Образование смеси

Дизельное топливо характеризуется более высокой температурой кипения, чем бензин. В дизеле отводится меньше времени на приготовление топливо-воздушной смеси, что является одной из: причин ее меньшей однородности. Диком в них воздуха (А > 1); недостаточное количество воздуха в смеси приводит к увеличению выброса сажи, СО и СН.

Процесс сгорания

Сгорание начинается при впрыскивании топлива через форсунку. Время впрыскивания оказывает основное влияние на эффективный к. п. д. двигателя. Повышение температуры сгорания увеличивает образование в отработавших газах оксидов азота (NOx).

Мероприятия по снижению токсичности отработавших газов

Конструктивные мероприятия

Камера сгорания

Двигатели с разделёнными камерами сгорания обеспечивают получение меньших концентраций оксидов азота в отработавших газах, чем двигатели с непосредственным впрыском топлива. С другой стороны, последние характеризуются лучшей топливной экономичностью. Для получения рабочей смеси, обеспечивающей полное сгорание, вихревое движение воздуха в камере сгорания должно сочетаться с правильно подобранным факелом топлива.

Впрыскивание топлива

Позднее впрыскивание позволяет снизить выброс оксидов азота (NOx), однако слишком позднее впрыскивание приводит к увеличению расхода топлива и повышенному выбросу углеводородов (СН) Увеличение на 1° (по углу поворота коленчатого вала) начала впрыскивани; может привести к повышению на 5% выбросов NOx, в то время как выбросы СH при этом могут увеличиться на 15%. Электронные системы управления: способны поддерживать оптимальны момент впрыскивания с высокой степенью точности. Очень высокая точность может быть достигнута за счет управления началом впрыскивания непосредственно через форсунку при использовании датчика перемещения игольчатого клапана (управление началом впрыскивания топлива). Топливо, попадающее в камеру сгорания после окончания процесса сгорания, будет поступать непосредственно в выпускную систему в несгоревшем виде повышая уровень выбросов углеводородов в отработавших газах. Для предотвращения этого явления объем топлива между посадочным отверстием форсунки и распылительным наконечником должен быть минимальным. Необходимо также исключить подтекание топлива из форсунки и позднее впрыскивание. Мелкодисперсная струя распыла топлива способствует образованию оптимальной смеси топлива с воздухом. Мелкодисперсный распыл, снижающий выброс сажи (твердых частиц) и углеводородов, может быть получен при высоком давлении впрыскивания и оптимальной геометрии отверстий распылителя. Коэффициент избытка воздуха должен быть не ниже А =1,1.-.1,2.

Температура воздуха на впуске

Чем выше температура воздушного заряда, тем выше температура сгорания с пропорциональным увеличением выбросов оксидов азота. На двигателях с турбонаддувом охлаждение сжатого воздуха на впуске (промежуточное охлаждение) представляет эффективный способ снижения NOx.

Cостав и температура отработавших газов

Рециркуляция отработавших газов

Часть отработавших газов направляется во впускную систему для уменьшения количества кислорода в свежем заряде с одновременным увеличением его теплоемкости. Оба этих фактора приводят к понижению температуры сгорания и, таким образом, снижению образования NO. Повышенное количество рециркулируемых газов вызывает более высокие выбросы сажи и оксида углерода из-за недостатка воздуха в смеси. Поэтому количество рециркулируемых отработавших газов должно быть ограничено.

Очистка отработавших газов

Выброс углеводородов может быть уменьшен при использовании в выпускной системе каталитических нейтрализаторов. В них часть газообразных углеводородов, включая и те, что соединяются с твердыми частицами (сажа), сгорают в присутствии кислорода, содержащегося в отработавших газах. Для снижения выбросов твердых частиц (сажи) в настоящее время используются специальные фильтры, устанавливаемые в выпускной системе автомобиля.

Испытания двигателей на токсичность

Все более ужесточающиеся нормы определяют снижение предельного содержания количества токсичных комонентов в отработавших газах. Эти выбросы могут быть замерены при заданных определенных условиях работы двигателя. >

Схема испытаний

Как правило, выбросы токсичных веществ с отработавшими газами двигателей определяются на стенде с беговыми барабанами (для легковых автомобилей) или на испытательном моторном стенде (грузовые автомобили). Многие нормы предельного содержания токсичных компонентов в отработавших газах и методы испытаний автомобилей на токсичность были впервые внедрены в США, где способ отбора проб (газа) постоянного объема был применен в качестве эффективного способа для контроля за выбросом твердых частиц при динамических испытаниях. При этой процедуре отработавшие газы разбавляются отфильтрованным окружающим воздухом и отбираются посредством ротационного насоса во время стандартизованного цикла испытаний. Разбавление отработавших газов воздухом устраняет вероятность конденсации в них влаги и одновременно удерживает их температуру на уровне, требуемом для измерения содержания твердых частиц (52°С). Одна проба пропускается через специальный бумажный фильтрующий элемент, где осуществляется определение уровня выброса твердых частиц за счет измерения увеличения массы пробы.

Вторая нагретая проба газа направляется в пламенно-ионизационный детектор, в котором производится непрерывный контроль за концентрацией углеводородов. Третья проба отправляется в сборник отработавших газов. После окончания цикла испытаний его содержимое направляется в газоанализатор, где производятся замеры концентраций СО, МОх и СО2. Расчеты для определения уровней выбросов различных компонентов отработавших газов базируются на данных об объеме смеси газов и концентрации отдельных их компонентов. В США для проверки легковых и грузовых автомобилей на токсичность отработавших газов применяются одни и те же методы и газоанализаторы. Отработавшие газы обычно разбавляются дважды, что дает возможность пропускать большие объемы газа через трубопроводы приемлемого размера. В европейском цикле испытаний также применяется разбавление части газового потока воздухом при замерах содержания твердых частиц в отработавших газах. После измерений концентрации твердых частиц проводятся дополнительные проверки непрозрачности этих газов как в стационарных условиях, так и при движении с полной нагрузкой.

Испытательные циклы и нормы токсичности в Европе

Легковые и малотоннажные грузовые автомобили

Нормы предельной токсичности отработавших газов,принятые в Европе,базируются на Директивах R15 ЕЭК и 70/220 ЕЭС, а также дополнениях к этим документам. Существующие нормы для малотоннажных грузовиков (полной массой менее 3,5 т) указаны в Директиве 93/59 ЕС/ЕЭС. Менее строгие нормы применяются для дизелей с непосредственным впрыскиванием топлива.

Предельная токсичность отработавших газов легковых автомобилей (с числом сидений 6 и более, массой 3.9т

Оборудование, используемое для испытаний на токсичность

Испытания дизелей на токсичность осуществляются как в виде дополнительной процедуры, так и во время проведения регулярных техосмотров автомобилей. Для этой цели применяются два стандартизованных метода. По первому методу определенное количество отработавшего газа пропускается через фильтрующий элемент. Степень обесцвечивания фильтра характеризует содержание сажи в отработавших газах. Абсорбционный метод (испытание на непрозрачность или потемнение газа) основан на определении снижения яркости луча света, пропускаемого через отработавшие газы. Определение дымности отработавших газов дизелей должно осуществляться под нагрузкой. Здесь наиболее распространены два разных метода проведения испытаний: испытания при полной нагрузке, осуществляемые на испытательной трассе с торможением автомобиля; испытания при свободном ускорении с кратковременным нажатием на педаль газа; нагрузка при этом создается возвратно-поступательно перемещающимися и вращающимися массами самого двигателя, работающего в режиме ускорения.

Дымомер (оптический метод)

Насос прокачивает часть отработавших газов, поступающих из пробоотборного зонда через камеру. Это необходимо для уменьшения влияния колебаний давления отработавших газов на результаты испытаний. Через отработавшие газы, находящиеся в испытательной камере, пропускаются световые лучи. Фотоэлементы регистрируют снижение интенсивности света после прохождения камеры; это снижение соответствует непрозрачности Т (в %) или коэффициенту абсорбции k. Для получения полных и точных результатов испытательная камера должна иметь определенную длину. Во время испытаний под нагрузкой обеспечивается непрерывный процесс измерений дымности с индикацией получаемых данных. Дымомер автоматически определяет максимальное значение и производит расчет среднего значения для нескольких периодов подачи газа.

Дымомер (метод прокачки через фильтр)

Устройство обеспечивает пропуск определенного количества отработавших газов через бумажный фильтрующий элемент. На каждой стадии испытаний осуществляется регистрация объемов анализируемого газа, что позволяет получить полные и сравнимые между собой результаты. Система также позволяет контролировать и компенсировать действие других факторов (давления, температуры и др.). Для оптико-электронной оценки почернения фильтрующей бумаги применяется

светоотражающий фотометр. Результаты представляются в виде показателя сажесодержания Бош или массовой концентрации сажи в газе (мг/м3).

Экологический класс автомобиля Евро 1 2 3 4 5 6 их нормы выхлопа (Таблица)

Экологический класс ЕВРО — это экологический стандарт, который регулирует содержание вредных веществ в выхлопных газах транспортынх средств, а также предусматривает выпуск в обращение автомобильных бензинов и дизельного топлива стандарта ЕВРО 1, 2, 3, 4, 5 и 6.

Таблица экологический класс автомобилей Евро 1 2 3 4 5 6

Экологический класс Евро

Экологический класс был введён в большинстве стран Европы в 1988г. В 1992г. был заменен стандартом Евро-1.

Регламентирует выброс бензиновыми двигателями:

— оксида углерода (CO) — не больше 11,2г/(кВт·ч) (грамм на киловатт·час)
— углеводородов (СН) — не более 2,4 г/(кВт·ч)
— оксидов азота (NOх) — не более 14,4 г/(кВт·ч)
— твёрдые частицы — не определено
— дымность — не определено.

По выбросу дизельными двигателями регламента нет.

Был введен в Евросоюзе в 1992г., а в 1995г. был заменен стандартом Euro-2.

Регламентирует выброс бензиновыми двигателями:

— оксида углерода (CO) — не более 2,72г/км (грамм на километр пути)
— углеводородов (СН) — не более 0,72 г/км
— оксидов азота (NOх) — не более 0,27 г/км

По выбросу дизельными двигателями регламента нет.

Экологический класс был введён в Евросоюзе в качестве замены Евро-1 в 1995г., а затем был заменён стандартом Евро-3 в 1999г.

Стандарт Евро-2 был принят правительством России осенью 2005г.. Продажи бензина АИ-95 Евро-2 в России запрещены с 01.01.2011г. С 01.01.2013г. года любое топливо класса Евро-2 и ниже запрещено к обороту в РФ.

Евро-3 — это экологический стандарт, который регулирует содержание вредных веществ в выхлопных газах транспортных средств с дизельными и бензиновыми двигателями. Был введён в Евросоюзе в 1999г. и заменён на стандарт Euro-4 в 2005г..

Все ТС, произведённые в России или ввезённые в Россию, начиная с 01.01.2008 года должны соответствовать стандарту Евро-3.

Экологический стандарт Евро-4 был ведён в Евросоюзе в 2005г. в замен предыдущему стандарту Евро-3. В 2009г. заменён на новый стандарт — Euro-5.

В России с 01.01.2013г. все производимые и ввозимые на территорию автомобили должны соответствовать классу Евро-4, но возможно использовать шасси и базовые транспортные средства с сертификатами Евро-3, выпущенные до 31.12.2012г.

С 01.01.2013г. все производимое топливо в России обязали иметь стандарт не ниже Евро-3. Оборот топлива Евро-3 запрещен в России с 01.01.2016г., в связи с этим, начиная с этого дня началось поэтапное списание техники с двигателями Евро-3.

Евро-5 стандарт обязателен для всех новых грузовых авто, продаваемых в Евросоюзе с октября 2008г. Для легковых авто — с 01.09.2009г. В РФ стандарт Евро-5 действует на все автомобили с 01.01.2016г.

Нормы по выбросам: СН — до 0,05 г/км, CO — до 0,80 г/км и NOy — до 0,06 г/км.

Тех. регламент также предусматривает выпуск в обращение автомобильных бензинов и дизельного топлива класса не ниже Euro-2 до 31.12.2012г., Euro-3 — до 31.12.2014г., Euro-4 — до 30.06.2016г., Euro-5 — с 01.07.2016г.

Сначало предполагалось, что данный экологический клас Евро-6 вступит в силу в Европе 31.12.2013г., но потом его введение было отложено на 2015г.

По своим требованиям Евро-6 близок к действующему с 2010г. экол-му стандарту EPA10 в США и японскому Post NLT. Новый европейский стандарт облегчит согласованную разработку будущих единых норм.

Согласно нормам Евро-6, выбросы CO₂ новыми легковыми авто должны составлять не более 130 г/км.

Экологический класс по годам производства автомобилей и странам производителям

Содержание вредных веществ в выхлопных газах автомобилей по экологическим классам Евро

В таблице ниже приведено содержание вредных веществ в выхлопных газах легковых автомобилей (категория М*) для каждого экологического стандарта Евро (в единицах г/км):

Евро нормы выбросов вредных веществ для автомобилей

Евро-3, Евро-4, Евро-5 — у каждого автолюбителя на слуху эти слова. А что они обозначают, и откуда взялись? В далеком уже 1992 году страны Евросоюза ввели на своей территории норму Евро-1, которая устанавливала предельно допустимое содержание токсичных веществ в выхлопных газах автомобилей. В течение каждых последующих 4-5 лет Евросоюз ужесточал эти нормы.

Сроки введения норм Евро

Евро-1	Евро-2	Евро-3	Евро-4	Евро-5	Евро-6
Легковые автомобили	Июль 1992	Январь 1996	Январь 2000	Январь 2005	Сентябрь 2009	Сентябрь 2014
Грузовые автомобили с полной массой до 3,5 т	Октябрь 1994	Январь 1998	Январь 2000	Январь 2005	Сентябрь 2010	Сентябрь 2015 (для дизелей)
Грузовые автомобили с полной массой от 3,5 до 12 т	Октябрь 1994	Январь 1998	Январь 2001	Январь 2006	Сентябрь 2010	Сентябрь 2015 (для дизелей)
Грузовые автомобили с полной массой свыше 12т и автобусы	1992	1995	1999	2005	2008	2013
Мотоциклы	2000	2004	2007
Мопеды	2000	2004

Выбросы загрязняющих веществ регулируются отдельно для легковых и легких коммерческих автомобилей, для грузовых автомобилей и автобусов.

Определение категорий транспортных средств в странах Евросоюза

Обозначение	Описание
M	Транспортные средства, имеющие не менее четырех колес, предназначенные для перевозки пассажиров.
M1	Транспортные средства предназначенные для перевозки пассажиров, имеющие не более восьми сидячих мест, помимо сиденья водителя, с максимальной массой не более 3,5 тонн
M2	Транспортные средства предназначенные для перевозки пассажиров, имеющие более восьми сидячих мест, помимо сиденья водителя, с максимальной массой не более 5 тонн
M3	Транспортные средства предназначенные для перевозки пассажиров, имеющие более восьми сидячих мест, помимо сиденья водителя, с максимальной массой более 5 тонн
N	Автомобили, имеющие не менее четырех колес, предназначенные для перевозки грузов.
N1	Транспортные средства предназначенные для перевозки грузов с максимальной массой не более 3,5 тонн
N2	Транспортные средства, предназначенные для перевозки грузов с максимальной массой более 3,5 тонн, но менее 12 тонн
N3	Транспортные средства предназначенные для перевозки грузов с максимальной массой более 12 тонн
O	Прицепы (включая полуприцепы)
G	Внедорожники. Этот символ применяется только в сочетании с M или N

Ограничения касаются содержания окиси углерода, оксидов азота, углеводородов и твердых частиц (сажи). Дизели для грузовых автомобилей с 2000 года (Евро-3) дополнительно проходят тест на дымность.

Нормы выбросов для легковых автомобилей (категория M1)

Этап	Дата	CO	HC	HC+NOx	NOx	PM	PN
		г/км					#/km
Дизель
Euro 1	1992.07	2.72 (3.16)	–	0.97 (1.13)	–	0.14 (0.18)	–
Euro 2, IDI	1996.01	1.0	–	0.7	–	0.08	–
Euro 2, DI	1996.01	1.0	–	0.9	–	0.10	–
Euro 3	2000.01	0.64	–	0.56	0.50	0.05	–
Euro 4	2005.01	0.50	–	0.30	0.25	0.025	–
Euro 5a	2009.09	0.50	–	0.23	0.18	0.005	–
Euro 5b	2011.09	0.50	–	0.23	0.18	0.005	6.0×10
Euro 6	2014.09	0.50	–	0.17	0.08	0.005	6.0×10
Бензин
Euro 1	1992.07	2.72 (3.16)	–	0.97 (1.13)	–	–	–
Euro 2	1996.01	2.2	–	0.5	–	–	–
Euro 3	2000.01	2.30	0.20	–	0.15	–	–
Euro 4	2005.01	1.0	0.10	–	0.08	–	–
Euro 5	2009.09	1.0	0.10	–	0.06	0.005 (DI)	–
Euro 6	2014.09	1.0	0.10	–	0.06	0.005 (DI)	–
IDI – дизеля с разделенными камерами сгоранияDI – двигатели с непосредственным впрыском

Ужесточение норм Евро-5 и Евро-6 в основном касаются дизельных автомобилей, существенно ограничивая содержание выбросов твердых частиц (сажи) и оксидов азота.

Реальные выбросы NOx больше заявленных

Исследование, проведенное Международным советом по чистому транспорту (ICCT) в октябре 2014 года, показало, что реальные выбросы NOx современных дизельных двигателей, заявленных как соответствующие нормам Евро-6, в среднем в 7 раз превышают эти нормы. Это означает, что вместо установленных стандартом 80 мг/км, новые автомобили загрязняют атмосферу в среднем 560 мг/км оксидов азота.

Различие между реальными выбросами NOx и нормами Евро

В дорожных испытаниях принимали участие 15 легковых автомобилей разных типов (седаны, кроссоверы, универсалы, хэтчбеки) шести автопроизводителей. Тестируемые автомобили оснащены различными системами очистки отработанных газов: селективного каталитического восстановления (SCR), рециркуляции выхлопных газов (EGR) или каталитическим нейтрализатором (Lean NOx trap). Эксперты выявили значительные различия между уровнем выбросов разных автомобилей (см. диаграмму). Это свидетельствует, что, несмотря на существование эффективных технологий очистки выхлопных газов, не все автопроизводители их используют.

В период с 2000 года (Евро-3) до 2014 (Евро-6) предельные нормы выбросов NOx для дизельных автомобилей в ЕС уменьшились на 85%. Однако реальный уровень выбросов за этот период снизился только около 40%. Дизельные автомобили составляют более 50% всех новых автомобилей в Евросоюзе, являясь одним из основных источников загрязнения оксидами азота. Европейская комиссия в настоящее время готовит улучшенную процедуру сертификации новых транспортных средств, согласно которой с 2017 года автопроизводители будут обязаны, кроме лабораторных, проводить и реальные дорожные испытания с использованием портативных систем измерения выбросов (PEMS).