во избежание конденсации углеводородов с высокой температурой кипения и для испарения уже сконденсировавшихся в газовой смеси углеводородов требуется нагрев всей системы отбора примерно до 190°С.

Если при типовом испытании необходимо учитывать и предельное содержание частиц, то метод испытания нужно модифицировать. В измерительную установку встраивается т.н. «разбавительный туннель» с высокой внутренней турбулентностью и дополняется точками измерения с фильтрами для улавливания частиц. Из-за разбавления в соотношении от 1:8 до 1:10 измеряемые концентрации очень малы. Необходимо использовать анализаторы, чувствительность которых будет выше в это количество раз. Везде, где применяется метод CVS, используются единые принципы измерения для анализа компонентов выхлопа:

  • определение концентрации СО и СO2 с помощью инфракрасных абсорбционных анализаторов NDIR (Non-Dispersive-lnfra-Red);
  • определение концентрации NOx с помощью устройств, работающих по принципу хемилюминесценции (CLD, Chemo-Lumineszenz-Detektor);
  • гравиметрическое определение выбросов твердых частиц. Измерение выполняется специальными весами с точностью до одной миллионной грамма.

Ниже кратко описаны методы измерений, используемые для промышленности и типовых испытаний.

Метод FID

Аббревиатура FID расшифровывается как Flame lonisation Detector (пламенно-ионизационный детектор). Этот метод используется при промышленной разработке двигателей и при анализе выхлопных газов в ходе типовых испытаний автомобилей. Данный детектор используется для обнаружения в газовых смесях органических соединений. Точность измерений при этом методе составляет от нескольких промилле (ррт) до 100%. Поскольку температура пробы достигает 300°С этот метод измерений нечувствителен к колебаниям температуры в помещении.

Метод NDIR

NDIR расшифровывается как Non-Dispersive Infra Red (недиспергирующий инфракрасный анализатор). Принцип измерения основан на поглощении многоатомными неэлементарными газами излучений в инфракрасном диапазоне в пределах строго определенного характеристического спектра. Масса компонентов выхлопа относится к этим газам (за исключением кислорода). Чем больше в выхлопе компонентов газа одного типа, тем больше инфракрасного света определенной длины волны поглощает газ. Поскольку компоненты СО, СО, и СН поглощают излучение с разными длинами волн, их концентрацию можно измерить с помощью специальной инфракрасной техники в общей измерительной камере. Эти камеры называют трехкомпонентными, на рисунке показана их принципиальная схема.

Принципиальная схема трехкомпонентной измерительной камеры

Рис. Принципиальная схема трехкомпонентной измерительной камеры

Длины волн отдельных компонентов выхлопа:

  • СО = 4,7 мкм;
  • С02 = 4,3 мкм;
  • СН = 3,3 мкм.

Расположенный за инфракрасным фильтром инфракрасный датчик измеряет долю непоглощенного излучения соответствующей длины волны и направляет сигнал на электронику измерительного прибора. Специальные сигналы датчиков давления и температуры автоматически используются в качестве коррекционных величин для определения условий измерения в измерительной камере. Расположенная между инфракрасным лучом и измерительной камерой заслонка через определенные интервалы прерывает инфракрасный луч. Это упрощает обработку сигналов измерительной электроникой.

Электронный метод измерения концентрации кислорода

Поскольку методом NDIR нельзя определить концентрацию кислорода (он не поглощает инфракрасные лучи), то на выходе измерительной камеры или в отдельной измерительной камере устанавливается электрохимический датчик кислорода. В зависимости от содержания кислорода в выхлопе меняется поток электронов между катодом и анодом датчика. Падение напряжения на нагрузочном резисторе служит показателем содержания кислорода в выхлопе и анализируется измерительной электроникой. Так как нагрузочный резистор имеет зависимость от температуры, то даже при разных температурах окружающей среды гарантируется постоянная точность измерений. Срок службы датчика кислорода ограничен процессами окисления. Принципиальная схема кислородного датчика изображена на рисунке.

Схема гальванического датчика кислорода

Рис. Схема гальванического датчика кислорода

Определение массы частиц

Это измерение используется при разработке двигателей. Выхлопные газы проходят через специальный фильтр, после чего проводится взвешивание чистого и загрязненного фильтров на специально откалиброванных весах и сравнение результатов. Так определяется масса частиц, содержащихся в определенном объеме ОГ. Поскольку материал фильтра гигроскопичен, взвешивание выполняется при постоянной влажности и температуре. Замечено, что обычные стекловолоконные фильтры поглощают воду и углеводороды сильнее, чем стекловолоконные фильтры с покрытием из тефлона. При методе с фильтрацией показателем улавливания частиц сажи служит потемнение фильтрующего листа. Обработка данных выполняется путем сравнения полученных результатов со шкалой Бахараха-Гротона или с показателем дымности ОГ по Bosch. На рисунке показан принцип измерения массы частиц.

Камера для измерения массы частиц

Рис. Камера для измерения массы частиц

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (оцени первым)
Системы отделения масла от картерных газов. Маслоотделители В зависимости от конструкции двигателя утечка газов из одного цилиндра двигателя в пространство картера составляет от 10 до 30 л/мин. В зоне работы маслосъемных колец, вследствие высоких скоростей перемещения поршня, картерные газы обогащаются частицами масла размером от 0,1 до 2 мкм. Кроме того, об...
Дымомер ДО-1. Устройство и принцип действия Дымомер ДО-1 состоит из двух блоков: оптического детектора 6 измерителя дымности 1 Детектор и измеритель соединяются между собой с помощью кабеля 8. Измеритель дымности подключается к сети переменного тока (220 В, 50 Гц) или к сети постоянного тока (12 либо 24 В). Принцип работы дымоме...
Выхлопные газы На рисунке показаны теоретические и фактические результаты анализа продуктов сгорания топлива. Верхняя часть рисунка - идеальная картина, нижняя часть - реальный результат при нормальных условиях. Отметим, что этот результат получен до дальнейшей обработки выхлопа, например, каталитическим конвертер...
✪Устройство автомобиля Авто⚡сайт №❶
Google+ ()