Устройство автомобилей
Токсичность отработавших газов двигателя
Виды токсичных веществ в отработавших газах
В современном мире автомобиль давно уже перестал быть диковинкой, и превратился из предмета роскоши в один из самых необходимых и обыденных атрибутов нашего бытия. Возможность мобильно перемещаться в окружающем мире и пространстве подняло человеческое общество на качественно новую ступень и в личностном и в коллективном развитии. Как это ни забавно звучит, но без автомобиля, а точнее будет сказать – без автомобильного транспорта, мы теперь не можем сделать и шагу.
Но интенсивное использование этого чуда техники в массовом масштабе имеет и многие негативные стороны – автомобиль является источником опасности на дорогах, источником шума и других не всегда приятных эффектов для наших органов чувств.
Однако одной из самых неприятных сторон является загрязнение окружающей среды выделениями, сопровождающими работу автомобильного двигателя и автомобиля в целом. И если с утечками нефтепродуктов (масел, различных жидкостей и топлива) из прохудившихся систем можно бороться достаточно просто, то с выбросами в атмосферу продуктов сгорания автомобильного топлива справиться очень и очень сложно.
Давно уже не тайна, что бурный рост парка автомобилей в современном мире привел к тому, что в местах их массового скопления (например, в крупных городах) они стали одной из основных причин загрязнения окружающей среды, особенно атмосферного воздуха. Дышать становится все труднее, а кроме того, выбросы интенсивно содействуют парниковому эффекту со всеми вытекающими последствиями.
В связи с этим в ряде стран мира были разработаны специальные законы и нормативные документы, ограничивающие содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей. Определены нормы токсичности, а также разработаны методы контроля содержания вредных веществ в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
К основным токсичным веществам, содержащимся в отработавших газах ДВС, относятся оксид углерода (СО), несгоревшие частицы топлива или углеводороды (CmHn), сажа (С) и оксиды азота (NOx). Условия, при которых происходит образование токсичных веществ в ДВС, различны. Так, образование первой группы (СО, CmHn и С) связано с химическими реакциями окисления топлива, протекающими как в процессе смесеобразования, так и во время непосредственно сгорания топлива и выполнении двигателем рабочего хода.
Пожалуй, наименее токсичными из перечисленных вредных веществ являются механические частицы, выбрасываемые из трубы глушителя в виде сажи. Конечно, сажа способна нанести вред здоровью человека, откладываясь в дыхательных путях и легких, но с точки зрения токсичности вред, наносимый чадящей выхлопной трубой дизеля меньше, чем едва заметный сизый дымок из трубы бензинового двигателя. Да и бороться с сажей проще, чем с химически активными продуктами неполного окисления топливных компонентов.
Вторая группа веществ – окислы и оксиды азота (NOx) носит термический характер и не связана непосредственно с реакциями окисления топлива. Поэтому средства борьбы с токсичностью отработавших газов для этих двух групп веществ различны.
Причины образования токсичных веществ в отработавших газах
Основными причинами образования токсичных веществ в ДВС являются несовершенство процессов подготовки горючей смеси перед подачей в цилиндры и в цилиндрах, что приводит к неполному сгоранию топлива в двигателе, а также загрязнение топлива различными примесями и добавками.
В идеальном случае при полном сгорании углеводородного топлива в двигателе в результате этого процесса должны образовываться углекислый газ и пары воды, которые не относятся к токсичным веществам.
Но получить идеальный процесс сгорания топлива на различных режимах работы двигателя или иметь идеально чистое топливо в реальной практике эксплуатации автомобилей практически невозможно. Поэтому неприятные выбросы в атмосферу всегда сопровождают работу двигателя внутреннего сгорания.
Количество токсичных веществ в отработавших газах дизелей и двигателей с искровым зажиганием из-за разного характера процессов смесеобразования и сгорания топлива имеет существенные различия. В отработавших газах дизелей в больших количествах содержатся сажа и оксиды азота, а двигателей с искровым зажиганием — оксид углерода и углеводороды. Поэтому средства борьбы с токсичностью у этих типов двигателей отличаются.
Нормативные документы по токсичным веществам в отработавших газах
В России нормы содержания токсичных веществ в отработавших газах дизелей и методы их измерения установлены ГОСТ Р 52160-2003.
Нормы содержания токсичных веществ в отработавших газах двигателей с искровым зажиганием и методы их измерения установлены ГОСТ Р 52033-2003 «Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния».
Определение токсичности отработавших газов двигателя осуществляется на специальных диагностических стендах или с помощью портативных газоанализаторов (ГАИ-1 и аналогичных).
Принцип действия газоанализатора ГАИ-1 основан на оптико-абсорбционном методе, т. е. на измерении поглощения энергии излучения инфракрасного диапазона анализируемым компонентом газа (оксидом углерода или углеводородами), в результате которого он нагревается до некоторой температуры, зависящей от его концентрации в отработавших газах.
Температурные колебания с помощью датчика формируют электрический сигнал, который преобразуется в показание прибора, показывающего содержание вредных веществ в газовой смеси.
Нормы Евросоюза по токсичности отработавших газов легких грузовиков
Краткая история вопроса
Нормы токсичности отработавших газов (ОГ) новых малотоннажных коммерческих автомобилей утверждены Директивой 70/220/ЕЕС, которая впоследствии много раз дополнялась. Наиболее важные дополнения:
• Стандарты Euro 1: Директива 93/59/EEC (легковые автомобили и легкие грузовики);
• Стандарты Euro 2 (EC 96): Директивы 94/12/EC и 96/69/ЕС;
• Стандарты Euro 3/4 (2000/2005): Директива 98/69/ЕС с последующими дополнениями в 2002/80/ЕС;
• Стандарты Euro 5/6 (2009/2014): от 20 июня 2007 г. Часть стандартов, в которой описываются методики испытаний, коэффициенты ухудшения и принимаемые каждым государством–членом ЕС индивидуально исправленные нормы содержания твердых частиц РМ, будет окончательно утверждена 2 июля 2008 г.
Топливо. Вместе со стандартами 2000/2005 гг. были введены более строгие нормы по топливу: цетановое число для дизельного топлива должно быть не менее 51 (c 2000 г.); содержание серы в дизельном топливе – не более 350 ррм (с 2000 г.) и 50 ррм (c 2005 г.); содержание серы в бензине – не более 150 ррм (c 2000 г.) и 50 ррм (c 2005 г.). Бессернистое дизтопливо и бензин (10 ррм S) должны быть в продаже с 2005 г. и станут обязательными с 2009 г.
Измерение токсичности ОГ. Токсичность ОГ измеряется по Новому европейскому ездовому циклу на беговых барабанах для шасси NEDC (ECE 15 + EUDC). С 2000 г. (Euro 3) в эту методику внесено изменение: был исключен 40-секундный период прогрева двигателя перед началом отбора пробы ОГ. Эта измененная методика испытаний на холодный пуск получила название NEDC, или MVEG-B. Токсичность ОГ выражается в г/км.
В проект норм Euro 5/6 включена новая методика измерения массового содержания твердых частиц (сажи) в ОГ (подобная методике, предусмотренной в нормах США 2007 г.). В этих стандартах также устанавливаются количественные нормы предельного содержания твердых частиц в ОГ (методика РМР) в дополнение к значениям предельного содержания по массе. Для норм Euro 5/6 добиться соответствия содержания твердых частиц по массе можно только с помощью «закрытых» сажевых фильтров. Введение количественных значений предельного содержания предотвращает возможность разработки в будущем «открытых» фильтров, которые понижают содержание в ОГ твердых частиц по массе, но дают возможность проходить через фильтры большому количеству ультрамелких частиц сажи.
Нормы токсичности ОГ. Нормы содержания токсичных составляющих в ОГ легких коммерческих автомобилей представлены в табл. 1. Начиная с Euro 2 вводятся различные нормы токсичности для дизельных и бензиновых автомобилей. Для дизельных устанавливаются более жесткие нормы на содержание СО, но может быть более высоким содержание NOx. У бензиновых автомобилей не ограничивается содержание сажи до норм Euro 4 включительно. В Euro 5/6 устанавливаются нормы содержания по массе твердых частиц в ОГ бензиновых автомобилей. Количественные значения равны для автомобилей с дизельными двигателями и с бензиновыми с непосредственным впрыском.
Все даты, указанные в таблицах, относятся к Новым одобрениям типа транспортного средства. В Директивах ЕС также указывается вторая дата – на один год позже (если не указано иное), которая относится к первой регистрации (ввод в эксплуатацию) существующих транспортных средств, получивших Одобрение типа ранее.
Числовые значения содержания твердых частиц (сажи) в ОГ. В проекте будущих норм числовые значения содержания твердых частиц устанавливаются на уровне 5·1011 км -1 (методика РМР, Новый европейский ездовой цикл NEDC) и вступают в действие с нормами Euro 5/6 для всех категорий автомобилей с дизельными двигателями (N1, N2). Количественные нормы содержания твердых частиц (сажи) в ОГ должны выполняться наряду с нормами содержания твердых частиц по массе, приведенными в табл. 1.
Для автомобилей с бензиновыми двигателями количественные нормы содержания твердых частиц не устанавливаются.
| Категория* | Нормы токсичности | Дата введения | СО | СН | СН+NOx | NOx | Твердые частицы (сажа) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Дизельные | |||||||
| N1, Класс I, ≤1305 кг | Euro 1 | окт. 1994 | 2,72 | – | 0,97 | – | 0,14 |
| Euro 2, IDI | янв. 1998 | 1,0 | – | 0,70 | – | 0,08 | |
| Euro 2, DI | янв. a 1998 | 1,0 | – | 0,90 | – | 0,10 | |
| Euro 3 | янв. 2000 | 0,64 | – | 0,56 | 0,50 | 0,05 | |
| Euro 4 | янв. 2005 | 0,50 | – | 0,30 | 0,25 | 0,025 | |
| Euro 5 | сент. б 2009 | 0,50 | – | 0,23 | 0,18 | 0,005 д | |
| Euro 6 | сент. 2014 | 0,50 | – | 0,17 | 0,08 | 0,005 д | |
| Euro 1 | окт. 1994 | 5,17 | – | 1,40 | – | 0,19 | |
| Euro 2, IDI | янв. 1998 | 1,25 | – | 1,0 | – | 0,12 | |
| Euro 2, DI | янв. a 1998 | 1,25 | – | 1,30 | – | 0,14 | |
| N1, Класс II, 1305…1760 кг | Euro 3 | янв. 2001 | 0,80 | – | 0,72 | 0,65 | 0,07 |
| Euro 4 | янв. 2006 | 0,63 | – | 0,39 | 0,33 | 0,04 | |
| Euro 5 | сент. в 2010 | 0,63 | – | 0,295 | 0,235 | 0,005 д | |
| Euro 6 | сент. 2015 | 0,63 | – | 0,195 | 0,105 | 0,005 д | |
| Euro 1 | окт. 1994 | 6,90 | – | 1,70 | – | 0,25 | |
| Euro 2, IDI | янв. 1998 | 1,5 | – | 1,20 | – | 0,17 | |
| Euro 2, DI | янв. a 1998 | 1,5 | – | 1,6 | – | 0,20 | |
| N1, Класс III >1760 кг | Euro 3 | янв. 2001 | 0,95 | – | 0,86 | 0,78 | 0,10 |
| Euro 4 | янв. 2006 | 0,74 | – | 0,46 | 0,39 | 0,06 | |
| Euro 5 | сент. в 2010 | 0,74 | – | 0,350 | 0,280 | 0,005 д | |
| Euro 6 | сент. 2015 | 0,74 | – | 0,215 | 0,125 | 0,005 д | |
| Бензиновые | |||||||
| N1, Класс I, ≤1305 кг | Euro 1 | окт. 1994 | 2,72 | – | 0,97 | – | – |
| Euro 2 | янв. 1998 | 2,2 | – | 0,50 | – | – | |
| Euro 3 | янв. 2000 | 2,3 | 0,20 | – | 0,15 | – | |
| Euro 4 | янв. 2005 | 1,0 | 0,1 | – | 0,08 | – | |
| Euro 5 | сент. б 2009 | 1,0 | 0,10 е | – | 0,06 | 0,005 г, д | |
| Euro 6 | сент. 2014 | 1,0 | 0,10 е | – | 0,06 | 0,005 г, д | |
| Euro 1 | окт. 1994 | 5,17 | – | 1,40 | – | – | |
| Euro 2 | янв. 1998 | 4,0 | – | 0,65 | – | – | |
| N1, Класс II, 1305…1760 кг | Euro 3 | янв. 2001 | 4,17 | 0,25 | – | 0,18 | – |
| Euro 4 | янв. 2006 | 1,81 | 0,13 | – | 0,10 | – | |
| Euro 5 | сент. в 2010 | 1,81 | 0,13 ж | – | 0,075 | 0,005 г, д | |
| Euro 6 | сент. 2015 | 1,81 | 0,13 ж | – | 0,075 | 0,005 г, д | |
| Euro 1 | окт. 1994 | 6,90 | – | 1,70 | – | – | |
| Euro 2 | янв. 1998 | 5,0 | – | 0,80 | – | – | |
| N1, Класс III >1760 кг | Euro 3 | янв. 2001 | 5,22 | 0,29 | – | 0,21 | – |
| Euro 4 | янв. 2006 | 2,27 | 0,16 | – | 0,11 | – | |
| Euro 5 | сент. в 2010 | 2,27 | 0,16 з | – | 0,082 | 0,005 г, д | |
| Euro 6 | сент. 2015 | 2,27 | 0,16 з | – | 0,082 | 0,005 г, д | |
DI – двигатели с непосредственным впрыском; IDI – предкамерные двигатели.
а – до 30 сентября 1999 г. (после этой даты двигатели с непосредственным впрыском (DI) должны будут соответствовать нормам для предкамерных двигателей (IDI); б – январь 2011 г. для всех моделей; в – январь 2012 г. для всех моделей; г – применимо только к автомобилям с двигателями с непосредственным впрыском; д – предлагается изменить на 0,003 г/км, используя методику испытаний РМР; е – и методику NMHC=0,068 г/км; ж – и методику NMHC=0,090 г/км; з – и методику NMHC=0,108 г/км.
* Для Euro 1/2 классы по массе, соответствующие категории N1: Класс I ≤1250 кг, Класс II 1250…1700 кг, Класс III >1700 кг.
Надежность сохранения уровня токсичности ОГ. Сроки эксплуатации автомобилей, в течение которых должен сохраняться уровень токсичности ОГ, составляют:
- Euro 3 – 80 000 км пробега, или 5 лет (в зависимости от того, что наступит раньше); вместо фактического испытательного пробега производители могут использовать следующие коэффициенты ухудшения: 1,2 для СО, СН, NOx (бензин) или 1,1 для СО, NOx, СН+ NOx и 1,2 для твердых частиц (дизель);
- Euro 4 – 100 000 км, или 5 лет (в зависимости от того, что наступит раньше);
- Euro 5/6 – при соответствующих условиях эксплуатации: 100000 км или 5 лет; проверка надежности сохранения качества работы устройств снижения токсичности ОГ для Одобрения типа транспортного средства: 160 000 км, или 5 лет (в зависимости от того, что наступит раньше).
Прочие условия. В нормах содержится ряд дополнительных условий:
- государства Евросоюза могут вводить налоговые льготы за досрочный ввод в эксплуатацию автомобилей, соответствующих будущим экологическим нормам;
- нормы токсичности ОГ для холодного пуска (–7 °С) автомобилей с бензиновыми двигателями введены с 2002 г. (Директива 2001/100/ЕС), для легковых автомобилей норма составляет 15 г/км СО и 1,8 г/км СН; токсичность измеряется только на городских режимах ездового цикла;
- системы контроля токсичности ОГ должны диагностироваться бортовой системой автомобиля.
Требования по бортовой диагностике автомобиля. Начиная с норм Euro 3 автомобили должны оборудоваться бортовыми диагностическими системами для контроля токсичности ОГ. Водитель должен быть извещен в случае неисправности или ухудшения работы системы контроля токсичности ОГ, которое может вызвать повышение токсичности ОГ выше допустимого предела, указанного в табл. 2 (нормы для Euro-4 – предлагаются). Допустимые величины основаны на ездовом цикле NEDC (холодный пуск ЕСЕ+EUDC). Чтобы отличить эти требования от требований по бортовой диагностике США (US OBD), они называются EOBD – Европейские требования по бортовой диагностике.
| Категория | Класс | Нормы токсичности | Дата введения | СО | СН | NOx | Твердые частицы (сажа) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Дизельные | |||||||
| N1 | I | EU 3 | 2005 г. | 3,20 | 0,40 | 1,20 | 0,18 |
| EU 4 | 2005 г. | 3,20 | 0,40 | 1,20 | 0,18 | ||
| II | EU 3 | 2006 г. | 4,00 | 0,50 | 1,60 | 0,23 | |
| EU 4 | 2006 г. | 4,00 | 0,50 | 1,60 | 0,23 | ||
| III | EU 3 | 2006 г. | 4,80 | 0,60 | 1,90 | 0,28 | |
| EU 4 | 2006 г. | 4,80 | 0,60 | 1,90 | 0,28 | ||
| Бензиновые | |||||||
| N1 | I | EU 3 | 2000 г. | 3,20 | 0,40 | 0,60 | – |
| EU 4 | 2005 г. | 1,90 | 0,30 | 0,53 | – | ||
| II | EU 3 | 2001 г. | 5,80 | 0,50 | 0,70 | – | |
| EU 4 | 2005 г. | 3,44 | 0,38 | 0,62 | – | ||
| III | EU 3 | 2001 г. | 7,30 | 0,60 | 0,80 | – | |
| EU 4 | 2005 г. | 4,35 | 0,47 | 0,70 | – | ||
Примечание. Ряд требований по бортовой диагностике разъяснены в Директиве 1999/102/ЕС. Даты введения в действие требований по бортовой диагностике для автомобилей с двигателями на газе (сжиженном или натуральном) приведены в Директиве 2001/1/ЕС.