Нормирование выбросов токсичных веществ и шума двигателем автомобиля

По мере роста автомобильного парка стандарты на ограничение вы­бросов токсичных веществ введены во многих странах мира, в зависимо­сти от концентрации автомобилей, климатических, рельефных условий и других факторов.

Под токсичностью выбросов двигателя автомобиля (токсичностью дви­гателя) — это способность выбросов двигателя оказывать токсическое воздействие на людей, животный мир, что определяется сле­дующими факторами:

• составом токсичных веществ
• абсолютным количе­ством выбросов токсичных веществ в единицу времени (или на единицу пути, пройденного автомобилем)
• физико-химическими законам превращения химических соединений в атмосфере
• геофизическими законами распространения токсичных веществ
• чувствительностью живых орга­низмов

В настоящее время стандартами всех стран мира регламентируются выбросы токсичных компонентов на определенных, наиболее характерных режимах работы двигателя (стандарты первого рода) или на совокупности режимов, имитирующих действительные условия эксплуа­тации (стандарты второго рода). В нашей стране нормирование токсичных веществ по совокупности режимов применяется для новых двигателей и автомобилей, т.е. в целях контроля продукции моторных и автомобильных заводов.

В условиях эксплуатации проверка автомобилей по совокупности режимов в настоящее время представляет определенные трудности. По­этому нормирование выбросов токсичных веществ для автомобилей, находящихся в эксплуатации, производится только на режимах холостого хода и разгона двигателя.

Для автомобилей с бензиновыми двигателями вновь изготавливаемыми и находящимися в экс­плуатации в большинстве стран, бывшего СССР, в том числе и в Беларуси, действует ГОСТ 17.2.2.03-87 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерения содержания оксида углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. Требова­ния безопасност с изменением №1». Стандарт не распространяется на автомобили, полная масса которых менее 400 кг или максимальная скорость не превышает 50 км/ч, на автомобили с двухтактными и роторными двигателями.

При испытании на токсичность отработавших газов двигатель прогре­вается до рабочей температуры, воздушная заслонка полностью открыва­ется. В выхлопную трубу на глубину не менее 300 мм от среза вставляет­ся зонд. Устанавливается повышенная частота вращения коленчатого ва­ла двигателя. После работы на этом режиме не менее 15 с частота вра­щения снижается до минимальной пмин и не ранее чем через 20 с измеря­ется содержание оксида углерода и углеводородов. Затем устанавлива­ется повышенная частота вращения коленчатого вала двигателя nпов и не ранее чем через 30 с повторно изме­ряется содержание оксида углерода и углеводородов. Проверку на повышенной частоте вращения коленчатого вала проводят только на автомобилях, имеющих карбюратор. Минимальная и максимальная частоты устанавливаются в технических условиях и инструкции по эксплуатации автомобилей. Если эти значения не установлены, при проверке принимают nмин = (800±50) мин-1, nпов = (3000±100) мин-1.

При наличии в ав­томобиле раздельных выпускных систем измерение производят отдельно для каждой из них. Показателем токсичности служат максимальные кон­центрации оксида углерода. Содержание оксида углерода в % и углеводо­родов в млн-1 в отработавших газах по ГОСТ 17.2.2.03-87 для России с изменением №1 не должно превышать норм, приведенных в табл.

Содержание углеводородов указываются в млн-1 по принятому международному обозначению, при этом 1% углеводородов соответствует 10000 млн-1. Такое обозначение принято в связи с тем, что при считывании показаний приборов трудно оценивать малые показания процентов содержания углеводородов, например 0,1 или 0,01, в тоже время 100 или 1000 млн-1 более наглядно показывают динамику имения показаний приборов.

Табл. Предельно допустимое содержание токсичных компонентов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями (Россия)

Частота вращения кол. вала мин-1		Предельно допустимое содержание оксида углерода, объемная доля, %		Предельно допустимое содержание углеводородов, объемная доля, млн-1, для двигателей с числом цилиндров
				до 4	более 4
Автомобили без каталитических нейтрализаторов
nхх мин		Значение, указанное заводом-изготовителем* Если такое значение не указано, то 3,5%	1200		3000
nхх пов		2,0	600		1000
Автомобили с каталитическими нейтрализаторами
nхх мин	Значение, указанное заводом-изготовителем* Если такое значение не указано, то 1,0%		400		600
nхх пов	Значение, указанное заводом-изготовителем* Если такое значение не указано, то 0,7%		200		300

Примечание:

*после 1-го января 1999 года в технической документации на новый автомобиль завод-изготовитель должен указывать значение предельно допустимого содержания СО в ОГ на режиме минимальной частоты вращения холостого хода, которое не должно превышать значений, приведённых в таблице.

В Республике Беларусь данные по изменению №1 не действуют, поэтому при проверке содержания токсичных веществ в отработавших газах следует пользоваться данными таблицы.

Табл. Предельно допустимое содержание токсичных компонентов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями (Беларусь)

Частота вращения кол.вала мин-1	Предельно допустимое содержание оксида углерода, объемная доля, %	Предельно допустимое содержание углеводородов, объемная доля, млн-1, для двигателей с числом цилиндров
		до 4	более 4
nхх мин	1,5	1200	3000
nхх пов	2,0	600	1000

 Для автомобилей с дизельными двигателями, находящимися в эксплуатации, действует ГОСТ 21393-75 «Автомобили с дизелями. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений. Требования безопасности» с изменением №2. Стандарт распространяется на автомобили и автобусы с дизельными двигателями.

Основным нормируемым параметром дымности является натуральный показатель ослабления светового потока K м-1, вспомогательным – коэффициент ослабления светового потока N %. Натуральный показатель ослабления светового потока K, м-1 – величина, обратная толщине слоя отработавших газов, проходя через который поток излучения от источника света ослабляется в «е» раз (е=2,178 – основание натуральных логарифмов).

Коэффициент ослабления светового потока N, % представляет собой степень ослабления светового потока вследствие поглощения и рассеивания света отработавшими газами при прохождении ими рабочей трубы дымомера. Пересчет значений К в N приведены в таблице.

Пересчет значений натурального показателя ослабления светового потока в коэффициент ослабления светового потока (для N, приведенного к шкале дымомера с эффективной базой 0,43 м):

К, м-1	0,0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,7	0,9	1,2
N, %	0,0	4	8	11	15	20	25	31	40
К, м-1	1,4	1,6	1,9	2,5	2,8	3,5	4,0	4,6	∞
N, %	45	50	56	66	70	78	81	86	100

Показатели ослабления светового потока K м-1 и коэффициент ослабления светового потока N %. определяются на холостом ходу: на режиме свобод­ного ускорения, а также при максимальной частоте вращения. Измере­ния производятся на неподвижно стоящем автомобиле с исправной системой выпуска. Схема измерения дымности ОГ показана на рисунке.

Дымность ОГ должна измеряться приборами, отвечающими требо­ваниям ГОСТ 21393-75 с изменениями №2. Противодавление на выходе из дымомера не должно превышать 75 мм вод. ст. В камере измерительного прибора 5 необходимо поддержи­вать давление не менее 490 Н/м2 (50 мм вод.ст.) и не более 585 Н/м2 (60 мм вод.ст.). Для повышения давления газов при отборе проб допус­кается устанавливать регулирующую заслонку 6 в выпускной трубе ис­пытательного стенда на расстоянии не менее 30 D (D — диаметр выхлоп­ной трубы стенда) от входного отверстия зонда газоотборника. Прибор для измерения дымности (дымомер) должен иметь две измерительные шкалы: основную – в абсолютных величинах поглощения света от 0 до ∞ (для приборов с цифровой индикацией верхний диапазон – не менее 10 м-1), вспомогательную – линейную с диапазоном измерения 0…10%.

Зависимость между показаниями основной и вспомогательной шкалами вычисляют по формуле:

K=-1/L*ln(1 ­– N/100)

где K – коэффициент поглощения света, м-1;
N – показание линейной шкалы дымомера с эффективной базой L,%;
L – эффективная база дымомера, м.

Измерение на режиме свободного ускорения производится не ме­нее, чем при 6-ти кратном повторении цикла изменения частоты вра­щения вала дизеля от минимальной до максимальной, который осуществляется путем быстрого, но плавного нажатия на педаль пода­чи топлива (до упора) с интервалом не более 15 с. При каждом после­дующем измерении фиксируют максимальную дымность до получения устойчивых значений, когда четыре последовательных значения пока­зателя располагаются в зоне шириной 0,25 м-1 по шкале К, но не обра­зуют убывающую последовательность. За результат измерения прини­мают среднее арифметическое значение результатов этих четырёх из­мерений.

Затем не позднее, чем через 60 с после испытаний на режиме сво­бодного ускорения, необходимо произвести измерение дымности ОГ на режиме максимальной частоты вращения при полном нажатии на пе­даль подачи топлива. Дымность измеряют не ранее, чем через 10 се­кунд после впуска ОГ в прибор. Измерение считают достоверным, если значения дымности расположены в зоне шириной не более 6% по шка­ле N. За результат измерения следует принимать среднее арифмети­ческое значение крайних показаний дымности.

Предельно допустимые показатели дымности при испытаниях авто­мобилей с дизелями по ГОСТ 21393-75 с изменениями №2 указаны в таблице.

Табл. Допустимые нормы дымности для автомобилей с дизельными двигателями:

Режим измерения дымности	Предельно допустимое значение показателя Кдоп., м-1	Предельно допустимое значение показателя Nдоп.,%
Свободное ускорение для автомобилей с дизелями: без наддува с наддувом Максимальная частота вращения	1,2 1,6 0,4	40 50 15

При контрольных проверках дымности отработавших газов при эксплуатации (на до­роге) нормы Кдоп., указанные в таблице , для режима свободного ус­корения могут быть превышены, но не более чем на 0,5 м-1.

Показания по дымности и содержанию оксида углерода и углеводородов в отработавших газах изменяются в зависимости от атмосферного давления, поэтому при проверках необходимо учитывать поправочный коэффициент на отклонение атмосферного давления от нормального. Коэффициент изменяется по прямолинейной зависимости от 1,21 при атмосферном давлении 650 мм рт. ст. до 0,92 при давлении 800 мм рт. ст.

В процессе эксплуатации контроль на токсичность и дымность отработавших газов следует проводить:

• на предприятиях, эксплуатирующих и обслуживающих автомобили, при техническом обслуживании и после ремонта или регулировки агрегатов, узлов и систем, влияющих на токсичность отработавших газов (двигатель, система питания, зажигания)
• на предприятиях, осуществляющих капитальный ремонт автомобилей
• при государственных технических осмотрах
• при выборочном контроле на дорогах и улицах

Однако для разработки комплексных программ по снижению загряз­нения атмосферы вредными веществами, содержащимися в отработавших газах автомобилей, необходимо иметь информацию о выбросах не только на режимах холостого хода, но и на других режимах. Кроме того, оценка токсичности автомобилей и двигателей должна производиться на основе определения массы выделенных вредных веществ. Стандарты, удовле­творяющие этим требованиям и действующие для автомобильной промыш­ленности, можно отнести ко второму роду. В основу этих стандартов были положены модели движения и управления автомобилем в городских усло­виях, которые называют ездовыми циклами. При испытаниях автомобилей по ездовым циклам дается более объективная оценка токсичности транс­портных средств по выбросам CO, CH, NOx, так как учитывается масса автомобиля, скорость движе­ния, качество управления, а также масса выделенных веществ.

Для проведения испытаний автомобиля на токсичность его устанав­ливают на стенд с беговыми барабанами, на котором имитируются харак­терные условия движения в крупных городах. Во время испытаний все отработавшие газы, разбавляются воздухом в соотношении 1:10 и собираются в одну или несколько эластичных камер. Разбавление воздухом необходимо для исключения конденсации водяных паров, что приводит к значительному снижению потерь NOx в емкости пробосборника. Корме того, разбавление смеси не позволяет углеводородам реагировать друг на друга.

Помимо выбросов токсичных веществ с отработавшими газами в США и некоторых странах Европы для легковых автомобилей регламентируются выбросы топливных паров (СН), образовавшихся в топливном баке и топливопроводах системы питания двигателей легковых автомобилей. Такое испытание проводится в герметичной камере и состоит из двух фаз. Первая часть испытания проводится при заполнении топливного бака приблизительно на 40% объема. Проверка СН начинается в камере во время нагрева испытуемого топлива (начальная температура 10…14°С). Через один час после прогрева автомобиля в камере определяется количество СН в воздухе и сравнивается с первоначальными значениями до прогрева. Во время испытаний окна и крышка багажника должны быть открыты. Во второй фазе испытаний автомобиль прогревается, а затем размещается в камере при температуре 23…31°С. После этого температура в камере снижается до 10…14°С и через час определяется количество СН в воздухе. Сумма полученных значений паров СН при обоих испытаниях должна быть не менее 2 г.