Особенности организации процессов горения топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) обусловливают образование вредных веществ, которые выбрасываются вместе с отработавшими газами (ОГ) в окружающую среду и оказывают вредное воздействие на атмосферу, почву, воду, растения, животных и людей.

В идеальном случае при полном сгорании углеводородного топлива должны были бы образовываться только продукты полного сгорания топлива: диоксид углерода (СОД и вода (Н 2 0). Практически же вследствие физико-химических процессов в цилиндрах двигателя действительный состав ОГ очень сложный и включает более 1000 токсичных соединений, большую часть из которых представляют различные углеводороды. Ввиду такого многообразия и сложности идентификации отдельных соединений к рассмотрению обычно принимаются компоненты или их группы, составляющие основную часть ОГ (табл. 3.1).

Вредных выбросов у бензиновых ДВС в расчете на единицу полезной работы больше, чем у дизелей, в 2...4 раза по массе и в 1,5...2 раза по эквивалентной токсичности. Как видно из табл. 3.1, состав ОГ рассматриваемых типов ДВС существенно различается прежде всего по концентрации продуктов неполного сгорания - оксида углерода, углеводородов, оксидов азота и сажи. Различие в составе ОГ бензиновых и дизельных ДВС объясняется большим коэффициентом избытка воздуха и лучшим распыли-ванием топлива в дизельных ДВС.

Таблица 3.1

Ориентировочный состав отработавших газов карбюраторных

и дизельных двигателей

	Концентрация по объему, %
Компонент	Бензиновый двигатель	Дизельный двигатель	Примечание
			Нетоксичный
			Нетоксичный
Водяной пар			Нетоксичный
			Малотоксичный
			Токсичный
			Токсичный
			Токсичный
			Токсичный
вОд., мг/м 3			Токсичный
Соединения свинца, мг/м 3			Токсичный
С (сажа), г/м 3			Токсичный
Бенз(а)пирен, мкг/м 3			Токсичный

Однако дизельные ДВС характеризуются высокой дымностью ОГ. Значение дымности ОГ зависит от содержания в них различных веществ: паров воды, несгоревших частиц масла и топлива, твердых частиц. Белый дым соответствует холодному пуску и малым нагрузкам двигателя. Он содержит в основном углеводороды и водяные пары. Черный дым наблюдается при больших нагрузках двигателя и содержит твердые частицы, в основном сажу. Наличие сажи объясняется тем, что, несмотря на сравнительно большой избыток воздуха в камере сгорания дизеля, происходит местное переобогащение смеси в различных участках объема камеры. Это способствует образованию частиц сажи, которые в основном сгорают в цилиндре дизеля, однако около 1 % этих частиц выбрасывается в атмосферу.

В состав ОГ входят вещества, образующиеся в результате термического синтеза из воздуха при высоких температурах (оксиды азота), продукты неполного сгорания топлива (несгоревшие углеводороды, окись углерода, спирты, кетоны, кислоты, перекиси, сернистый ангидрид, частицы сажи, продукты конденсации и полимеризации), а также продукты сгорания смазочного масла, вещества, образующиеся из присадок к топливу и маслу, и твердые частицы, в частности из материала конструкции двигателя (Ее, N1, Си, Сп, Сг).

Сущность явления токсичности определяется количественной характеристикой взаимоотношений между химическими компонентами внешней среды и организмом человека. Токсичность веществ - это мера несовместимости веществ с жизнью организма. Опасность вещества - это вероятность возникновения и развития отравления в реальных условиях.

Сгорание топлива в цилиндрах ДВС сопровождается образованием большого количества различных токсичных веществ, которые состоят из продуктов неполного сгорания и термического разложения углеводородов топлива, оксидов азота, соединений серы и свинца.

Доказано, что продукты сгорания топлива накапливаются в воде, растениях, на сооружениях, в почве. В воздухе они могут превращаться в другие, более токсичные, чем исходные продукты. При высоком содержании в малоподвижной и влажной атмосфере N02, 0 3 и С„Н т возникает туман коричневого цвета, который получил название «смог». Смог является смесью жидких и газообразных компонентов, он раздражает глаза и слизистые оболочки, ухудшает видимость на дорогах.

Характеристика отдельных компонентов ОГ и их воздействие на организм человека описаны в табл. 3.2.

Установлено, что в кабинах автомобилей и тракторов концентрация вредных веществ может в несколько раз превышать предельно допустимые нормы и отрицательно сказываться на здоровье работающих. Загрязнения отрицательно сказываются на продуктивности животноводства, урожайности сельскохозяйственных культур, качестве продукции.

Оксиды азота. Если температура в цилиндре превышает 1500 К, то азот и кислород воздуха вступают в химическое взаимодействие по цепному механизму:

N2 + О N0 + О + 136 кДжДК моль).

Воздействие отдельных компонентов ОГ на человека

Компонент	Характеристика компонента	Воздействие на организм человека
Оксиды азота (NO a .)	N0(95...98% всего объема) - бесцветный газ, очень плохо растворяющийся в воде; N02 (2...5 % всего объема) - газ красновато-бурого цвета с характерным запахом (плотность по воздуху 1,58)	Взаимодействуя с парами воды в воздухе, образуют азотную кислоту, разрушающую легочную ткань и вызывающую хронические заболевания. Концентрация N0,. в воздухе, равная 0,0001... ...0,0003 %, воспринимается по запаху, 0,0013 % - раздражает слизистую оболочку носа и глаз, 0,004...0,008 % -приводити отеку легких. Вызывают необратимые изменения в сердечнососудистой и нервной системах, в соединении с углеводородами образуют токсичные нитроолефины. Воздействие NО т на организм человека ничем не нейтрализуется
Окись углерода (СО)	Бесцветный газ без запаха и вкуса, очень плохо растворим в воде, плотность по воздуху 0,97, горюч, с воздухом образует взрывчатые смеси, значительно активнее кислорода в соединении с гемоглобином крови (более чем в 200 раз)	Вытесняя кислород из крови, нарушает перенос кислорода от легких к тканям. При этом наступает кислородное голодание, удушье. Если концентрация СО мала, то появляются субъективные ощущения: голова становится «тяжелой», сильная боль во лбу, висках, в глазах - «туман», в висках - ощущение пульсации. В дальнейшем - головокружение, шум в ушах, чувство слабости, рвота, учащается пульс, равнодушие, сонливость и потеря сознания. Воздействие СО зависит от ее концентрации в воздухе: 0,01 % - хроническое отравление при длительном пребывании, 0,05 % - слабое отравление через 1 ч, 1 % - потеря сознания через несколько вдохов. Концентрация около 0,01 % характерна для работы водителей в помещениях с ограниченным воздухообменом

Проверка токсичности и дымности отработавших газов двигателей

Углеводороды	Ароматические углеводороды, обладают сильными отравляющими свойствами, воздействуют на процессы кроветворения, деятельность центральной нервной и мышечной системы	Наибольшую опасность представляют канцерогенные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), включая бенз(ос)пи-рен (БП, С 2 оН 12). Они не выводятся из организма человека, а со временем накапливаются в нем, способствуя образованию злокачественных опухолей
Альдегиды (формальдегид, акролеин)	Органические соединения, содержащие альдегидную группу СНО. Как правило, это бесцветная жидкость или газ с резким неприятным запахом	Вредно действуют на нервную систему и органы дыхания человека. Сильное раздражение слизистых оболочек носа и глаз наступает при концентрации формальдегида 0,18 %. Акролеин более ядовит и уже при концентрации 0,002 % вызывает сильное раздражение слизистых оболочек
	Твердый продукт, содержащий в основном углерод, а также 1...3 % (по массе) водорода	Частицы сажи засоряют дыхательные пути, вызывают хронические заболевания носоглотки и легких. Относительно крупные частицы сажи (размером более 10 мкм) задерживаются в верхних дыхательных путях и легко выводятся из организма, мелкие (0,1..Л0,0 мкм) задерживаются в легких и вызывают аллергию дыхательных путей. Токсичные свойства сажи обусловлены присутствием на ней адсорбированных канцерогенных ПАУ

3.1. Состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания

Определяющей является верхняя реакция, скорость которой зависит от концентрации атомарного кислорода. При сгорании в цилиндрах ДВС образуется главным образом оксид азота N0.

В двигателе с искровым зажиганием окисление азота и образование N0 происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания, где в результате Махе-эффекта достигаются наивысшие температуры. Образование N0 сильно увеличивается с ростом температуры газов и концентрации кислорода.

При сгорании в дизеле образование N0 определяется локальным составом смеси и температурой. Наибольшее количество N0 образуется в тех зонах заряда дизеля, которые сгорают первыми и имеют наибольшее время пребывания при температуре выше 2200 К.

Выход N0 зависит и от скорости охлаждения продуктов сгорания. Установлено, что при а > 1 (а - коэффициент избытка воздуха) в процессе расширения, когда температура газов в цилиндре уменьшается, концентрация оксида азота не снижается до равновесной, а остается на уровне максимальной, т.е. имеет место так называемая «закалка». При работе двигателя с искровым зажиганием при а

Оксид углерода. Оксид углерода образуется во время сгорания при недостатке кислорода, в ходе холоднопламенных реакций в дизелях или при диссоциации С0 2 (главным образом в двигателях с искровым зажиганием). При нормальной эксплуатации концентрация СО в дизелях невелика (не более 0,1...0,2 %).

В двигателях с искровым зажиганием основное влияние на образование СО оказывает состав смеси: чем она богаче, тем выше концентрация СО. Значительное количество СО образуется в режимах холостого хода и максимальной мощности, когда коэффициент избытка воздуха находится в пределах 0,5...0,9.

Углеводороды. Углеводороды состоят из исходных или распавшихся молекул топлива, которые не принимали участия в сгорании. Они появляются в ОГ вследствие гашения пламени вблизи относительно холодных стенок камеры сгорания, в «защемленных» объемах, находящихся в вытеснителях и в зазоре между поршнем и цилиндром над верхним компрессионным кольцом.

В дизелях углеводороды образуются в переобогащенных зонах, где происходит пиролиз молекул топлива (распад молекул топлива под действием высоких температур при отсутствии химических реагентов). Если в процессе расширения в эти зоны не поступит достаточное количество кислорода, то углеводороды окажутся в составе ОГ. Углеводороды могут выбрасываться в атмосферу также вследствие пропусков воспламенения, негерме-тичности выпускного клапана или системы вентиляции картера, а также из-за испарения бензина в топливном баке и карбюраторе.

В ряде работ (например: Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и транспортных дизелей / А.Р. Кульчицкий. М.: Академический проект, 2004) утверждается, что значительная часть С„Н, П выбрасывается в результате того, что на тактах впуска и сжатия горючей смеси пары топлива поглощаются масляной пленкой на стенках цилиндра (абсорбция). На такте расширения парциальное давление паров топлива в заряде снижается практически до нуля и происходит их выделение из пленки (десорбция). Аналогичный эффект вызывается также нагаром на поверхности камеры сгорания.

Количество различных углеводородов, входящих в группу токсичных веществ, превышает 200. В тех концентрациях, в которых С„Н т содержится в воздухе даже в зонах с самым интенсивным движением автотранспорта, они не приносят значительного вреда здоровью человека, однако могут вызывать реакции, которые ведут к образованию соединений, вредных даже при незначительной их концентрации. Так, углеводороды под действием солнечных лучей могут взаимодействовать с оксидами азота, образуя биологически активные вещества, которые вызывают появление смога и раздражающе действуют на органы дыхательных путей.

Особое значение имеют выбросы бензола, толуола, ПАУ и в первую очередь бенз(а)пирена. Эта группа высокотоксичных веществ образуется в результате пиролиза (разложения) легких и средних фракций топлива при температуре 600...700 К. Такие условия возникают во время рабочего хода в цилиндре вблизи его холодных поверхностей при наличии там несгоревших углеводородов. Количество ПАУ в ОГ тем больше, чем выше концентрация в топливе бензола.

Сажа. Сажа образуется при температуре выше 1500 К в результате объемного процесса термического разложения (пиролиза) топлива при сильном недостатке кислорода. Формально реакция пиролиза выражается уравнением

С„Н т пС + 1/2тН 2 .

Сажа начинает образовываться при а

В двигателях с искровым зажиганием концентрационные пределы воспламенения смеси не совпадают с указанными пределами начала образования сажи, поэтому содержание сажи в ОГ двигателей с искровым зажиганием незначительно.

В дизелях вследствие неоднородности состава смеси в цилиндрах преобладает так называемое диффузионное сгорание, при котором скорость горения в основном лимитируется не скоростью химических реакций, а скоростью смешения (диффузии) паров топлива в воздухе. В результате этого в цилиндре дизеля имеют место зоны с богатой, стехиометрической и бедной смесью. В зонах с богатой смесью при диффузионном догорании и малом доступе кислорода создаются благоприятные для пиролиза условия. Большая часть частиц сажи имеет размеры 0,4...5 мкм. Концентрация частиц сажи в ОГ зависит и от выгорания ее в процессе расширения, когда к частицам поступает кислород. Наличие сажи в ОГ обусловливает черный дым на выпуске.

Сажа - не единственное твердое вещество, содержащееся в ОГ. Другие твердые вещества образуются из содержащейся в дизельном топливе серы, а также аэрозолей масла и несгоревшего топлива. Кроме того, в ОГ могут находиться продукты износа цилиндра. Все вещества, которые оседают на специальном фильтре при прохождении через него ОГ, получили общее название - «частицы».

До недавнего времени считалось, что бензиновые двигатели более токсичны, чем дизельные, однако применение неэтилированных бензинов и микропроцессорной техники, регулирующей подачу топлива, позволило значительно снизить выброс токсичных веществ и повысить их экономичность.

Для контроля содержания в ОГ вредных компонентов выпускаются анализаторы, основанные на оптических методах анализа. Принцип их действия заключается в избирательном поглощении компонентами ОГ лучистой радиации в инфракрасной, ультрафиолетовой или видимой областях спектра. Концентрация компонента определяется пропорционально степени поглощения лучистой радиации.

Для определения содержания в ОГ оксидов азота, оксида углерода и углеводородов выпускаются газоанализаторы ГИАМ-27-02(04), ГАИ-1, ГЛ-1121, основанные на прямом поглощении инфракрасного (ИК) излучения пробой исследуемого газа. Трубка пробозаборника газоанализатора устанавливается в выхлопную трубу автомобиля с прогретым двигателем. Отработавшие газы просасываются через фильтры и поступают в рабочую кювету оптического блока.

Для непрерывного измерения концентрации СО, С0 2 , С„Н т, N0* в отработавших газах выпускаются газоаналитические системы АСГА-Т, ЕМЕИАС-2000.

Разработано несколько методов определения дымности ОГ, которые основаны на степени поглощения светового потока столбом газа заданной длины (СИДА-107 «Атлас», «Хартридж», «Вольво») либо фильтрации определенного объема ОГ с последующим определением степени отражения света поверхностью фильтра, покрытого сажей (ИД-1, «Бош», ЕМЕ11АС-2000).

Для определения содержания частиц ОГ при сертификационных испытаниях применяется так называемый разбавительный туннель.

Отработавшие газы из дизеля направляются в туннель, одна сторона которого через воздушный фильтр связана с атмосферой, а другая подсоединена к пробоотборнику постоянного объема. Отработавшие газы разбавляются теплым воздухом (20...30 °С) для того, чтобы избежать конденсации водяных паров, содержащихся в ОГ до отбора пробы. Отобранная проба при постоянном расходе прокачивается через специальный стандартный фильтр; температура на входе в него должна быть не выше 52 °С, чтобы смоделировать конденсацию. Фильтрующий элемент взвешивается с высокой точностью до и после отбора пробы. По разности показаний весов определяется содержание частиц в пробе. После учета соотношения расходов через туннель и фильтр определяется общий выброс частиц.

В настоящее время разработаны стандарты и правила, устанавливающие предельно допустимые нормы выброса СО, СН и N0*. Кроме того, для дизелей установлены нормы на допустимую дымность ОГ. В последнее время от нормирования дымности ОГ многие страны перешли к нормированию содержания в них частиц.

Нормы на допустимые токсичные выбросы с ОГ устанавливаются исходя из условий обеспечения санитарных норм на предельно допустимые концентрации токсичных веществ в атмосфере на улицах городов с интенсивным движением автомобилей. С ростом автомобильного парка вводятся все более жесткие нормы.

Нормирование токсичности ОГ является главным стимулом к созданию тракторов и автомобилей с требуемыми экологическими показателями.

Впервые нормирование токсичности ОГ и картерных газов было введено в 1959 г., в штате Калифорния (США). В 1968 г. на его основе утвержден Государственный (федеральный) стандарт. С 1970 г. Европейской экономической комиссией ООН рекомендованы единые для государств Европы Правила оценки токсичности ОГ и картерных газов (Правила № 15 и № 49). С 2000 г.

в странах Европейского экономического сообщества должны выполняться Правила № 83.03, № 49 и № 24. В нашей стране нормирование токсичности ОГ началось в 1970 г. (ГОСТ 16533-70).

В настоящее время существуют разные стандарты, разработанные для США, Европы и Японии, представляющих собой регионы с наиболее жестким нормированием выбросов. Эти стандарты постоянно совершенствуются, а нормы становятся все более жесткими. При этом сформировалась четкая тенденция приближения европейских стандартов к стандартам США, а наши стандарты уже сейчас во многом идентичны Правилам № 83.03 ЕЭК ООН, предусматривающим пять типов испытаний.

В табл. 3.3 приведены европейские нормы на выбросы токсичных веществ и дымности ОГ согласно Правилам ЕЭК ООН № 49 и ЕВС/ЕШ, ОСТ 37.001.234-81, а также (справочно) фактические выбросы автомобилей КамАЗ и МАЗ согласно приведенным замерам.

Таблица 3.3

Выброс загрязняющих веществ дизельными двигателями

ЕШЮ-З (с 2000 г.)
ЕШЮ-4 (с 2005 г.)
ЕШЮ-5 (с 2010 г.)
ОСТ 37.001.234-81
Фактические выбросы
КамАЗ, МАЗ

Снижение токсичности ОГ до допустимых пределов представляет собой сложную научно-техническую задачу, при решении которой большое значение имеет стоимость тех или иных мероприятий, а также необходимость обеспечения сохранения высоких экономических, энергетических и других показателей двигателей.

Исторически снижение токсичности ОГ осуществлялось в первую очередь путем совершенствования традиционных процессов смесеобразования и сгорания при одновременной оптимизации управления двигателем (регулировались состав смеси и угол опережения зажигания). Практика показала, что достичь при этом уровня токсичности ОГ, требуемого законодательством развитых стран, нельзя.

Поэтому широкое применение получил второй путь - нейтрализация ОГ (СО, С„Н т, N0*) в системе выпуска до выброса их в атмосферу.

Использование этих двух путей не позволяет устранить выбросы соединений свинца, 80 2 и ПАУ. Это вызывает необходимость использовать третий путь - ограничение содержания в топливе свинца, серы и ароматических углеводородов. Например, по действующим в нашей стране стандартам в этилированных бензинах Н-80 и АИ-92 содержание свинца не должно превышать 0,17 и 0,37 г/дм 3 соответственно, а в неэтилированном бензине свинец практически отсутствует (менее 0,013 г/дм 3). В дизтопливе допускается содержание серы по массе не более 0,20...0,05 %. Уменьшение содержания в бензинах ароматических углеводородов обеспечивает снижение выбросов бензола и ПАУ. Разрешенное содержание свинца, серы и ароматических углеводородов в топливах для ДВС постоянно уменьшается.

Четвертый путь снижения вредных выбросов с ОГ связан с улучшением топливной экономичности двигателей (снижением расхода углеводородного топлива) или с переходом на альтернативные виды топлива, в том числе не содержащие углерод (например, водород).

Перевод двигателей на питание сжатым природным газом дает заметный экологический эффект из-за значительного отличия элементного состава природного газа и бензина. Например, при испытаниях в среднем регистрируется выброс СО в 2 раза, С„Н т - на 15...40 %,Ж) Х - на 15 % меньше норм по ОСТ 37.001.054-86. Одновременно при работе на сжатом газе регистрируется меньший выброс С0 2 и отсутствие тяжелых углеводородов. Опыт показывает, что оптимизация состава смеси и угла опережения зажигания не дает возможности при работе на газе выполнить нормы ЕШЮ-2.

Для снижения токсичности ОГ используется большое количество различных мероприятий, включая применение специальных антитоксичных устройств и систем. Выбор той или иной стратегии зависит от уровня токсичности ОГ, который требуется обеспечить. Другими словами, все зависит от законодательных норм на допустимые выбросы токсичных веществ, которые необходимо выполнять.

• Продукты сгорания первых порций смеси, расположенных вблизи свечи зажигания, подвергаются адиабатному сжатию в результате повышения давления при сгорании остальной массы смеси. Вследствие этого в начальной зоне горения имеют место повышенные значения температуры по сравнению с их значениями в остальной массе заряда. Это различие температур в камере сгорания двигателя с искровым зажиганием называется Махе-эффектом.

Лабораторная работа №7

Проверка токсичности отработавших газов

Цель работы: провести замер уровня содержания вредных веществ в отработавших газах автомобильных двигателей.

Краткие сведения:

Отработавшие газы, выбрасываемые в окружающую среду, содержат до 280 различных веществ. Среди них азот и его окислы, углекислый и сернистый газы, окись углерода, альдегиды, углеводороды, свинец, марганец и их соединения, различные соединения углерода и водорода, сажа и ряд других веществ. Все вещества входящие в состав отработавших газов находятся в различных состояниях, большинство из них являются токсичными. В составе отработавших газов автомобилей наибольший удельный вес по объему имеет окись углерода (до 10%), окислы азота (до 0,8%), несгоревшие углеводороды (до 3%), альдегиды (0,2%) и сажа. Таким образом, при сжигании 1000 л топлива бензиновые двигатели выбрасывают в окружающую среду с отработавшими и картерными газами 200 кг окиси углерода, 25 кг углеводородов, 20 кг окислов азота, 1кг сажи и 1 кг сернистых соединений.

Как правило, при очередном ТО-2, ремонте двигателя, системы питания и системы выпуска выполняется проверка отработавших газов двигателя, для этого применяются специальные приборы – газоанализаторы, работающие на основе использования инфракрасного излечения. В таких газоанализаторах анализ содержания оксида, диоксида углерода и углеводородов производится с помощью недисперсионных инфракрасных лучей. Физический смысл процесса заключается в том, что эти газы поглощают инфракрасные лучи с длиной волны 4,7 мкм, углеводороды – 3,4, а диоксид углерода -4,25 мкм. Следовательно, с помощью детектора, чувствительного к инфракрасным лучам с определенной длиной волны, можно определить степень их поглощения при прохождении анализируемой пробы, в результате чего можно установить концентрации того или иного компонента. Схема газоанализатора, работающего по принципу инфракрасного излучения, показана на рисунке 4.1.

Отработавшие газы с помощью мембранного насоса через газоотборный зонд, отделитель конденсата (оседает вода) и фильтры (очистка от твердых примесей) закачиваются в измерительную камеру. Сравнительная камера при этом заполнена инертным газом и закрыта. Источниками инфракрасного излечения являются нихромные нагреватели, которые нагреваются до температуры 700°C. Отражаясь от параболических зеркал, поток инфракрасного излечения, периодический прерываемый обтюратором, приводимым во вращение от синхронного электродвигателя, проходит через измерительную и сравнительную камеры. (Обтюратор необходим для обеспечения ритмичного прерывания инфракрасного излучения.) В измерительной камере определяемые компоненты, взаимодействуют с излучением, вызывают его поглощение в соответствующих спектральных диапазонах. В сравнительной же камере этого не происходит (камера заполнена инертным газом – N ). Как следствие возникает разница температур и давлений в обеих камерах. Вследствие этого изменяется емкость мембранного конденсатора, расположенного между камерами лучеприемника. Сигнал с конденсатора подается на усилитель и далее на регистрирующий прибор.

По такому принципу работают газоанализаторы типа ГАИ, ИНФРАЛИТ, ГИАМ 27-01, ЕТТ фирмы «BOSH» и др.

Рисунок 4.1 – Схема газоанализатора: 1 – газоотборный зонд; 2 – отделитель конденсата; 3 – фильтр тонкой очистки; 4 – защитный фильтр; 5 – мембранный насос; 6 – источники инфракрасного излечения; 7 – синхронный электродвигатель; 8 – вращающийся диск обтюратора; 9 – сравнительная камера; 10 – лучеприемник инфракрасного излучения; 11 – усилитель; 12 – мембранный конденсатор; 13 – измерительная камера; 14 – индикаторные приборы.

В современных много компонентных газоанализаторах кроме измерения содержания оксида (СО) и диоксида углерода (СО 2), углеводородов (СН) может определяться содержимое кислорода (О 2) и оксидов азота (NO), а также коэффициенты избытка воздуха λ.

Выполнение работы

Измерения следует проводить в следующей последовательности:

Установить рычаг переключения передач (избиратель скорости для автомобилей с автоматической коробкой передач) в нейтральное положение;

Затормозить автомобиль стояночным тормозом;

Заглушить двигатель (при его работе);

Открыть капот двигателя;

Подключить тахометр;

Установить пробоотборный зонд газоанализатора в выпускную трубу автомобиля на глубину не менее 300 мм от среза (при косом срезе выпускной трубы глубина отсчитывается от короткой кромки среза);

Полностью открыть воздушную заслонку карбюратора (при его наличии

МИНИСТЕРСТВО АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА РСФСР
НИИАТ

СОГЛАСОВАНО:

Заместитель начальника Технического

управления

А.И. Газин

ИНСТРУКЦИЯ ПО ПРОВЕРКЕ И РЕГУЛИРОВКЕ
БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ
НА МИНИМАЛЬНУЮ ТОКСИЧНОСТЬ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Взамен РТМ-200-РСФСР-12-0092-79

Срок введения

с 01.08.88 г.

Москва 1988

Инструкция разработана в Государственном научно-исследовательском институте автомобильного транспорта (НИИАТ). Инструкция является нормативно-техническим документом по выполнению предписаний государственного стандарта, устанавливающего нормы и методы измерения содержания окиси углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями.

Работу выполняли: Доброхотов B.C., Манусаджянц Ж.Г., Парфенов Е.В. (руководитель темы), Шестухин В.И.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. В крупных городах и промышленных центрах, особенно на улицах с интенсивным движением, наблюдается значительное загрязнение воздушного бассейна.

Известно, что при работе автомобильных двигателей в воздух выделяются отработавшие газы, которые содержат большое количество различных токсичных веществ, в том числе окись углерода и углеводороды.

1.2. Окись углерода (СО) - сильнодействующий токсичный газ без цвета и запаха - образуется в результате неполного сгорания топлива в цилиндрах двигателя. Находясь в воздухе и попадая через дыхательные пути в кровь, окись углерода нарушает нормальную деятельность организма и при больших концентрациях может привести к тяжелому отравлению. Даже малые дозы окиси углерода, систематически воздействующие на человека, приводят к ее накоплению в организме, что оказывает вредное влияние на здоровье.

Решающим условием, обеспечивающим минимальное содержание окиси углерода в отработавших газах, является исправное техническое состояние и правильная регулировка карбюратора.

1.3. Углеводороды (СН) являются исходными продуктами образования фотохимических туманов (смогов) в атмосфере городов, а также представляют концерогенную опасность для организма человека.

Содержание углеводородов в отработавших газах измеряется в «частях на миллион» (млн-1). Одна часть соответствует 0,0001 объемного процента выбросов. В отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями содержание углеводородов в большой степени зависит от числа цилиндров двигателя автомобилей. Так, для двигателей с числом цилиндров до 4-х содержание углеводородов находится в диапазоне от 100 до 1500 и более млн-1 , а для многоцилиндровых двигателей - от 500 до 5000 и более млн-1. Концентрация углеводородов, в основном, зависит от технического состояния системы питания и зажигания особенности свечей зажигания, прерывателя-распределителя.

1.4. Регулировка системы холостого хода карбюратора на минимальное содержание окиси углерода в отработавших газах обычно приводит к значительному повышению содержания углеводородов и наоборот. Поэтому регулировку следует осуществлять так, чтобы соблюдались обе нормы, указанные в действующем стандарте, при этом суммарное количество токсичных веществ, выбрасываемых автомобилей в атмосферу будет минимальным. Такая регулировка обеспечит и снижение расхода топлива при движении автомобиля.

1.5. Для обеспечения снижения загрязнения атмосферного воздуха необходимо систематически контролировать автомобили на содержание токсичных веществ в отработавших газах, это позволит своевременно выявлять технически неисправные автомобили с повышенным содержанием токсичных веществ и принимать оперативные меры по устранению неисправностей.

2. ПРОВЕРКА ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ АВТОМОБИЛЕЙ

2.1. Проверка автомобилей на содержание токсичных веществ в отработавших газах должна осуществляться в соответствии с ГОСТ 17.2.2.03-87 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерения содержания окиси углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. Требования безопасности».

минимальной (Пмин.);

повышенной (Ппов.), в диапазоне 2000 мин-1 - 0,8 П М Мном.

Значения Пмин. и Ппов. определяются из технических условий и инструкций по эксплуатации автомобилей. Для основных моделей автомобилей значения Пмин. и Ппов. приведены в приложении .

2.3. При проверке и регулировке двигателей автомобилей содержание токсичных веществ в отработавших газах не должно превышать значений, указанных в таблице.

2.4. В автотранспортных предприятиях и других предприятиях эксплуатирующих автомобильный транспорт, проверка и регулировка двигателей на токсичность проводится не реже чем при техническом обслуживании № 2, после ремонта агрегатов, систем и узлов, влияющих на токсичность, а также по. заявкам водителей автомобилей.

2.5. На станциях технического обслуживания проверка и регулировка двигателей на токсичность осуществляется при проведении технического обслуживания, ремонта агрегатов и систем, влияющих на токсичность, а также по заявкам владельцев автомобилей.

Таблица 1

(приведены данные по ГОСТ 17.2.2.03-87)

2.6. На авторемонтных предприятиях проверка токсичности и регулировка производится после обкатки отремонтированных автомобилей пробегом, а двигателей - на стенде при отсоединенном тормозном устройстве, после их обкатки.

2.7. Для проверки содержания токсичных веществ в отработавших газах автомобилей и двигателей следует применять приборы, удовлетворяющие требованиям действующих стандартов.

2.8. Проверку и регулировку автомобилей в соответствии с действующими нормами рекомендуется производить на контрольно-регулировочном пункте (КРП).

2.9. Проверка производится на предварительно прогретом двигателе до температуры охлаждающей жидкости, рекомендованной заводом-изготовителем (но не менее 60 °С).

2.10. Перед проверкой необходимо:

Включить вентиляционные устройства в помещении, где производится проверка;

Установить автомобиль, поставить рычаг переключения передач (избиратель скорости для автомобилей с автоматической коробкой передач) в нейтральное положение;

Затормозить автомобиль стояночным тормозом;

Подложить упоры («башмаки») под колеса ведущих мостов;

Проверить исправность системы выпуска отработавших газов внешним осмотром. Система не должна иметь дефектов, приводящих к утечкам отработавших газов, подсосу воздуха.

Остановить двигатель (при его работе);

Открыть капот двигателя и подсоединить тахометр;

Установить пробоотборный зонд газоанализатора (при наличии двух газоанализаторов на СО и СН - два зонда) в выпускную трубу автомобиля на глубину не менее 300 мм от ее среза. При использовании газоотвода, надеваемого на выпускную трубу, зонд вводится в отверстие газоотвода;

Подготовить газоанализаторы и тахометр для проведения намерений согласно инструкции предприятий - изготовителей приборов;

Запустить двигатель и полностью открыть воздушную заслонку карбюратора;

При ненажатой педали управления дроссельной заслонкой проверить и при необходимости установить по тахометру требуемую минимальную частоту вращения вала двигателя (Пмин.);

Увеличить частоту вращения путем открытия дроссельной заслонки до Ппов. и проработать на этом режиме не менее 15 с.

2.11. Для проверки токсичности необходимо:

Снизить частоту вращения до минимальной (Пмин.) и не ранее чем через 20 с измерить токсичность, записав показания приборов в журнал;

Открытием дроссельной заслонки установить повышенную частоту вращения вала двигателя (Ппов.) и не ранее чем через 30 с измерить токсичность, записав показания приборов в журнал.

2.12. При наличии у автомобиля раздельных выпускных труб измерения следует проводить в каждой из них отдельно. Для измерения с нормами берутся максимальные значения полученные при измерении.

2.13. Если хотя бы один результат превысит установленные нормы, то необходимо произвести проверку и регулировку системы зажигания и карбюратора без снятия его с автомобиля в соответствии с приложением .

2.14. При соответствии результатов измерения токсичности установленным нормам выдается «Талон токсичности» с отметкой «Норма».

2.15. На автомобилях где предусмотрена возможность пломбирования регулировочных устройств карбюраторов, после регулировки и соответствия токсичности установленным нормам, они должны вновь пломбироваться.

2.16. В случае отсутствия возможности снизить токсичность регулировочными воздействиями, автомобиль направляется в ремонтную зону для выполнения необходимых работ. Перечень вероятных неисправностей и причин повышенной токсичности - в приложении : данные по топливным насосам - в приложении . Основные рекомендации по ремонту и техническому обслуживанию карбюратора изложены в приложениях , , , .

2.17. После выполнения ремонтных работ производится проверка и регулировка двигателя на соответствие нормам и только при положительном результате выдается водителю автомобиля «Талон токсичности» с отметкой в нем «Норма».

Приложение 1

Значение минимальной и повышенной частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу для карбюраторных двигателей

Двигатель	Автомобиль	Минимально устойчивая частота вращения, мин-1	Частота вращения при номинальной (или максимальной) мощности, мин-1	Повышенная частота вращения (ориентировочно 0,8 Пном.), мин-1
	ЗАЗ-968, А, М «Запорожец»
	«Москвич-412»
	«Москвич-2138 2136» и их модификации
	«Москвич-2137 -2140»
	ВАЗ-2101-202 «Жигули»
	ВАЗ-21011 «Жигули»
	ВАЗ-2103 «Жигули»
	ВАЗ-2103 «Жигули» 21072, 2104
	ВАЗ-2106 «Жигули»
	ВАЗ-2121 «Нива»
	ВАЗ-2108 - 2109
	ГАЗ-21 «Волга»
	РАФ-2203 «Латвия»
	ГАЗ-24-10; 24-12; 24-13; Автобус РАФ 2203
	ГАЗ-24-10; 24-11; 24-12; 24-13; ЕрАЗ-3730
ЗМЗ-451, -451М	УАЗ-451ДМ; -452Д; -469Б
	ГАЗ-24 «Волга»
	ГАЗ-13 «Чайка»
	ЗИЛ-138, -138Д2, -138В1, - ММЗ-45023
	ЛАЗ-695Н, 697Р, -697М, 697Н, - 699Н, ЗИЛ-130, КАЗ-608В
	130В, -131, ЗИЛ-ММЗ-655, ЗИЛ-157, -157К
ЗИЛ-50В 1000400	ЗИЛ-431410 и модиф.
ЗИЛ-508 1000401	Автобусы ЛАЗ-695Н, -697Н
ЗИЛ-508 1000402	Автомобиль-тягач КАЗ-608В
ЗИЛ-5081 1000401	ЗИЛ-131Н и модиф.
ЗИЛ-5081 1000402	ЗИЛ-131 и модификации
ЗИЛ-5081 1000402	ЗИЛ-131 и модификации
ЗИЛ-5085 1000400	ЗИЛ-431810 и модификации
ЗИЛ-5085 1000407	Автобус ЛАЗ-695
ЗИЛ-5086 1000400
ЗИЛ-5097 1000407	Урал-375 СИМ
ЗИЛ-509 1000400	Автобус ЛАЗ-699Р
ЗИЛ-509 1000401	Автобус ЛАЗ-677М
	ЗИЛ-117, -114
	ЗИЛ-4104 и модификации
	ЗИЛ-4104 и модификации
	ГАЗ-51А, -63
	ГАЗ-53А, -66
	КавЗ-651А, -685, ПАЗ-672, -3201

Определение токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ) осуществляется с помощью специальных газоанализаторов. Для определения содержания оксида углерода СО и углекислого газе CО 2 при стендовых испытаниях двигателей в лаборатории МАДИ применяются оптико-акустические газоанализаторы ГИАМ-5 Смоленского завода, а для несгоревших углеводородов С n Н m - газоанализаторы ГЛ-1121, основанные на поглощении инфракрасного излучения исследуемым газом. Известно, что только многоатомные газы, смеющие хотя бы два разнородных атома в молекуле (CO 2 , H 2 O, СО, C n H m и др.), обладают наибольшей способностью поглощать лучистую энергию, причем в строго определенных для каждого газа интервалах длин волн. Это позволяет определять содержание отдельных компонентов в сложных газовых смесях (ОГ двигателя) независимо от концентрации других компонентов.

Механизм действия оптико-акустических анализаторов основан на использовании явления разогрева газа при поглощении радиации и охлаждения его, когда действие лучей прекращается, Исследуемый газ поступает в сосуд-лучеприемник и через светофильтр, пропускающий инфракрасное излучение, с помощью обтюратора периодически облучается от источника инфракрасного излучения. В результате нагрева одновременно с изменением температуры газа на величину Δt соответственно изменяется и давление его на величину Δр, которое воспринимается чувствительней мембраной конденсаторного микрофона. Колебания мембраны преобразуются в постоянный ток, величина которого характеризует поглощение данным компонентом инфракрасной радиации и служит мерой его концентрации, фиксируемой в процентах регистрирующим прибором.

Определение концентрации в ОГ оксидов азота производится в основном приборами, основанными на хемилюминесценции. При сгорании топлива в двигателе образуется оксид азота NO, который затем в условиях более низких температур в значительной части переходит в NO 2 . Таким образом, оксиды азота NO X содержат смесь NO и NO 2 Для определения концентрации NO хемилюминесцентным методом пробу ОГ предварительно обрабатывают озоном О 3 . В результате получаются возбужденные частицы NO 2 , которые при переходе в стабильное состояние излучают фотоны света. При этом интенсивность излучения пропорциональна концентрации NO в пробе газа. Интенсивность излучения измеряется с помощью фотоумножителя, причем прибор показывает непосредственно концентрацию NO. Для определения в ОГ суммарной концентрации NO X полученная ранее NO 2 (при анализе на NO) превращается в специальном конвертере прибора в NO, содержание которого определяется хемилюминесцентным методом, как было показано выше. Иногда для анализа ОГ на содержание оксидов азота используют инфракрасные и ультрафиолетовые спектрометры, принцип действия которых аналогичен принципу действия газоанализаторов на несгоревшего углеводорода.

Определение дымности ОГ осуществляется с помощью специальных дымомеров. Наибольшее распространение получили дымомеры, работающие по методу просвечивания ОГ с поглощением светового потока, и дымомеры с фильтрацией ОГ. Дымомеры с просвечиванием, использование которых для замера дымности ОГ дизелей регламентировано стандартом, оценивают относительную задымленность по оптической плотности слоя газа определенной толщины (0,4 -0,5 м). В дымомерах этого типа часть ОГ или все газы пропускаются через измерительный цилиндр прибора. По торцам цилиндра расположены осветитель и фотоэлемент, ток которого регистрируется соответствующим измерителем и служит показателем дымности. В дымомерах с фильтрацией дымность определяется по степени потемнения фильтровальной бумаги, через которую пропущен определенный объем ОГ. Степень потемнения фильтра определяют фотометрированием; при этом нулевая отметка шкалы прибора соответствует чистому фильтру, а предельная - полному поглощению света фильтром, т.е. 100% дымности.

Для автомобилей с бензиновыми вновь изготавливаемыми и находящимися в экс­плуатации 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 безопасности 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 пхх мин и не ранее чем через 20 с измеря­ется содержание оксида углерода и углеводородов. Затем устанавлива­ется повышенная частота вращения коленчатого вала двигателя nхх пов 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 nхх мин = (800±50) мин-1, nхх пов = (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 10 000 млн-1. Такое обозначение принято в связи с тем, что при считывании показаний приборов трудно оценивать малые значения процентного содержания углеводородов, например 0,1 или 0,01, в тоже время 100 или 1000 млн-1 более наглядно показывает динамику изменения показаний приборов.

В Республике Беларусь 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 коленчатого 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
n хх мин	1,5	1200	3000
n хх пов	2,0	600	1000