автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Исследование эксплуатационных методов повышения экологической безопасности российских автомобилей с бензиновыми двигателями

АКСЁНОВ ПЕТР ВАСИЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РОССИЙСКИХ АВТОМОБИЛЕЙ С БЕНЗИНОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Специальность 05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Московский автомобильно-дорожный государственный технический

университет (МАДИ)» на кафедре «Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Болдин Адольф Петрович

Официальные оппоненты: Ерохов Виктор Иванович,

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, ФГБО ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», профессор кафедры «Автомобильные и тракторные двигатели»

Родионов Юрий Владимирович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», профессор кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта», декан, директор автомобильно-дорожного института, почётный работник высшего профессионального образования РФ

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Владимирский

государственный университет»

Защита состоится 16 декабря 2014 г. в 11.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г.Москва, Ленинградский проспект, дом 64.

Телефон для справок: (499) 155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ и на сайте ЬпЬ://та(И.ги.

Автореферат разослан « НОЯБРЯ 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Учёный секретарь диссертационного совета чрСс^и Хазиев А.А.

; госсиискля

I[ОСУДЛРСТВСННАЯ

БИБЛИОТЕКА 3 ____2015_

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 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 грузовых автомобилей с бензиновыми двигателями. Поскольку перспектива замены старых моделей 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 потенциального снижения выбросов оксидов углерода СО и углеводородов С„Нт в трёхкратном размере.

Однако ввиду отсутствия системной проработки реализация последней программы встретила значительные залруднения по причинам: неэффективности работы нейтрализаторов из-за их недогрева (до 400-450°С) 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 снижения выбросов СО - на основе более сложных технологий обслуживания карбюраторных и инжекторных систем питания, в сочетании с использованием более эффективного многоискрового зажигания, 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 проблем. Исследования по поддержанию и повышению в эксплуатации экологической безопасности бензиновых автомобилей 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.НЛуканина, Е.С.Кузнецова, В.А.Корчагина, В.А.Звонова, В.Ф.Кутенёва, В.И.Ерохова, Ю.В.Трофименко, В.В.Донченко, С.Г.Драгомирова, Р.В.Малова, В.И.Сарбаева, и других учёных.

Объектом исследования являлись рыночные варианты систем зажигания и свечей с усиленными функциональными возможностями, в сочетании с использованием специальных добавок в картерное масло для компенсации износа, «активаторами» топлива и гомогенизаторами 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.

Целью диссертационной работы являлось теоретическое обоснование и практическая разработка комплекса эксплуатационных воздействий по повы-

шению экологической безопасности автомобилей с бензиновыми двигателями отечественного производства, до следующего уровня экологического класса.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи исследования:

1. Рассмотреть методические предпосылки и провести экспериментальные исследования по возможностям использования перспективных систем зажигания, 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;

2. Исследовать совместное влияние эксплуатационных воздействий по повышению экологической безопасности и экономичности бензиновых автомобилей на основе активного многофакторного эксперимента;

3. Провести оценку эффективности полученных моделей по улучшению экологического уровня на основе более информативных методов испытаний по «европейскому городскому ездовому циклу» (по массе выбросов в г/км пути);

4. С учётом полученных данных разработать рекомендации по повышению уровней экологической безопасности базовых моделей бензиновых автомобилей в эксплуатации, в том числе соответствующих экологическим классам Евро-2-3.

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 экологических 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.

Практическая ценность 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 5-6° С, а также в возможности полного решения данной проблемы на основе применения гомогенизатора специальной

конструкции с позисторным подогревателем;

- в разработке рекомендаций по техническим воздействиям на бензиновые двигатели с целью повышения их экологической безопасности в эксплуатации по сравнению с уровнем, задаваемого заводом-изготовителем; при этом по выбросам СО и СН для двигателей, работающих без использования трёх-компонентных каталитических нейтрализаторов, данный уровень может достигать экологического класса Евро-2 - 3, а при их наличии - повышаться до следующей ступени экологического класса.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований и разработанные на их основе математические модели, отражающие влияние работы различных систем зажигания, конструкций свечей, гомогенизатора, а1сгиваторов топлива и других фасторов 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 проверка её объективности путём сопоставления с методами испытаний по европейскому городскому ездовому циклу.

Достоверность результатов 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 однофакторными экспериментами на автомобилях российского производства и иномарках.

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 работы. 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.), Х1-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 МАДИ-ГТУ (2007, 2008 и 2010 г.г.), 69-ой, 70-ой и 71-ой научно-исследовательских и научно-методических конференциях МАДИ (2011-2013 г.г.), заседании кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис» МАДИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных ра-

бот, в том числе 5 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, четырех глав, выводов, и библиографического списка, включающего 92 наименования. Общий объём работы - 152 страницы, в том числе 115 страниц основного текста, 29 иллюстраций и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны актуальность и цель исследования, раскрываются научная новизна и практическая ценность, даётся общая характеристика работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе содержится обзор литературных источников, отражающих состояние автотранспортной экологии в передовых зарубежных странах и применительно к специфическим условиям г. Москвы. Отмечено, что на мировом уровне важным дополнительным фактором экологических процессов стало загрязнение атмосферы парниковым газом СО;, однако для Москвы и России в целом указанные процессы значительны ниже западных стран, и с позиций системного подхода ориентация на них не приведёт к какому либо решению проблем экологии. Также для России в силу её климатических условий трудно реализуемыми являются разрабатываемые на западе и в Японии новые конструкции легковых автомобилей с комбинированным (гибридным) приводом с перспективами использования топливных водородных элементов.

В тоже время имеются резервы оперативного повышения как экологических, так и первую очередь экономических показателей уже находящихся в эксплуатации автомобилей бензинового типа, не оборудованных устройствами для удовлетворения требованиям Евро-2 и выше, на основе применения более совершенных (многоискровых) систем зажигания и других устройств (активаторов топлива различного типа), в сочетании с инновационными технологиями обслуживания элементов систем питания, способствующих работе двигателей при улучшенных в экологическом отношении составе выхлопных газов. При этом могут быть достижимы уровни нормативных требований для контролируемых режимов холостого хода, соответствующих применению двухкомпонент-ных каталитических нейтрализаторов, без их установки, что является альтернативным вариантом выполнения решения Московского правительства об оперативном повышении уровня экологической безопасности муниципальных автомобилей с карбюраторными двигателями. В процессе указанных работ также должно обращаться внимание на улучшение процессов холодного запуска двигателя (расширение диапазона отрицательных температур).

Сформулированные цели и задачи исследования приведены на стр. 4.

Во второй главе рассмотрены наиболее существенные направления решения сформулированных задач исследования в отношении систем зажигания, систем питания, применения активаторов топлива, и других факторов. Прежде всего для карбюраторных двигателей стало возможным перейти от контактных к бесконтактным многоискрового типа, практически исключающих пропуски искрообразования за счет увеличенной фазы процесса и стабильности энерге-

тических показателей. Правомерность такого подхода была выявлена в лаборатории кампании Nissan Motor Co., Ltd., где исследовалось влияние на экономические и экологические показатели работы бензинового двигателя увеличенной в 2...5 раз длительности искрового разряда при значительном обеднении смеси (до значений коэффициента избытка воздуха а = 1,4), при котором уже имеет место не только практически полное отсутствие СО и СН в отработавших газах, но и существенное сокращение образования NOx. Фирмой Крайслер еще в 1976 году была показана возможность работы автомобиля без сложных нейтрализаторов NOx ПРИ сгорании чрезмерно обеднённых смесей (при а > 1,2).

Работа с подобными устройствами, оперативно устанавливаемых в эксплуатации, требует внедрения новых более сложных технологий по обслуживанию и регулировке элементов карбюратора для получения необходимого обеднения смеси. Многочисленными исследованиями установлено, что порядка 89% времени автомобиль в эксплуатации работает на 1-ой камере (при разрежении порядка 40 кПа), и именно его обеспечение необходимым качеством смесеобразования позволит реально получить как повышение экономичности, так и снижение выбросов загрязняющих веществ. В эксплуатации под воздействием внешних факторов происходит рассогласование рациональных процессов, установленных заводом-изготовителем для усреднённых условий, в сторону обогащения из-за: накопления нагара, снижения герметичности надпоршне-вого пространства, ухудшения состояния систем зажигания, и т. д. При этом общий «разброс» подобного обогащения может достигать существенных величин и обуславливать целесообразность введения более сложных технологий по обслуживанию карбюраторов, основанных на принципах индивидуального подбора степени обогащения смеси снижением (или повышением) пропускной способности топливного (или воздушного) жиклёра 1-ой смесеобразовательной камеры.

Однако чисто механическое выполнение данной технологии, индивидуально контролируемое по содержаниям СО на режиме п^ до получения значений < 0,7%, соответствующих применению двухкомпонентных каталитических нейтрализаторов, для обычного автомобиля в большинстве случаев может привести к недопустимому снижению его динамики, при одновременном существенном превышении содержания СН за граничный диапазон норматива. Как показывали специальные исследования, выполненные в МАДИ к.т.н. Л.М.Матюхиным, полного испарения жидкого топлива на практике не происходит ввиду малого времени процесса, при которой только наиболее лёгкие фракции бензина успевают перейти в паровоздушную фазу, а более тяжёлые -остаются в виде капель (порядка 18-20%) и в виде плёнки на поверхности стенок впускного коллектора (20-22%). В целом на указанные режимы приходится около 90% времени эксплуатации легковых автомобилей. Исследования, выполненные в ВлГУ д.т.н. С.Г.Драгомировым, установили наличие плёнки и при инжекторном впрыске. Наиболее эффективным способом сокращения интенсивности образования плёнки и капельного тумана считается (при использовании карбюратора) подогрев воздуха (до 14 и 7% соответственно), а усиление

при этом гомогенизации паровоздушной смеси снижает неравномерность её поступления в отдельные цилиндры, которая при избыточном обеднении приводит к пропускам воспламенения. Исследования ВлГУ в частности показали, что применение позисторного подогревателя специальной конструкции, располагаемого под дроссельной заслонкой, позволяло улучшить пусковые качества двигателя и снизить выбросы на режиме пт1п по СО и СН, эквивалентные применению двухкомпонентных каталитических нейтрализаторов.

Требовали исследований и другие подходы оперативного повышения уровня экологической безопасности бензиновых автомобилей, не оборудованных каталитическими нейтрализаторами. К ним относилось применение активаторов топлива, преобразующих его тяжёлые фракции в более лёгкие для их лучшего сгорания. В частности, каталитический активатор УПТ-4, изготовленный в соответствии с ТУ У 19235220-99, обеспечивал разрыв длинных углеводородных цепей, появляющихся при первичном крекинге нефти, способствуя изменению элементного состава, в процессе которого пентагектан СдН^о превращался в конечном счёте в смесь неопентана С5Н12 и изобутана С4Ню. Согласно рекламе, применение активатора обеспечивало снижение токсичности отработавших газов (для автомобилей класса Евро-2) до уровня Евро-3, повышение и выравнивание компрессии по цилиндрам, увеличение мощности двигателя на 10% и снижение расхода топлива на 10. ..20%.

Отсюда очевидно, что повышение экологической безопасности бензиновых автомобилей в эксплуатации целесообразно добиваться на основе одновременного использования нескольких различных по физической природе воздействий (конструкций систем зажигания, активаторов топлива, регулировки процессов образования состава рабочей смеси), что требует определённой специфики проведения экспериментальных исследований. Известно, что в подобных ситуациях наиболее эффективным является проведение так называемого активного многофакторного эксперимента на основе модели «чёрного ящика», при котором изменяя параметры входа и «прослеживая» соответствующее им изменения параметров выхода, можно решить поставленную задачу повышения эффективности работы системы. Существенное упрощение процесса исследований в целом здесь может быть достигнуто на основе применения современных программ обработки данных, таких как STATISTICA в среде WINDOWS.

В третьей главе обосновываются основные объекты и особенности различных методик исследования применительно к специфике работы карбюраторных и инжекторных автомобилей. Отмечена возможность существенного повышения эффективности искрообразования за счёт перехода на бесконтактные многоискровые системы зажигания. На «рынке» к этому времени уже имелись различные дополнительные устройства к классическим системам (в виде небольших электронных блоков), снижающие расход топлива в сочетании с облегчением «запуска» холодного двигателя при отрицательных температурах воздуха, по которым также рекламировалось улучшение экологических показателей, не подтвержденное достаточно представительными исследованиями. В частности, бесконтактное зажигание Московского завода АТЭ-2 на основе дат-

чика Холла можно было устанавливать на любые отечественные карбюраторные автомобили, но при условии замены прерывателя-распределителя. Аналогичным являлось зажигание завода «Искра», позволяющего использовать мо-дернизированую катушку зажигания сухого типа, увеличивающую мощность искры порядка в 1,5 раза. По сравнению с отмеченными вариантами несомненными преимуществами многоискрового (тиристорно-импульсного) зажигания московского изобретателя С.М.Маловичко явлались: его независимая параллельная установка и лёгкость возврата к старой системе зажигания в случае отказа многоискровой; резкое улучшение качества запуска холодного двигателя при отрицательных температурах; предполагаемое снижение выбросов СО на режимах х.х. (В частности, специальные стендовые испытания показали расширение диапазон устойчивого поджига смеси в обе стороны по коэффициенту избытка воздуха, с 0,8... 1,15 до 0,65... 1,35).

Для повышения уровня комплексных исследований по оценке экологической безопасности автомобилей в эксплуатации дополнительно с параметрами контроля содержания СО и СН на режимах nmi„ и ппов, установленные ГОСТом Р 52033-2003, использовался разработанный под руководством проф. 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). При этом появлялась возможность дополнительно исследовать экологические показатели на частично нагруженных режимах, в том числе и по выбросам NOx, не предусмотренные ГОСТом Р 52033-2003. Указанный метод мог быть реализован на автокомбинате «Мосавтосантранс», который имел необходимое оборудование.

Другим важным объектом исследования являлись типы и конструкции свечей зажигания, различные «нестандартные» варианты которых были представлены на рынке (порядка 12-ти вариантов). Наиболее перспективными представлялись свечи со скользящим разрядом, разработанные в МАМИ под руководством д.т.н., проф. ИЛ.Райкова, которые имели наименьшее перекрытие доступа рабочей смеси в зону искрового разряда и более низкое пробивное напряжение. (Аналогичные характеристики имела опытная партия свечей LR15ZC фирмы BRISK). Исследовались и трёхэлектродные свечи Bosh.

В целом особенностью данных исследований являлась необходимость изучения большого количества различных устройств, которые могут способствовать повышению экологических показателей бензиновых автомобилей, уже находящихся в эксплуатации, в первую очередь до уровня требований, соответствующих применению двухкомпонентных нейтрализаторов (ГОСТ Р 520332003 ). Они потребовали разработки и специфического подхода к организации и проведению экспериментальных исследований, конечной задачей которых являлось получение ранжирования многофакторных комплексных воздействий на экологию по автомобилям ГАЗ-3110, Газель, Соболь и ИЖ автокомбината.

На всех этапах исследования использовались пятиканальные газоанализаторы (с возможностью анализа NOx) повышенной точности, такие как G-750 итальянского производства, и модели INFRALIGHT ИР российского производства (организация ЭКО-ИМТЕХ). Как показали исследования, именно до-

полнительное использование недогруженных беговых барабанов в сочетании с пятиканальными газоанализаторами позволило исключить более сложные эксперименты с оценками экологических показателей в процессе движения.

Важнейшей составной частью данных исследований являлось выявление возможного изменения экономичности работы автомобилей при использовании различных устройств, ибо именно это в первую очередь могло стимулировать их практическое применение. Объективная оценка экономичности прежде всего была необходима при проведении стендовых испытаний на ненагруженных беговых барабанах, на которых выполнялась основная работа по улучшению экологических показателей. Однако эта оценка осложнялась при проведении дорожных испытаний на экономичность, которые являлись наиболее трудоемкими при реализации активных многофакторных экспериментов. Для этого была отработана методика испытаний по принципу условного городского цикла движения легкового автомобиля, основанная на 3-5 повторах замкнутого маршрута со скоростью не более 60 км/ч по улицам Москвы, общей протяжённостью порядка 10-12 км. При этом использовался импульсный турбинный датчик объёмного типа высокой дискретности (Курский комплект приборов для бортового диагностирования автомобилей ВАЗ), а при снижении расходов достаточная точность обеспечивалась применением объёмного расходомера.

Описанные выше методики испытаний на экологические и экономические показатели были апробированы на 1-ом этапе исследований, задачей которого являлось исключение из большого количества исходных несущественных факторов для последующих многофакторных экспериментов. Так, на примере нового и прошедшего обкатку автомобиля ВАЗ-2107 со стандартными свечами было установлено, что применение многоискрового зажигания, в сочетании с подбором пропускной способности топливного жиклёра первой смесительной камеры карбюратора, позволяло легко уложиться в более жёсткие экологические нормативы для автомобилей с двухкомпонентными каталитическими нейтрализаторами (без установки последних), т.е. достигать поставленную цель исследования. Также была подтверждена эффективность применения противо-износной тефнолирующей нанодобавки Forum" в работающее картерное масло для снижения расхода топлива.

Успешное выполнение указанных работ позволило рационально скорректировать активные эксперименты 2-го этапа , где в качестве факторов использовались уже все значащие варианты эксплуатационных воздействий.

В четвертой главе показаны основные результаты многофакторных активных экспериментов по различным вариантам применения эксплуатационных комбинаций устройств. При этом активными (входными) факторами являлись: многоискровые тиристо-импульсные системы зажигания, сравниваемые с устройствами систем зажигания завода «Искра»; беззазорные свечи со скользящей искрой разработки МАМИ; гомогенизатор с позисторным подогревателем разработки МАДИ; каталитический активатор топлива УПТ-4 совместной украинско-российской разработки. Выходными факторами являлись: содержания СО и СН в выхлопных газах автомобиля на номинальных птШ и повышен-

ных ппов частотах вращения коленчатого вала в режиме х.х.; расход топлива в условном городском цикле движения. Основные объёмы исследований были выполнены на специально оборудованном автомобиле с двигателем М-412, на котором было удобно оперативно устанавливать и переключать параллельно смонтированные системы зажигания, различные модели карбюраторов, гомогенизатор, каталитический активатор топлива. При этом достаточно сложный план 3-х факторных дорожных испытаний на топливную экономичность удавалось реализовывать за одну рабочую смену.

Так, эксперимент с многоискровым зажиганием (фактор Х|), беззазорными свечами МАМИ (фактор Х2) и гомогенизатором МАДИ (фактор Х3) выявили положительное влияние на снижение расхода топлива многоискрового зажигания и гомогенизатора, как это предполагалось в разделах П-ой главы. Полученная модель для условного городского цикла имеет вид:

С^р = 8,9-0,35-Х,-0,5-Х2-0,24 -Х3 + 0,48-Х,-Х2, л/100 км, (1) при котором влияние работы свечей практически «скрадывается» эффектом их взаимодействия Х|-Х2 с системой зажигания. Свечи со скользящим разрядом в целом благоприятно влияли на снижение выбросов СО на всех режимах работы (регулировка карбюратора в опытах не изменялась), и частично компенсировали увеличение СН на повышенной частоте вращения коленчатого вала, связанного с увеличением сгоревшего топлива:

СНП0, = 139+42-Х,-20-Х2+26-Хз-6-Х,-Х2+5-Х,-Хз-12-Х2-Хз, млн1. (2)

С другой стороны, при дорожных испытаниях был отмечен факт снижения динамики разгон автомобиля из-за дополнительнго объёма гомогенизатора. В то же время комбинация из усиленного варианта многоискрового зажигания и гомогенизатора, позволила провести успешный эксперимент по облегчению запуска холодного двигателя в условиях низких отрицательных температур, где решающее значение имел подогрев функционального объёма гомогенизатора позисторным подогревателем (до 135°С), разработанным во ФГУП НИИАЭ. При этом разогрев гомогенизатора проводился в течение 7... 10 минут и практически не приводил к разрядке аккумуляторной батареи, а диапазон устойчивого запуска двигателя снижался на 6-8°С ниже уровня, рекомендуемого заводом-изготовителем, за счёт сгорания более тяжёлых фракций дополнительно испаряющегося топлива. По нашему мнению, с учётом специфики климата России, данный подход целесообразно реализовать автопроизводителями для облегчения холодного запуска двигателей с инжекторным впрыском.

Накопленные предварительные данные позволили провести важный этап производственых статистических исследований на парке из 15-ти автомобилей «Газель» автокомбината «Мосавтосантранс» по повышению уровня их экологической безопасности путём установки многоискровой системы зажигания, и «подгонке» пропускной способности жиклёров 1-ой смесительной камеры карбюратора. Было выявлено, что примерно в 60% случаев для автомобилей требовалось увеличение диаметра воздушного жиклёра, которое было несложно осуществлять при незначительных разборках двигателя, и в 20% необходимо было выполнить увеличение пропускной способности топливного жиклера для

0,6 1,0 1,4 1,» 2,2 Содержание СО, W^

увеличения силы тяги и снижения выбросов СН на режиме ппов . Однако из статистических показателей рис. I можно видеть, что при таком «прямом» подходе для части автомобилей (от 30 до 45%) не удалось получить необходимого уровня снижения выбросов по СН, особенно на режимах ппов, что объясняется образовавшимся ранее нагаром на днищах поршней и головках цилиндров от нарушений смесеобразования. Очевидно, что указанный недостаток не должен иметь места при проведении указанных выше работ непосредственно на новых автомобилях, а также после проведении специальных эксплуатационных работ по восстановлению состояния цилиндро-поршневой группы. В тоже время полученные в результате эксперимента среднее снижение выбросов по СО и СН (порядка в 2 и 1,5 раза) показали значительные резервы выбранного нами направления в отношении улучшения экологической безопасности (в сочетании

со снижением расхода топлива до 10% и повышением динамики автомобилей), которые можно считать достаточными для практики.

Табл. 1 содержит обобщение всех результатов активных многофакторных экспериментов (по 25 полученным моделям вида (1)-(2)), дающих полное представление о возможных путях решения поставленной нами цели для бензиновых двигателей. В основу её создания положен принцип ранжирование всех факторов влияния на показатели экологической безопасности (по ГОСТ Р 52033-2003) и топливной экономичности в условиях упрощённого городского цикла движения. При этом из полученных моделей сначала рассчитывался исходный уровень показателя при отсутствии факторов влияния (все Xi принимались равными «-1»), а затем изменение уровня для определённого фактора влияния, значение которого принималось равным «+1». Величина изменения переводилась в %% от исходного уровня, и отражалась со знаком «+» (при влиянии, улучшающем значение показателя), и со знаком «-» (при ухудшении значения показателя). При этом была получена удобная для визуального анализа структура комплексного отображения выходных результатов, аналогичная их представлениям в виде так называемых диаграмм Парето, рекомендуемых международной программой БТАТ^ПСА. Кроме того, указанная программа

ЭпрИ) ш

Щ . 450

ж т ш Ш7Л

1

1 7Г<

ш 1 7А 77, 77>

СНГ»Й

" 100 200 300 400 600 600

Содержание СН, млн"1 Рис. 1. Статистика именем« экологически! показателей на повышенных частота» вращения коленчатого вала двигателя в режиме хх для автоиобилей ГАМ110 до (1) и после (2)установки многаискровых систем зажигания и регулировки содержания СО подгонкой жиклеров 1 ой камеры в диапазон 0,5-0,8%

позволила нам «синтезировать» недостающий в информационном отношении 4-х факторный эксперимент (блок V), который к моменту понимания этой проблемы было уже провести невозможно.

Данные таблицы показывают, что улучшение экономических показателей, как правило, приводит к определённому и даже значительному ухудшению эко-

Таблица 1.

Ранжирование факторов влияния (в %% от исходного состояния; (+) - положительное влияние, (-) - отрицательное влияние) на экологические и экономические показатели работы бензинового автомобиля с двигателем М-412:1-IV -

3-х факторные полные активные эксперименты с 8(16) опытами; V - условный

4-х факторный усечённый активный эксперимент с 12(24) опытами, получен-

Показатели по экологии и экономичности

Варианты оборудования двигателя при проведении активного эксперимента comin CHmjn СО™. СНпов. Расход топлива в городском режиме

1. Бесконтактное зажигание авто-

I мобиля ГАЗ-3110 - многоискровое зажигание. -2,3 -15 + 16 - 110 + 16

2. Стандартные свечи А17Д - без-

зазорные свечи со скользящим разрядом МАМИ. 3. Гомогенизатор МАДИ. + 18 + 27 -4 + 14 0 + 58 + 15 - 85 + 19 + 4,5

II 1. Бесконтактное зажигание «Искра» - многоискровое зажигание. 2. Стандартные свечи А17Д -тр£хэлектродные свечи Bosh с пла- -5,5 - 11 + 14 + 37 -60 + 39 + 37 + 16 + 16 + 7

тиновым покрытием электродов. 3.. Гомогенизатор МАДИ. 0 -240 + 38 -170 + 4,5

III 1.. Бесконтактное зажигание «Искра» - многоискровое зажигание. 2. Стандартные свечи А17Д - беззазорные свечи МАМИ. 3. Каталитический активатор топлива. + 52 -39 + 16 -52 + 17 -68 + 34 -3,5 -23 -20 -40 -20 + 8 + 18,5 + 17

IV 1". Бесконтактное зажигание «Искра» - многоискровое зажигание. 2 . Стандартные свечи А17Д - беззазорные свечи МАМИ. 3 . Гомогенизатор (МАДИ). 'При работающем активаторе то пл. + 12 + 15 -50 -16 -9 -50 + 28 0 -31 -37 -28 -124 +10 +15 +4,6

V 1. Бесконтактное зажигание «Искра» - многоискровое зажигание. 2. Стандартные свечи А17Д - беззазорные свечи МАМИ. 3. Каталитический активатор топлива. + 23 -20 - 117 0 + 40 -7 -42 -71 +8,8 +15

+ 15 -150 -22 -19 +13,5

4. Гомогенизатор МАДИ. -45 -75 - 17 - 138 +7

логических, особенно при установке каталитического активатора и гомогенизатора топливно-воздушной смеси, и здесь необходимы дополнительные компенсаторы, успешных разработок в России не было. Решение последней задачи могло быть облегчено за счёт разработки более сложных методов оценки уровня экологической безопасности автомобилей в эксплуатации, в частности для автомобилей с трёхкомпонентными нейтразизаторами, которыми оснащался парк предприятия. В основу этой методики был положен европейский городской ездовой цикл, по которому оценивались масса выбросов СО, СН и NOx в г/км пробега при движении автомобиля с определенной нагрузкой с последовательными скоростями 15, 30 и 50 км/ч. Диагностическую информацию об этих выбросах можно получить путём определённого перерасчёта данных о содержании вредных веществ в выхлопных газах при испытании автомобиля на не-нагруженных беговых барабанах (методика перерасчета разработана под руководством проф. А.П.Болдина аспирантом МАДИ З.З.Имаевым). Обработка ранее полученных в автокомбинате «Мосавтосантранс» данных о выбросах на этих режимах (рис. 2) указывает на возможность устойчивого распознавания этого соответствия даже при использовании в качестве диагностических нормативов показателей экологических классов Евро-2 и Евро-3, и существенную весомость эксплуатационных работ по улучшению экологической безопасности карбюраторных двигателей.

Обобщение описанных выше экспериментальных исследований показывает, что не смотря на хорошие показатели от применения отдельных методов, общий устойчивый эффект повышения в эксплуатации уровня экологической безопасности (в сочетании с экономией топлива) может быть достигнут только

Рис. 2. Гистограммы, отражающие эксплуатационный разброс значений выбросов вредных веществ в г/км пробега по европейскому городскому ездоюму циклу для карбюраторных автомобилей ГШНО, в сравнении с выбросами автомобиля аналогичной массы жологического класса ЕВРО-2:

1 • закон распределения для условно 'исправного' состояния;

2 • интегральная кривая для всей выборки;

А • диапазон технологически допустимых значений для условно "исправного'состояния.

на основе комплексных решений. Прежде всего необходимо улучшение состояния цилиндро-поршневой группы двигателя с повышением её ресурса. Экспериментально показано (табл. 2), что выявление потери герметичности ЦПГ путём компрессорно-вакуумной диагностики, и устранение неисправностей (путём раскоксовки колец и промывки двигателя быстродействующим составом ЛАВР, с последующей заменой масла с размешиванием в нем тефлонирующей нанодобавки Forum1* для снижения негативных последствий износа) позволяет решить указанную задачу, доводя уровень экологии для карбюраторных двигателей до соответствия применения двухкомпонентных каталитических нейтрализаторов, а для инжекторных - стандарта Евро-2.

Табл. 2.

Изменение показателей экологической безопасности двигателей ГАЗ по

ГОСТ Р 52033-2003 до и после восстановления состояния ЦПГ

Карбюраторный двигатель 40210D Инжекторный двигатель 40621

Исходное состояние

"т/л "лот Я min "нов

СО, %% 3,2 2,53 0,96 0,58

СН, млн'1 1040 450 356 288

Состояние после раскосовки колец, использования тефлонирующей нанодобавки Forum* и установки многоискровых блоков зажигания

СО, %% 0,87 0,58 0,44 0,28

СИ, млн"1 386 164 90 80

Выявленные возможности повышения экологических и экономических показателей работы бензиновых автомобилей, не имеющих систем очистки отработавших газов, применительно к последним моделям инжекторных двигателей с трёхкомпонентными каталитическими нейтрализаторами (например, для автомобиля ВАЗ-210740) требовали самостоятельного исследования для обоснования технологических рекомендаций для практики. Спецификой данных исследований являлось комплексное применение упрощённой методики испытания автомобиля на экологическую безопасность по «европейскому городскому ездовому циклу», в сочетании с экспресс-методом оценки экономичности на беговых барабанах по показаниям штатного или оперативно устанавливаемого на автомобиль маршрутного компьютера типа МикИгошсз. При этом (табл. 3) дополнительно использовались предложенные нами свечи «Шаровая молния» с соплом Лаваля, облегчающие зимний запуск холодного двигателя, которые одновременно показали существенное улучшение экологии (в 1,5 раза) по выбросам наиболее токсичного элемента МО\.

Однако для этих свечей было отмечено повышение расхода топлива (на 8%), для компенсации которого использовался энерго-информационный преобразователь топлива, разработанный под руководством доктора философии, генерального директора научно-исследовательского предприятия энергоинформационных процессов «ЭЛЕКТРОНЪ» М.И.Горшкова (зарегистрировано в России как открытие № 000374). Эффективность этого преобразователя по экономии топлива составила порядка 20% для карбюраторного и 10% для инжектор-

Табл. 3.

Результаты улучшения показателей работы автомобиля ВАЗ-210740 экологического класса Евро-3, полученные на основе применения упрощённой методики стендовых испытаний легкового автомобиля на экологические и экономические показатели.

Исследуемая комплектация двигателя и автомобиля Обобщённые экологические и экономические показатели работы легкового автомобиля при стендовых испытаниях

СО % CHmjn, млн"1 СО, г /км СН, г /км NO„ г /км Qso, л/100 км

1. Исходное состояние с нейтрализатором 0,06 24 0,64 0,11 0,45 4,55

2. Исходное состояние без нейтрализатора 0,40 104 2,12 0,35 3,72 4,62

3. Свечи «Шар.молн.», без нейтрал., энерго-информ. преобразователь топлива 0,49 92 2,77 0,35 1,96 4,30

4. Свечи «Шар.молния», с нейтрализатором., энергоинформационный преобразователь топлива 0,00 8 0,12 0,01 0,16 4,33

ного двигателей. Его стендовые исследования (при включённом и отключённом нейтрализаторе) дополнительно выявили усиление эффективности работы последнего, эквивалентное улучшению экологии на один класс стандарта Евро.

На рис. 3 представлен запатентованный исследовательский вариант свечи «Шаровая молния», который в силу конструкции имеет повышенную долговечность, и в 1,5-2 раза меньшую величину пробивного напряжения при некотором повышении напряжения горения искры. Тестовые испытания этих свечей на экологические показатели свидетельствовали о более чем двукратном снижении массовых выбросов по окислам азота NOx, и порядка 1,5-кратном снижении выбросов по СО и СН, в том числе и на режимах ГОСТ Р 52033-2003.

Экономичность автомобиля (по условному городскому циклу) при этом ухудшалась на 4-6%, при некотором повышении динамики, что приемлемо для эксплуатации. Следует добавить, что европейские автопроизводители постоянно занимаются проблемами снижения выбросов основных токсичных компонентов за счёт совершенствования рабочих процессов двигателя. Несо-Рис. 3. Факельно-форкамерный) мненно это связано с задачами существен-вариант свечи «Шаровая молния». Ного повышения ресурсов работы каталитических нейтрализаторов, основой которых является использование дефицитной платины. Для , фирмой BMW после 10-летних исследований разработана достаточно сложная система электромеханического привода клапанов, позволяющая на 40% снижать выбросы СО и СН, и на 60% выбросы NOx. Эти результаты сопоставимы с полученными нами более простым путём показателями.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Поставленная на региональном уровне Московским правительством социальная задача ускоренного повышения уровня экологической безопасности старых моделей бензиновых автомобилей, эксплуатирующихся в ГУП, путём их оперативного дооснащения двухкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, могла быть только частично реализована в российском климате.

2. Анализ методических предпосылок показал возможность альтернативных методов решения данной задачи на основе использования комплекса технических воздействий, включающих в себя: более совершенные системы зажигания; предварительную подготовку топливовоздушной смеси в направлении обеспечения её гомогенизации во впускном коллекторе; использование активаторов топлива, повышающих эффективность его сгорания.

3. Предварительные однофакторные активные эксперименты показали принципиальную возможность альтернативного решения задачи ускоренного повышение уровня экологической безопасности бензиновых автомобилей отечественного производства, до уровня, соответствующего по ГОСТ Р 52033-2003 их работе с двухкомпонентными каталитическими нейтрализаторами (без установки последних). Наиболее просто это достигается применением многоискрового тиристорно-импульсного зажигания и свечей нестандартной конструкции.

4. Дополнительные испытания гомогенизатора специальной конструкции показали полезность его использования только на режиме зимнего запуска бензинового, особенного карбюраторного, двигателя (при снижении температуры устойчивого запуска не менее чем на 6°), и нежелательность постоянного применения ввиду увеличения содержания углеводородов СцНм на режимах х.х.

5. На основе активных 3-х и 4-х факторных экспериментов установлено в основном отрицательное влияние применения каталитического активатора топлива и гомогенизатора на изменения содержания выбросов СО и особенно СН при эксплуатационном контроле на режимах ГОСТа Р 52033-2003, при значительном (до 15-17%) повышении экономичности. Однако эти недостатки возможно компенсировать дополнительными техническими воздействиями.

6. С целью повышения объективности конечных результатов по повышению экологической безопасности базовых моделей бензиновых двигателей, в том числе оснащённых трёхкомпонентными нейтрализаторами, при технических воздействиях, была разработана и широко апробирована не применяемая ранее методика сравнительных упрощённых испытаний автомобилей на изменение экономических и экологических показателей, с оценкой выбросов вредных веществ в г/км пробега на основе европейского городского ездового цикла.

7. На основе системного обобщения проведённых исследований теоретически обоснована и апробирована комплексная методика повышения уровня экологической безопасности легковых автомобилей российского производства, обеспечивающая в первую очередь для карбюраторных и инжекторных двигателей, не оснащённых трёхкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, соответствия по выбросам СО и СН экологическим классам Евро-2 - 3, а при их наличии - улучшение до следующей ступени экологического класса.

Основные положения работы отражены в следующих публикациях:

в рецензируемых научных изданиях:

1. Аксёнов, П.В. Использование упрощённой методики испытания по европейскому городскому ездовому циклу для диагностирования автомобилей скорой медицинской помощи моделей «ГАЗ», соответствующих стандартам Евро-2, -3 / П.В.Аксёнов, А.П.Болдин // Журнал «Автотранспортное предприятие». - 2010, № 7. - С. 51-53.

2. Аксёнов, П.В. Улучшение экономических и экологических показателей работы автомобильных бензиновых двигателей в эксплуатации / П.В.Аксёнов, А.П.Болдин // Журнал «Автотранспортное предприятие».— 2011, № 9. - С. 4952.

3. Аксёнов, П.В. Эксплуатационные возможности повышения эффективности работы бензиновых двигателей автомобилей экологического класса Евро-3 / А.П.Болдин, П.В.Аксёнов, Н.М.Котов II Журнал «Автотранспортное предприятие». - 2012, № 4. - С. 53-56.

4. Аксёнов, П.В. Эксплуатационные возможности форкамерной системы зажигания «Шаровая молния / Н.М.Котов, А.П.Болдин, П.В.Аксёнов, М.В.Рыжов //Журнал «Двигатель»,- 2012, №4,- С. 63.

5. Аксёнов, П.В. Эксплуатационные возможности улучшения надёжностных, экономических и экологических показателей работы бензиновых двигателей / А.П.Болдин, П.В.Аксёнов // Журнал «Грузовик». - 2013, № 2. - С. 16-19.

в других изданиях:

6. Аксёнов, П.В. Повышение экономических и экологических показателей карбюраторных легковых автомобилей в эксплуатации на основе использования многоискровых систем зажигания / А.П.Болдин, П.В.Аксёнов, К.И.Кузнецов // Актуальные проблемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств: Материалы X Междунар. науч.-практ. конф. Владим. гос. у-т. - Владимир, 2004. - С. 54-58.

7. Аксёнов, П.В. Альтернативный вариант повышения экологической безопасности карбюраторных автомобилей в эксплуатации на основе удовлетворения нормативам работы систем холостого хода для двухкомпонентных нейтрализаторов / А.П.Болдин, П.В.Аксёнов // Журнал «Автотранспортное предприятие». - 2004, № 4. - С. 21-23.

8. Аксёнов, П.В. Использование «ездовых циклов» для проверки объективности методов эксплуатационного контроля уровня экологической безопасности автомобилей с бензиновыми двигателями / А.П.Болдин, П.В.Аксёнов // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей: Материалы X Междунар. науч.-практ. конф. Владим. гос. у-т. -Владимир, 27-29 июня 2005 г.-С. 121.

9. Аксёнов, П.В. Перспективы использования многоискрового зажигания и каталитических активаторов топлива, в сочетании с комплексным диагностированием автомобилей на основе имитации «ездовых циклов», для повышения уровня их экологичности / П.В.Аксёнов, А.П.Болдин, З.З.Имаев // В кн.: «Проблемы технической эксплуатации и автосервиса подвижного состава

бильного транспорта». Материалы 65-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ(ГТУ). - МАДИ, 2007 г. - с. 110-119.

10. Аксёнов, П.В. Использование «ездовых циклов» для проверки эффективности методов эксплуатационного контроля уровней экологической безопасности автомобилей с бензиновыми двигателями / А.П.Болдин, П.В.Аксёнов // В кн.: «Проблемы технической эксплуатации и автосервиса подвижного состава автомобильного транспорта». Материалы 66-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ(ГТУ). - МАДИ, 2008 г. - с. 34-39.

11. Аксёнов, П.В. Возможности диагностирования автомобилей с бензиновыми двигателями стандарта Евро-2-3 автозавода ГАЗ в эксплуатации с применением упрощённой методики испытания по европейскому ездовому циклу городского типа / А.П.Болдин, З.З.Имаев, П.В.Аксёнов // В кн.: «Проблемы технической эксплуатации и автосервиса подвижного состава автомобильного транспорта». Материалы 68-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ(ГТУ). - МАДИ, 2010 г. - с. 50-55.

12. Аксёнов, П.В. Эксплуатационные методы улучшения показателей работы автомобильных бензиновых двигателей / А.П.Болдин, П.В.Аксёнов, Н.М.Котов // В кн.: «Проблемы технической эксплуатации и автосервиса подвижного состава автомобильного транспорта». Материалы 69-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ. - МАДИ, 2011 г.-с. 22-29.

13. Аксёнов, П.В. Повышение эффективности работы бензиновых двигателей автомобилей ВАЗ экологического класса Евро-3 в эксплуатации / А.П.Болдин, П.В.Аксёнов, Н.М.Котов // В кн.: «Проблемы технической эксплуатации и автосервиса подвижного состава автомобильного транспорта». Материалы 70-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ. - МАДИ, 2012 г. - с. 29-37.

14. Аксёнов, П.В. Использование упрощённой методики испытания бензинового автомобиля на экологическую безопасность для отработки перспективных конструкций свечей и других элементов систем зажигания, используемых для улучшения эксплуатационных свойств автомобиля / А.П.Болдин, П.В.Аксёнов, Н.М.Котов // В кн.: «Проблемы технической эксплуатации и автосервиса подвижного состава автомобильного транспорта». Материалы 71-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ. -МАДИ, 2013 г.-с. 20-24.

патенты:

15. Патент на полезную модель № 97869, МПК Н01Т 13/46. Свеча зажигания «Шаровая молния» для двигателей внутреннего сгорания / Котов, Н.М., Аксёнов, П.В.; приоритет полезной модели от 12 мая 2010 г.

16. Патент на полезную модель № 98481, МПК F02B 19/18. Форкамерное устройство «Шаровая молния» для двигателей внутреннего сгорания / Котов, Н.М., Аксёнов, П.В.; приоритет полезной модели от 12 мая 2010 г.

15-367

Подписано в печать: 10.10.2014 Тираж: 100 экз. Заказ № 1198 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект, д. 74 (495)790-47-77; www.reglet.ru

2014

250

2014250094