Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ состояния вопроса, постановка цели и задач исследования 10
1.1. Роль автомобильного транспорта в загрязнении атмосферы 10
1.2. Современные мировые тенденции решения проблемы повышения уровня экологической безопасности легковых автомобилей 15
1.3. Особенности решения проблем повышения уровня экологической безопасности автомобильного транспорта России 21
1.4. Краткое обобщение и выводы по материалам 1-ой главы и обоснование цели и задач исследований 32
Глава II. Методические предпосылки исследования 36
2.1. Эксплуатационные возможности снижения выбросов вредных веществ на основе улучшения работы системы зажигания 36
2.2. Эксплуатационные возможности снижения выбросов вредных веществ при обеспечении рациональности рабочих процессов карбюраторов .41
2.3. Возможности повышения эффективности процессов сгорания рабочей смеси на основе «обработки» топлива активаторами и картерного масла добавками различной физической основы 50
2.4. Специфика применения активного многофакторного эксперимента как системной основы получения информации о комплексном влиянии различных процессов на экологические и экономические
показатели работы бензиновых автомобилей 56
Глава III. Экспериментальные исследования комплексных воздействий на рабочие процессы бензиновых двигателей отечественных конструкций в эксплуатации с целью улучшения их экологи ческих и экономических показатлей 70
3.1. Особенности рабочих процессов перспективных систем зажигания для их оперативного использования в эксплуатации
3.2. Основные этапы и объекты экспериментальных исследований по оценке возможностей для отечественных карбюраторных автомобилей удовлетворения более жёстким нормативам работы системы холостого хода 80
3.3. Методика измерения экологических и экономических показателей работы автомобилей в стационарных и дорожных условиях 84
3.4. Предварительные исследования с целью выбора объектов для проведения активных многофакторных экспериментов по оценке влияния эксплуатационных воздействий на изменение экологических и экономических характеристик работы легковых автомобилей 93
Глава IV. Результаты комплексных экспериментов по повышению уровней экологической безопасности и экономичности автомобилей с бензиновыми двигателями в эксплуатации 100
4.1. Использование нестандартных свечей и систем зажигания в сочетании с гомогенизатором с целью повышения качества работы систем холостого хода карбюраторных двигателей до уровня нормативов для двухкомпонентных каталитических нейтрализаторов 100
4.2. Активные многофакторные эксперименты по оценке влияния воздействий работы активаторов топлива на экологические и экономические показатели работы бензинового автомобиля 110
4.3. Комплексная оценка экологических показателей работы автомобилей с бензиновыми двигателями при их испытаниях на ненагруженных беговых барабанах по показателям массовых выбросов загрязнений на единицу пробега, применяемых в стандартах Евро-2 и выше 118
4.4. Разработка комплексной методики повышения уровня экологической безопасности автомобилей с бензиновыми двигателями 127
Заключение 145
Библиографический список
- Современные мировые тенденции решения проблемы повышения уровня экологической безопасности легковых автомобилей
- Эксплуатационные возможности снижения выбросов вредных веществ при обеспечении рациональности рабочих процессов карбюраторов
- Основные этапы и объекты экспериментальных исследований по оценке возможностей для отечественных карбюраторных автомобилей удовлетворения более жёстким нормативам работы системы холостого хода
- Активные многофакторные эксперименты по оценке влияния воздействий работы активаторов топлива на экологические и экономические показатели работы бензинового автомобиля
Введение к работе
Актуальность исследований. Интенсивный рост количества автомобилей в крупных городах России и в первую очередь в Москве привёл к обострению проблем, связанных с загрязнением атмосферы токсичными и канцерогенными компонентами, содержащихся в выхлопных газах легковых и малотоннажных грузовых автомобилей с бензиновыми двигателями старых моделей. Поскольку перспектива замены указанного подвижного состава на соответствующие нормам ЕВРО-2 и выше могла иметь место в течение 10-15 лет, Московское правительство в 2000-е годы в оперативном порядке обязало все подведомственные ему муниципальные предприятия дооборудовать уже эксплуатируемые бензиновые автомобили двухкомпонентными нейтрализаторами для кратного снижения выбросов оксидов углерода СО и углеводородов CnHm.
Однако ввиду отсутствия системной проработки реализация последней программы встретила значительные затруднения по причинам: неэффективности работы нейтрализаторов из-за их недогрева (до 400-4500С) не только зимой, но и в осенне-весенние периоды; снижения их ресурса (в 3-5 раз) ввиду работы более половины карбюраторов на обогащённых топливо-воздушных смесях под нагрузкой, и др. В тоже время исследования выявили возможности альтернативных вариантов достижения поставленной цели – двух и более кратного уменьшения выбросов СО – на основе более сложных технологий обслуживания карбюраторных и инжекторных систем питания, в сочетании с использованием более эффективных систем многоискрового зажигания, рекомендуемые рынком для повышения топливной экономичности, а также другими неизученными эксплуатационными воздействиями. Последнее было особенно актуально для автомобилей скорой медицинской помощи на базе микроавтобусов «Газель» и «Соболь», выполняющих ответственные перевозки во всех округах Москвы. Полученные при этом рекомендации могли быть использованы для всех бензиновых автомобилей России, не оборудованных нейтрализаторами.
Степень разработанности темы исследования. Исследования по поддержанию и повышению в эксплуатации экологической безопасности и влияющей на неё технического состояния бензиновых двигателей постоянно проводились всеми ведущими научно-техническими организациями России и СНГ, такими как НИИАТ, МАДИ, НАМИ, МАМИ, ВлГУ, КАДИ, ХАДИ, и др. Они отражены в работах В.Н.Луканина, Е.С.Кузнецова, В.А.Корчагина, В.А.Звонова, В.Ф.Кутенёва, Р.В.Малова, В.И.Ерохова, Ю.В.Трофименко, В.В.Донченко, С.Г.Драгомирова, Бондаренко Е.В., и других учёных.
Целью исследований являлось теоретическое обоснование и практическая разработка инновационного комплекса технологических воздействий на бензиновые двигатели отечественного производства, обеспечивающих повышение экологической безопасности и топливной экономичности автомобилей и эффективность их технической эксплуатации.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие
основные задачи исследования:
1. Рассмотреть методические предпосылки и провести экспериментальные исследования по возможностям использования перспективных систем за-
жигания, свечей, «активаторов» топлива и других эксплуатационных методов повышения эффективности рабочих процессов двигателей отечественного производства, с целью снижения вредных выбросов, в сочетании с оценкой степени изменения экономичности автомобиля;
-
Исследовать совместное влияние эксплуатационных воздействий по повышению экологической безопасности и экономичности бензиновых автомобилей на основе активного многофакторного эксперимента;
-
Разработать методику сравнительных упрощённых эксплуатационных испытаний автомобилей на изменение их экономических и экологических показателей, с оценкой выбросов вредных веществ в г/км пробега на основе европейского городского ездового цикла, и провести на её основе оценку эффективности исследуемых методов и полученных моделей по повышению эффективности технической эксплуатации двигателей.
-
С учётом полученных данных разработать рекомендации по повышению уровней экологической безопасности, топливной экономичности и надёжности длительно эксплуатирующихся и современных моделей бензиновых автомобилей отечественного производства.
Объектом исследования являлись рыночные варианты систем зажигания и свечей с усиленными функциональными возможностями, в сочетании с использованием «активаторов» топлива и устройств гомогенизации топливной смеси, влияющие на экологические и экономические показатели работы двигателей.
Предметом исследования являлись эксплуатационные методы технических воздействий на системы питания и зажигания легковых автомобилей с бензиновыми двигателями, определяющие уровень их экологической безопасности и топливной экономичности в эксплуатации.
Научная новизна работы заключается:
в исследовании влияния рыночных вариантов многоискрового зажигания и запальных свечей, в сочетании с активаторами топлива, гомогенизацией топливо-воздушной смеси, и другими факторами, на изменение эксплуатационных (экологических и экономических) показателей работы бензиновых двигателей на режимах холостого хода и частичных нагрузок, и разработке математических моделей этого влияния на основе активного многофакторного эксперимента;
в разработке и проверке в условиях рядовой эксплуатации методики технических воздействий на бензиновые двигатели, работающих без использования каталитических нейтрализаторов, с целью повышения их экологической безопасности до уровня, удовлетворяющих требованиям ГОСТа Р 52033-2003 для автомобилей, оборудованных двухкомпонентными нейтрализаторами отработавших газов;
в проверке эффективности разработанных математических моделей влияния изученных факторов на экологические показатели работы двигателей на режимах холостого хода и полученных на их основе практических рекомендациях, на основе сопоставления конечных результатов с методами экологических испытаний по европейскому городскому ездовому циклу.
Теоретическая значимость работы заключается в обосновании возможности повышения уровня текущей экологической безопасности и топливной экономичности российских автомобилей с бензиновыми двигателями в эксплуатации на основе комплекса технических и технологических воздействий.
Практическая значимость работы заключается:
в не менее чем двукратном снижении эксплуатационных выбросов оксидов углерода (СО) и частично углеводородов, способствующих улучшению экологии атмосферы крупных городов;
в расширении диапазона устойчивого запуска двигателя при отрицательных температурах не менее чем на 5-60 С;
- в разработке рекомендаций по техническим воздействиям на бензино
вые двигатели с целью повышения их текущей экологической безопасности и
топливной экономичности в эксплуатации; при этом по выбросам СО и СН для
двигателей, работающих без использования трёхкомпонентных каталитических
нейтрализаторов, данный уровень может достигать экологического класса Ев
ро-2, а при системах нейтрализации обеспечивать повышение эксплуатацион
ных ресурсов их работы.
Методология и методы исследования. Системный подход к разработке оперативных методов повышения текущего уровня экологических показателей и топливной экономичности российских бензиновых автомобилей в эксплуатации; применение активных статистических, одно и многофакторных активных экспериментов для ранжирования степени влияния эксплуатационных воздействий; использование разработанной методики сравнительных упрощённых эксплуатационных испытаний автомобилей на изменение экономических и экологических показателей, с оценкой выбросов вредных веществ в г/км пробега на основе европейского городского ездового цикла.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты экспериментальных исследований и разработанные на их основе математические модели, отражающие влияние работы различных систем зажигания, конструкций свечей, устройств гомогенизации, активаторов топлива и других факторов на изменение экологических показателей работы автомобилей с бензиновыми двигателями на режимах холостого хода и частичных нагрузок, в сочетании с изменениями топливной экономичности.
-
Методика технологических воздействий на бензиновый двигатель в эксплуатации с целью повышения его экологической безопасности и топливной экономичности, и проверка её объективности путём сопоставления с разработанными упрощёнными методами эксплуатационных испытаний по европейскому городскому ездовому циклу.
Степень достоверности результатов проведённых исследований по изменению экологических и экономических показателей работы бензиновых автомобилей обеспечивались: проведением многофакторных активных экспериментов как в условиях стендовых испытаний, так и эксплуатационных городских ездовых циклов; статистическими активными экспериментами в условиях ГУП автокомбината «Мосавтосантранс»; эксплуатационными активными од-
нофакторными экспериментами на автомобилях российского производства и иномарках; применением аттестованных средств измерения; автоматизированной обработкой результатов (программа STATISNICA для среды WINDOWS).
Реализация результатов работы. Разработанные рекомендации оперативно использованы и используются в ГУП автокомбинате «Мосавтосантранс» для автомобилей скорой медицинской помощи производства автозавода ГАЗ, как альтернативный вариант выполнения решения Московского правительства о повышении уровня экологической безопасности муниципальных автомобилей; внедрены в учебный процессе кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис» МАДИ.
Апробация результатов. Основные результаты исследований доложены на X-ой Международной научно-практических конференции Владимирского государственного университета «Актуальные проблемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств» (г. Владимир, 2004 г.), XI-ой Международной научно-практических конференции Владимирского государственного университета «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей» (г. Владимир, 2005 г.), 65-ой, 66-ой и 68-й научно-исследовательских и научно-методических конференциях МА-ДИ-ГТУ (2007, 2008 и 2010 г.г.), 69-ой, 70-ой, 71-ой и 73-ей научно-исследовательских и научно-методических конференциях МАДИ (2011-2013, 2015 г.г.), заседании кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис» МАДИ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных ра-бот, в том числе 6 работ в рецензируемых научных изданиях, получено два патента на перспективные конструкции свечей зажигания, улучшающих экологические показатели работы бензинового двигателя.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, и библиографического списка, включающего 92 наименования. Общий объём работы – 156 страницы, в том числе 117 страниц основного текста, 32 иллюстрации и 16 таблиц.
Современные мировые тенденции решения проблемы повышения уровня экологической безопасности легковых автомобилей
Аналогичная ситуация имеет место и по возможностям массового использования гибридного автомобиля на аккумуляторных батареях, плохо работающих в условиях российских морозов. Правда, здесь имеют место такие недоработанные проекты, как представленный на выставке на Красной Пресне [31 ] морнизированный из модели автомобиля особо малого класса АСМ-1128 «Мишка» с двигателем 64 л. с. (который так и не был выпущен) электромобиль АСМ-17285 с комбинированным приводом от двигателя 20 л. с, укладывающийся в стандарты Евро-IV и работающий на зарядку ёмкостной (электроконденсаторной) батареи напряжением 120 В (последняя в меньшей степени снижает свою емкость в условиях отрицательных температур). Скорее всего, данный автомобиль являлся неработающим образцом, поскольку каких либо данных о его эксплутационных свойствах (динамике разгона и расходе топлива) не приводилось. Хотя автомобили особо малого класса (типа «Оки») в России с учётом её больших территорий и необходимости параллельной перевозки «домашних» грузов особой популярностью не пользуются, успешная реализация данного более сложного по сравнению с зарубежными разработками направления могла бы открыть определённые рыночные перспективы для подобного электромобиля, не имеющему каких либо зарубежных аналогов. В этом отношении положительным являлась презентация в 2011 году действующей модели гибридного так называемого Ё-мобиля, имеющая вместо аккумуляторов 300-сот вольтовые конденсаторы.
Помимо этого, было бы неправильно не учитывать и другие специфические особенности автомобилизации России в современный период в сочетании с мировыми экологическими проблемами. Недавняя ратификация Ки-отского протокола не вызывает острой необходимости искать радикальных путей снижения эмиссии СОг от автомобильного транспорта по той очевид 23 ной причине, что по сравнению с развитыми странами мира количество автомобилей в России значительно ниже (в 4...5 раз по сравнению с США), и основная масса их разбросана на значительно больших территориях. Поэтому даже без проведения специальных расчётов можно утверждать, что показатель антропогенного влияния автотранспорта России на эмиссию СОг в атмосферу значительно ниже величины в 14%, установленной ООН, что несущественно, и поэтому общие мероприятия по снижению расхода топлива могут оказать ощутимый вклад и в этом направлении. Хотя средний расход топлива легковыми автомобилями для России существенно ниже по сравнению с США и «богатыми» странами Европы, надо помнить, что значительная неудовлетворённость в индивидуальном автотранспорте на перспективу перекроет имеющиеся сейчас показатели по общему потреблению энергоресурсов, не смотря на какие-либо ощутимые успехи по повышению экономичности вновь производимых легковых автомобилей.
Аналогичные выводы можно сделать и в отношении загрязнения атмосферного воздуха токсичными компонентами. Меньшее количество автомобилей и их распределение по значительно большим территориям по сравнению с США и странами Западной Европы обеспечивают России определённые «резервы» в этом отношении, которые необходимо правильно использовать. Определённая острота проблем здесь имеет место только для сверх крупных и плохо продуваемых городов «круглой» компоновки, таких как Москва, где интенсивность использования транспорта уже ограничивается дорожными «пробками», создаваемых главным образом легковыми автомобилями, и дальнейший рост уже считающихся длительное время чрезмерных показателей по содержанию в атмосфере СО, СН, NOx и сажи [36, 49] вряд ли возможен. Очевидно также, что реализуемый с 2006 года перевод автомобильной промышленности на производство автомобилей стандарта Евро-П также не мог внести ощутимых изменений в проблему экологии крупных городов, поскольку на замену имеющегося подвижного состава потребуется не менее 10-15 лет, а для сельских районов и небольших городов проблема ав 24 томобильной экологии останется неактуальной ещё длительное время. К
этому необходимо добавить, что в настоящее время переход на производство значительно более дорогих легковых автомобилей (повышенного уровня экологической безопасности) приведёт к ещё большему снижению покупательной способности населения, что в условиях затоваренности отрицательно скажется на экономическом развитии России. Указанные типы автомобилей целесообразны только для экспорта, при условии более низкой стоимости по сравнению с поставками других фирм (не представляет секрета то обстоятельство, что введение нормативов Евро-N в Европе в первую очередь преследовало цель не допустить на этот рынок значительно более дешёвые и поэтому конкурентно способные автомобили российского производства). Экономическим интересам России, с учётом протяжённости и состояния её дорог, в большей степени соответствует производство недорогих легковых автомобилей малого и среднего классов, имеющих значительно лучшие показатели в отношении зимнего запуска двигателей.
На государственном уровне необходимость повышения уровня экологической безопасности как производимых в России, так и завозимых из-за рубежа легковых автомобилей была реализована введением в действие с 2004 года нового ГОСТа Р 52033-2003 [19], регламентирующего нормы и методы контроля выбросов с отработавшими газами загрязняющих веществ для автомобилей с бензиновыми двигателями (взамен ГОСТа 17.2.2.03-87, действующего в изменённой редакции с 2000 года). Здесь уже было выделено 4 группы автомобилей с различным уровнем требований к ним (показатели приведены для автомобилей категории Mi и Ni, производимых в России для индивидуального пользования): выпуска до 1987 года, для которых проверяется только содержание СО на режиме птіп (не более 4,5%); автомобили выпуска после 1987 года, не оснащенные системами нейтрализации отработавших газов, с режимами и нормативами предыдущего ГОСТа (3,5% СО и 1200 млн" СН на режиме nmim и 2,0% СО и 600 млн" СН на режиме ппов); автомобили, оснащённые на заводе-изготовителе двухкомпонентными системами нейтрализации отработавших газов, с некоторым ужесточением нормативов предыдущего ГОСТа (1,0% СО и 400 млн"1 СН на режиме nmim и 0,6% СО и 200 млн" СН на режиме ппов); и автомобили с трёхкомпонентной системой нейтрализации отработавших газов, с более жёсткими нормативами (0,5% СО и 100 млн" СН на режиме nmin, и 0,3% СО и 100 млн" СН на режиме пПов)- Для последних уже являлась обязательность контроля их четырёхка-нальными газоанализатороами (по СО, СО2, СН и О2) с программным обеспечением для автоматического расчёта коэффициента избытка воздуха к. Для автомобилей категорий Мг, Мз, N2 и N3 (для Москвы в настоящее время это в основном автомобили зарубежного производства) диапазон допустимых значений содержания СН повышался в 1,5-2 раза.
Эксплуатационные возможности снижения выбросов вредных веществ при обеспечении рациональности рабочих процессов карбюраторов
Дальнейшее повышение топливной экономичности бензиновых, карбюраторных и ижекторных, двигателей может быть связано с использованием различных устройств по предварительной подготовке топлива перед подачей в двигатель для его более полного сгорания, которые условно можно назвать «активаторами» топлива. Как правило, предлагаемые рынком активаторы в своей рекламе дают поверхностное представление о физических принципах их работы. Это относится в первую очередь к магнитным и электроимпульсным активаторам, которые технологически наиболее удобны для установки на автомобили в эксплуатации, однако при этом могут оказаться неэффективными.
В последующее время появились активаторы каталитического типа, из которых наилучшими рекламными предпосылками обладали УПТ (устройство преобразования топлива, разработанное ООО СК «Титан»). В рекламе указывается, что для разработки УПТ привлекались научно-исследовательские центры России, Украины, Европы и США, и при этом обеспечивалось более полное представление о физико-химических процессах воздействия активатора на бензиновое топливо. В частности, устройство подготовки топлива УПТ-4, изготовленное в соответствии с ТУ У 19235220-99 и предназначенное в первую очередь для карбюраторных легковых автомобилей (может применяться также и для инжекторных двигателей), представляет собой пластмассовый бачёк емкостью 2 литра, содержащий полиамид, химреактивы, титановую губку и необходимые конструктивные элементы. Устройство достаточно технологично подключается к системе питания между бензонасосом и карбюратором. Принцип его воздействия на фракции бензина на примере пентакгектана схематически представлен на рис. 2.5. Здесь активатор обеспечивает разрыв длинных углеводородных цепей, появляющихся при первичном крекинге нефти, способствуя изменению элементного состава, в процессе которого пентагектан СдН2о превращается в конечном счёте в смесь пентана CsH12 и бутана С fin, и происходит изомеризация скелетов этих соединений с образованием смеси изобутана и неопепта-на. Количество ментильных групп в смеси увеличивается примерно в 3,5 раза по сравнению с исходным состоянием, обеспечивая более полное сгорание топлива до начала такта выхлопа.
При установке данного активатора на автомобили с каталитическими нейтрализаторами отработавших газов, по рекламе, исключался выход последних из строя при применении этилированного бензина, поскольку соединения свинца в данном случае шли на создание бронзо-образующих микрочастиц, восстанавливающих геометрию трущихся поверхностей. Кроме того, имеет место снижение выброса токсичных веществ и на режиме прогрева нейтрализатора (с 20 до 600 С), сопоставимого с выбросами при пробеге автомобиля 300 км. Согласно рекламе, применение активатора обеспечивает снижение токсичности отработавших газов (для автомобилей с трёхкомпо-нентными нейтрализаторами) до уровня Евро-3, повышение и выравнивание компрессии по цилиндрам, увеличение мощности двигателя на 10% и снижение расхода топлива на 10... 20%.
В определённой мере по принципам применения в эксплуатации с активаторами соотносятся и присадки, добавляемые к работавшему картерному маслу для повышения эксплуатационных свойств двигателя по экономичности, динамичности и экологическим характеристикам, хотя последние могут «не стыковаться» с первыми из-за возможных физико-химических взаимодействий между ними, не допускающих комплексного применения. Примером подобной разработки может являться исследованная в настоящей работе противоизносная антифрикционная добавка к маслу с рыночным названием «Форум», созданная на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ, тефлон), сохраняющая свою эффективность при однократной обработке двигателя на протяжении 80 тыс. км пробега автомобиля. (Данная добавка также может Исходный углеводородный компонент
Схема воздействия каталитического активатора топлива на расщепление длинных углеводородных цепей первичных алканов бензина, и перестройку углеводородных скелетов лёгких фракций с целью повышения эффективности их горения, на примере пентагектана использоваться для повышения износостойкости коробок передач, главных передач, других механических приводов и подшипников). Согласно рекламе, применение добавок «Форум» для двигателя позволяет снизить расход топлива до 11% и увеличить мощность на 6... 10%, а для других механизмов уменьшить износ деталей в 1,5...4 (!) раза при значительном снижении шумов и вибраций. Другие рекламируемые добавки к картерному маслу, в том числе и зарубежного производства, приводят сходные с отмеченными выше показатели эффективности.
Как правило, реклама на устройства активации топлива и «улучшающие» добавки к картерных маслам, помимо снижения расхода топлива, которое всегда можно проверить в эксплуатации рядовому пользователю, акцентирует внимание и на улучшение экологических показателей, которые на обычном бензиновом автомобиле не могут быть достаточно объективно оценены из-за разброса технического состояния всех влияющих на экологию элементов двигателя (карбюратора, параметров зажигания, высоковольтных проводов и свечей, состояния цилиндро-поршневой группы, и т. д.). Более объективно подобную оценку на двигателе средней наработки можно получить при наличии многоискрового зажигания и качественном техническом обслуживании карбюратора в соответствии с принципами, изложенными выше. При этом главное внимание для двигателей старых моделей, не оснащённых системами очистки выхлопных газов, должно быть обращено на удовлетворение нормативам по СО и СН для двухкомпонентных нейтрализаторов на повышенной частоте холостого хода ппов, влияющей на работу двигателя на режимах частичных нагрузок.
Основные этапы и объекты экспериментальных исследований по оценке возможностей для отечественных карбюраторных автомобилей удовлетворения более жёстким нормативам работы системы холостого хода
Как было показано в главе II, наиболее перспективным направлением воздействия на рабочие процессы бензиновых двигателей в эксплуатации с целью улучшения их экологических и экономических показателей общепризнанным считается повышение эффективности работы искрообразователь-ных процессов, что нашло широкое отражение в разработке и использовании микропроцессорных систем зажигания. Однако указанные системы в сочетании с системами электронного впрыска топлива, потребовали определённого изменения конструкции двигателя (главным образом его впускного коллектора), и поэтому, не смотря на их несомненные преимущества, не могли быть использованы на «рядовых» карбюраторных двигателях, оборудованных прерывателем-распределителем. Поэтому в российских условиях получили широкое распространение различные дополнительные устройства к указанным системам (в виде небольших электронных блоков), применение которых улучшало некоторые функциональные показатели работы автомобиля, прежде всего в отношении снижения расхода топлива, в сочетании с облегчением «запуска» холодного двигателя при отрицательных температурах воздуха. Однако необходимо отметить, что на начальном периоде появления указанных систем на автомобильном рынке на проблемы экологии практически не обращалось никакого внимания, а «рекламные» показатели в этом отношении более позднего периода не были подтверждены достаточно представительными исследованиями.
С переходом к рыночной экономике и снижения запретов на изменения в эксплуатации некоторых конструктивных элементов автомобиля количест 71 во новых разработок в этом направлении (в сочетании с рекламными оценками) существенно возросло, поскольку стимулировалось заметным повышением цен на топливо. Очевидно, что для целей настоящего исследования эти разработки должны быть проверены в отношении улучшения экологических показателей на наиболее высоком уровне, доступном в области технической эксплуатации автомобилей, с применением более сложных методик комплексного характера. Обязательной составной частью этого комплекса следует считать разработанный под руководством профессора А.П.Болдина и хорошо себя зарекомендовавший себя для целей диагностирования метод испытания автомобиля на ненагруженных беговых барабанах (на прямой передаче при скоростях 40, 60 и 80 км/ч) [59]. Данный метод мог быть реализован в условиях центральных мастерских ГУЛ автокомбината «Мосавтосан-транс», являющегося инициатором данных исследований, который имел на начало исследований необходимые элементы диагностического оборудования Новгородского завода. Дополнение этого метода измерениями экологических показателей при помощи современных 4-х и 5-ти канальных газоанализаторов, в сочетании с измерениями расходов топлива не только в стендовых, но и в дорожных условиях, а также при необходимости дальнейшее усложнение методик исследования, должны были обеспечить получение достаточного уровня объективности конечных результатов.
Таким образом, для проведения исследований необходимо было выбрать все имеющиеся на рынке новые элементы системы зажигания, которые «по рекламе» давали существенное улучшение качества функционирования двигателя прежде всего по расходу топлива, и осуществить на них весь комплекс испытаний на изменение экологических показателей. Было выявлено, что указанные элементы по конструкционным особенностям можно объединить в три различные группы, значимые для карбюраторных и ижекторных двигателей: свечи зажигания; промежуточные устройства для повышения эффективности искрового разряда; и непосредственно новые конструкции системы зажигания, реализующие другие принципы получения искры. На момент начала исследований на рынке имелось порядка 8-ми нестандартных конструкций свечей зажигания, которые практически все были подвергнуты экспериментальной проверке. Конструктивные особенности некоторых вариантов показаны на рис. 3.1. Так, модернизация свечи изобретателя Е.Бугайца на рис. 3.1-в заключалась в создании дополнительной защитной «юбки» вокруг запальных электродов с целью исключения их смачивания при запуске двигателя при низкой температуре и создания в дальнейшем определённой объёмно-реактивной струи плазмы, выбрасываемой в камеру сгорания и способствующей лучшему перемешиванию и сгоранию рабочей смеси. Считалось, что данная «юбка» не создаёт препятствий для поступления потока рабочей смеси в зону искрового разряда. Интенсификацию поджога смеси по рекламе можно также получить за счёт применения так называемых «2-х искровых» свечей зажигания экспериментального завода «Пересвет», у которых боковой электрод был выполнен в виде «ласточкиного хвоста», и таким образом с учётом послойного смесеобразования создавалось два варианта пробоя искрового разряда в зоне с пониженным сопротивлением при наличии паров бензина по сравнению с промежутком из чистого воздуха. Указанные свечи рекомендовалось применять в комплекте с ёмкостными усилителями искры изобретателя Трегубова (рис. 3.2), о которых будет сказано ниже, при этом рабочий зазор для боковых электродов «ласточкиного хвоста» рекомендовалось снижать до 0,4 мм для исключения пропуска по джига смеси.
Активные многофакторные эксперименты по оценке влияния воздействий работы активаторов топлива на экологические и экономические показатели работы бензинового автомобиля
Из анализа этих результатов, которые в последующем также оказались промежуточными, отметим только факт решающего положительного влия 105 ния на снижение расхода топлива многоискрового зажигания и подогревателя смеси, как это предполагалось в соответствующих разделах П-ой главы. Полученная модель для условного городского цикла имеет вид: Qrop = 8,9- 0,35-Xi- 0,5-Х2- 0,24 Х3 + 0,48-ХгХ2 , л/100 км, (4.1) при котором влияние работы свечей практически «скрадывается» эффектом их взаимодействия ХгХ2 с системой зажигания, хотя если его разделить поровну между этими двумя факторами, то на свечи может приходится до 5% снижения расхода топлива, также как и для подогревателя смеси. Свечи со скользящим разрядом в целом благоприятно влияли на снижение выбросов СО на всех режимах (регулировка карбюратора «Озон» в опытах не изменялась), и частично компенсировали увеличение СНна повышенной частоте вращения коленчатого вала, связанного с увеличением сгоревшего топлива от применения многоискрового зажигания и подогревателя смеси: СНП0В = 139+42-Х!-20-Х2+26-Х3- 6-ХгХ2+5-ХгХ3-12-Х2-Хз, млн \ (4.2)
Хотя в большинстве опытов удалось добиться полного решения основной задачи исследования - удовлетворения нормативам токсичности, соответствующих применению двухкомпонентных каталитических нейтрализаторов, при дорожных испытаниях был выявлен фактор недопустимого снижения динамики разгона автомобиля при снижении СО на повышенной частоте вращения коленчатого вала ниже 2%, что обуславливалось особенностями конструкции карбюратора «Озон». Поэтому в дальнейшем все эксперименты проводились с карбюратором К-151Н, для которого эффект снижения динамики разгона был менее существенным и допустимым для эксплуатации, и с усиленным вариантом многоискрового зажигания.
В то же время комбинация из усиленного варианта многоискрового зажигания, гомогенизатора и карбюратора «Озон», имеющего наиболее совершенную пусковую систему, позволила провести успешный эксперимент по облегчению запуска застывшего двигателя в условиях низких отрицательных температур, где решающее значение имело применение позисторного подогревателя функционального объёма гомогенизатора. Был использован вариант подогревателя для установки на карбюратор, имеющий повышенные резервы нагрева до температуры 135С, разработанный во ФГУП НИИАЭ. Его мощность составляла в рабочем режиме порядка 45 Вт (в пусковом режиме 180 Вт), что обеспечивало разогрев гомогенизатора в течение 7... 10 минут практически без разрядки аккумуляторной батареи. Специальный опыт показал практическое решение проблемы «лёгкого» запуска двигателя при низких отрицательных температурах (-18 С), т. е. на 6...8 градусов ниже рекомендуемых заводом-изготовителем, даже при предельном сопротивлении проворачивания коленчатого вала на высоковязком масле (М12Г). При этом на начальном периоде двигатель «схватывал», но не заводился при принудительном вращении от стартера с частотой 20...30 об/мин, а затем быстро увеличивал скорость вращения и уже работал самостоятельно. Как известно, основной причиной затруднённого запуска двигателя при низких температурах является, даже при многоискровом зажигании, недостаток рабочей паровоздушной смеси (согласно [52], при запуске «работает» не более 8% фракций бензина), не обеспечивающей необходимой мощности рабочего процесса, и именно увеличение количества этой смеси за счёт нагрева и испарения более тяжёлых фракций бензина в гомогенизаторе приводит к получению необходимой энергии для холодного пуска.
Хотя эксперименты показали возможность использования для карбюраторных двигателей в критических ситуациях дополнительную установку в эксплуатации специально отработанной конструкции подогревателя, в целом был сделан вывод о не перспективности подобного и даже более сложного варианта решения, связанного с изменением конструкции впускного коллектора. Это обуславливалось появлением «провалов» при разгоне автомобиля, вызванных, очевидно, дополнительным объёмом подогревателя, а также увеличением выброса углеводородов на обоих контролируемых ГОСТом режимах холостого хода, которые не удавалось нейтрализовать даже усиленным вариантом многоискрового зажигания. Однако следует отметить, что данный подход с разогреваемым гомогенизатором имеет безальтернативную пер 107 спективу при таком в целом представляющимся не очень сложным изменением конструкции впускного коллектора как для карбюраторных, так и для инжекторных двигателей, при котором подогреватель включается только на режимах холодного запуска принудительно. По нашему мнению, это позволило бы значительно расширить рабочий диапазон отрицательных температур и для многих регионов России решить проблему зимнего запуска легковых автомобилей вообще.
Приведённые выше результаты позволили целенаправленно провести основной этап статистических исследований в эксплуатации на парке из 15-ти автомобилей ГАЗ-3110 и «Газель» автокомбината «Мосавтосантранс» по повышению уровня экологической безопасности путём установки многоискровой системы зажигания и последующей регулировки режимов холостого хода Пупіп и оперативной «подгонке» пропускной способности воздушного или топливного жиклёра 1-ой смесительной камеры карбюратора К-151. Результаты этих испытаний приведены в табл. 4.3, а основные графики статистической обработки - на рис. 4.2-
Из данных таблицы можно видеть, что в основном, в 60%, для автомобилей требовалось увеличение диаметра воздушного жиклёра, которое было несложно осуществлять при незначительных разборках двигателя (снятии крышки воздушного фильтра), и в 20% необходимо было выполнить увеличение пропускной способности топливного жиклера для увеличения силы тяги и снижения выбросов СН на режиме ппов, что также не встречало особых затруднений. Из статистических показателей рис. 4.4-4.5 [4] можно видеть, что здесь непосредственно после проведения технологических воздействий для части автомобилей (от 30 до 45%) не удалось получить необходимого уровня снижения выбросов по СН, что объясняется образовавшимся ранее нагаром на днищах поршней и головках цилиндров от не оптимальных режимов горения рабочей смеси. Очевидно, что указанный недостаток не будет иметь места при проведении указанных выше работ непосредственно на новых автомобилях. В тоже время полученные в результате активного статистического эксперимента среднее снижение выбросов по СО и CH (порядка в 2 и 1,5 раза соответственно) показали значительные резервы выбранного нами направления в отношении улучшения экологической безопасности (в сочетании со снижением расхода топлива до 10% и повышением динамики автомобилей), которые с позиций системного подхода [13] можно считать достаточными для получения имеющего практическое значение частного решения. Таким образом, имеющий в подобных исследованиях решающее значение статистический активный эксперимент показал, что в целом поставленные нами задачи исследования были успешно выполнены.