Курс лекций по "Экологии транспорта"

Наиболее часто используют показатель относительной агрессивности А_i².

Величина приведенного выброса (удельного или абсолютного) вредного вещества определяется по формуле:

М_i = m_i · А_i , усл. г/ч;

Е_i = е_i · А_i, усл. г/квт.ч;

Е_i¢ = е_i¢ · А_i, усл. г/кг топл.

Суммарные приведенные массы вредных  веществ определяются путем сложения приведенных выбросов отдельных компонентов:

М_å = åМ_i = åm_i · А_i

Е_å = åЕ_i = åе_i · А_i

Е_å¢ = åЕ_i¢ = åе_i¢ · А_i

Следует иметь в виду, что так  как суммирование при расчетах по этим формулам ведется только для компонентов, полученных по анализу, то и сам суммарный показатель М_å, Е_å и т.д. определенной степени необходимо четко оговаривать выбросы каких компонентов учитываются. Сравнивать показатели для разных автомобилей и ДВС необходимо только при суммировании приведенных выбросов одних и тех же компонентов.

Исследование приведенных выбросов позволяет не только оценить суммарную токсичность двигателя, но и определить вклад отдельных компонентов в суммарный выброс.

Так доля i-го компонента в общей токсичности ОГ равна:

 

При расчете абсолютного выброса  i-го компонента ОГ по формуле:

m_i = С_i · V_ОГ.

Считается, что ДВС работал на постоянном режиме, т.е. концентрация компонента и расход ОГ оставались неизменными. Однако в реальных условиях эксплуатации двигатель работает на различных режимах от холостого хода до максимальной мощности. поэтому и выбросы при работе двигателя на разных режимах различны. Они зависят от двух основных факторов: времени работы на режиме и мощности двигателя на этом режиме.

Это затрудняет определение среднеэксплуатационных вредных выбросов. Поэтому приемлемые результаты могут быть получены толь при испытаниях автомобиля или двигателя на нескольких режимах (циклах), имитирующих реальные условия эксплуатации.

В этом случае вводится специальный  дополнительный параметр К_j, называемый весовым фактором, он представляет собой относительное время работы на режиме. Значения параметра К_j определяется условиями эксплуатации двигателя и могут быть получены из экспериментальных данных или взяты из литературных источников.

В каждом конкретном случае оговариваются  условия или условия получения весовых факторов.

 

Лекция № 6

Нормирование токсичных  выбросов транспортными средствами и их двигателями.

Нормирование – это законодательное ограничение выбросов вредных веществ путем введения специальных норм на выбросы токсичных веществ транспортными средствами или их двигателями.

Установленные с учетом реальной для  текущего времени экологической обстановки, технических достижений и экономических возможностей нормы вредных выбросов периодически изменяются.

Впервые нормирование вредных выбросов было применено в США, где в 1959 году в штате Калифорния был принят закон об ограничении содержания СО и СН в ОГ автомобильных двигателей. В настоящее время во всех промышленно развитых странах осуществляется законодательное нормирование вредных  выбросов с ОГ транспортных средств и их двигателей.

В странах Западной Европы нормы  выбросов устанавливаются в соответствии с Правилами ЕЭК ООН. В 1987 году СССР принял обязательство применять правила ЕЭК, был введен ряд стандартов соответствующих европейским нормам. Однако с распадом СССР эти работы были временно прекращены. Поэтому сейчас в Украине действуют старые стандарты на выбросы, принятые до распада СССР. Они находятся на уровне устаревших европейских стандартов  80-х годов.

В Европе, США и Японии нормы ожесточаются в 1,5 – 2 раза каждые 5 –7 лет с учетом анализа технических, экономических, биологических, медицинских и др. Факторов.

Вхождение Украины в Европейское  Сообщество накладывает на нее определенные обязательства по принятию европейских нормативов. Работы в этом направлении ведутся, но стандартов еще нет.

Стандарты, ограничивающие выбросы, как  правило, состоят из двух частей:

– испытательной процедуры;

– нормативов предельно-допустимых выбросов.

Обе части зависят от типа и назначения двигателя.

Стандартные испытательные процедуры бывают двух типов:

1. Испытания на холостом ходу двигателя;
2. Испытания по специальной совокупности режимов (циклу режимов, ездовому циклу), имитирующих условия эксплуатации.

В табл. 6.1 приведен перечень нормативных документов на выбросы вредных веществ.

Условные обозначения:

N – непрозрачность ОГ;

К – показатель ослабления оптической плотности светового потока.

 

Таблица 6.1. Перечень нормативных документов по выбросам вредных веществ с ОГ ДВС.

 

№	Нормативный документ	Наименование	Виды испытаний	Нормируемые компоненты
1	ОСТ 37.001.070-75	ДВС бензино-вые грузовых автомобилей и автобусов. Вы-деление вред-ных веществ. Мавт >3,5т, число мест>12	Стендовые испытания на токсичность по 9-ти режимному циклу; г/квт.ч	СО = 95 (г/квт.ч.) СН+NOx = 20 (г/квт.ч.)
2	ОСТ 37.001.234-81 (Правило№49ЕЭК ООН)	Охрана приро-ды. Атмосфе-ра. Дизели автомобильныеВыбросы вред-ных веществ с ОГ. Нормы и методы изме-рений.	Стендовые испытания двигателя на токсичность по 13-ти режимному циклу; г/квт.ч.	СО = 9,5 СН = 3,4 NOx = 18,35
3	ОСТ 37.001.054-86 (Правила №83-02 ЕЭК ООН. Директива №89/458ЕЭС, стандарт США(FR-40)	Автомобили и двигатели. Выбросы вред-ных веществ. Нор-мы и ме-тоды опреде-ления. (Европейский ездовой цикл)	Испытание автомобиля на стенде с бе-говыми бара-банами. Режи-мы ГЭЦ и х.х. Выбросы с картерными газами.	СО = 13,33 СН+NOx= 4,94
4	ГОСТ 17.2.2.03-87	Охрана приро-ды. Атмосфера. Нормы и мето-ды измерения содержания СО иСН в ОГ авто.  с бенз. двиг-ми.	Минимальные оброты х.х. и повышенные оброты х.х.	СО – 1,5%/2% СН – 1200/600 СН – 3000/1000
1	2	3	4	5
5	ГОСТ 17.2.2.01-84	Дизели автомо-бильные. Дым-ность ОГ от объема и рас-хода ОГ.	Новые дизели. Внешняя ско-ростная хара-ктеристика и режим сво-бодного уско-рения.	N, К
6	ГОСТ    21393-75	Автомобили с дизелем. Дым-ность ОГ.	Контроль дымности ди-зелей в  эксплуатации. Режимы х.х. и свободного ускорения.	N – 15 max N – 40 (х.х.) К – св. Ускор-ения.
7	ГОСТ 17.2.2.02-86	Охрана приро-ды. Атмосфера. Нормы и мето-ды измерения дышности ОГ тракторных и комбайновых дизелей.	Стендовые испытания на 6-ти частотах от nном до nМкр.max	N ,K
8	ГОСТ 17.2.2.05-86	Охрана приро-ды. Атмосфера. Нормы и мето-ды измерения выбросов вред-ных веществ с ОГ тракторных и комбайновых двигателей.	Стендовые испытания. 13-ти режимный цикл; г/квт.ч.	СО, СН, NOx
9	ГОСТ    24585-81	Дизели судо-вые, тепловоз-ные и промыш-ленные Выбро-сы вредных ве-ществ с ОГ.	Периодичес-киеиспыта-ния; г/квт.ч.	СО, NOx
1	2	3	4	5
10	ГОСТ    24028-80	Дизели судо-вые, тепловоз-ные и промыш-ленные. Дышность ОГ.	Контроль на заводах изго-товителях. Ре-жимы: нагру-зочная, винто-вая, эксплуа-тационная ха-рактеристики.	N, K

 

6.2. Нормирование токсичности ОГ двигателей автотранспортных средств.

Для автомобилей в странах ЕЭС  в качестве типов испытаний приняты: городской, скоростной, 9-ти и 13-ти ступенчатый циклы. Аналогичные стандарты существуют и на Украине.

Городской цикл характеризует езду автомобиля по городу, а скоростной по загородным высокоскоростным магистралям. Ездовые циклы включают в себя как установившиеся режимы работы двигателя (движение с постоянной скоростью и холостой ход), так и неустановившиеся (движение с ускорением и замедлением). На рис. 6.1 приведен ездовой испытательный цикл стран ЕЭС, который , согласно правилам №83-02 (Правила №83ЕЖ ООН – это И-ГЕЦ и еще директива №89/458 ЕЖ) состоит из четырех городских и одного скоростного циклов. Продолжительность одного городского цикла составляет 195 секунд, а скоростного 400 секунд. Общее время цикла – 1180 секунд. В качестве нормируемого показателя установлена средняя за время испытаний масса выброса на 1км пробега.

Нормы выбросов вредных веществ  автомобилями с полной массой до 3,5т представлены в табл. 6.2.

Таблица 6.2.

№	Контрольная масса, Мавт, кг	Норма, г/км
		СО		СН + NOx		ТЧ (для дизелей)
		О	С	О	С	О	С
1	< 1250	2,72	3,16	0,97	1,13	0,14	0,18
2	1250-1700	5,17	6,0	1,4	1,6	0,19	0,22
3	71700	6,9	8,0	1,7	2,0	0,25	0,29

 

Рис. 6.1. Ездовой испытательный цикл стран ЕЭС.

Особенности этих норм в том, что  они не зависят от типа двигателя, то есть нормативы одинаковы для дизелей и бензиновых ДВС. На холостом ходу Правила №83-02 ограничивают содержание в ОГ бензиновых ДВС на уровне 3,5%. Кроме этого ограничивается испарение топлива на уровне 2 г/км для бензиновых ДВС. По типу ездового цикла и нормативным документам этот стандарт приближен к стандартам США. Правила №83-02 предусматривает поэтапное ужесточение выбросов (табл. 6.3).

 

 

 

 

 

 

Таблица 6.3.

Евро 1993	Бензин, г/км	Дизельное топливо, г/км
СО	2,72	2,72
СН + NOx	0,97	0,97
ТЧ		0,14
Испарения	2,0
Евро 1996
СО	2,2	1,0
СН + NOx	0,5	0,7
ТЧ		0,008
Испарения	2,0
Евро 2000	Бензин, г/км	Дизельное топливо, г/км
СО	1,0	0,5
СН	0,1	0,1
NOx	0,1	0,3
ТЧ		0,003
Испарения	2,0

Нормативные требования для автомобилей  с объемом двигателей более 1,4л не могут быть выполнены без применения системы нейтрализации ОГ. Так как нейтрализатор не допускает использование этилированных бензинов (предельно-допустимая концентрация свинца не должна превышать 0,015 мг/л бензина), то для стран и отдельных регионов до полного перехода на снабжение неэтилированными бензинами действуют старые требования Правил 15.04 ЕЖ ООН 1982 года. В табл. 6.4. Приведены нормативные требования Правил №15.

Нормы введены для подготовленных новых автомобилей и серийно  выпускаемых. Для серийных – нормы на 20% менее жестокие, т.к. учитывается разброс регулировок при массовом производстве.

Украина допускает прямое применение Правил ЕЭК ООН. Однако не отменены и действуют стандарты бывшего СССР. Это ОСТ 37.001.054-86 «Автомобили и двигатели. Выброс вредных веществ. Нормы и методы определения.» Испытания проводятся по европейскому ездовому циклу, без скоростного цикла. Нормы на выбросы по этому стандарту аналогичны нормам правил №15-04, но на 12% более жесткие.

Таблица 6.4. Нормативные требования Правил №15.

Контрольная масса автомобиля	Выброс токсичных вредных веществ, г/исп.
	CO		СО + NOx
	Подготовл.	Серийный	Подготовл.	Серийный
до 1020	58	70	19	23,8
1020 – 1250	67	80	20,5	25,6
1250 – 1470	76	91	22	27,5
1470 – 1700	84	101	23,5	29,4
1700 – 1930	93	112	25,5	33,1
1930 – 2150	101	121	26,5	33,1
>2150	110	133	28,0	35,0

 

С 1990 года введены новые нормы  на выбросы вредных веществ с  ОГ автомобилей массой до 3,5т идентичные правилам № ЕЖ-ООН, отдельно для автомобилей с системой нейтрализации (работа на неэтилированном бензине) и автомобилей без систем нейтрализации (на этилированном бензине). Эти требования ОСТ 37.001.054-86 приведены в табл. 6.5

Таблица 6.5. Требования ОСТ 37.001.054-86

Рабочий объем двигателя, л	Год введе- ния		Выброс вредных веществ, г/исп
			СО			СН + NOx		В т.ч. NOx
			Подг.		Сер.	Подг.	Сер.	Подг.	Сер.
Автомобили без нейтрализаторов
до 1,4	1990		45	54		15	18	6	7,2
1,4 – 2	1991		45	54		17	20	6	7,2
> 2	1990		45	54		17	20	6	7,2
Автомобили с нейтрализаторами
1,4 –2		1991	30	36		8	9,6
> 2		1990	25	30		6,5	7,8	3,5	4,2

 

Такое разделение связано с тем, что доля неэтилированного бензина составляет 40 – 50% от общего выпуска бензинов. В табл. 6.5 приведено сравнение норм по ОСТ 37.001.054-86 и Правил №83-02.

Для определения содержания токсичных  веществ в ОГ автомобильных  двигателей в  эксплуатации  действует ГОСТ 17.2.2.03-87 «Нормы и методы измерения содержания СО и СН в ОГ автомобилей с бензиновыми двигателями». Стандарт распространяется на автомобили полной массой > 400 кг и V_max > 50 содержание СО и СН при работе двигателя автомобиля на двух постоянных режимах холостого хода. Однако этот режим позволяет контролировать работу только системы холостого хода карбюратора.

Таблица 6.5. Сравнение норм по ОСТ 37.001.054-86 и Правил №83-02

Нормативный документ	Год введения	Нормы выбросов, г/км (г/исп.)			Объем испытаний
		CO	СН + NOx	ТЧ
ОСТ 37.001.054-86	1990	3,33 (54)	4,94 (20)		4 городск. Цикла
Правила    №83-02	1994	3,16	1,13	0,18	4 городск. 1 скор.

 

Необходим для проверки регулировки  главной дозирующей системы.

При контрольных проверках автомобилей  в эксплуатации органами Госкомприроды, ГАИ допускается содержание СО при n_min до 3%.

Для определения содержания вредных  веществ в ОГ грузовых автомобилей и автобусов с бензиновыми и газовыми двигателями используется стандарт ОСТ 37.001.070-75 «Двигатели бензиновые грузовых автомобилей и автобусов. Выделение вредных веществ, Методы определения.» За основу взят аналогичный стандарт США.

Количество вредных веществ  определяют по работе двигателя по циклу, состоящему из 9-ти установившихся режимов, соответствующих разгону, замедлению, движению с V_a = const при различной нагрузке, работе на самостоятельном и принудительном холостом ходу:

• минимальной частоте холостого хода;
• повышенной частоте холостого хода =0,6 n_ном

Нормы выбросов по этому стандарту  приведены в табл. 6.6.

 

 

 

 

 

 

Таблица 6.6.

Частота вращения, об/мин	Предельно до-пустимое содер- жание СО, %	Предельно допустимое содержание  СН млн –1
		до 4-х цилиндров	> 4-х цилиндров
nmin	1,5 (3,5)	1200	3000
nпов	2,0	600	1000