Мониторинг параметров токсичности двигателя и селективное управление функционированием его систем

Актуальность исследований. Автомобильный транспорт занимает лидирующие позиции в грузообороте и пассажирообороте среди других видов транспорта: грузооборот занимает 68 %, пассажирооборот – 72 %. По статистическим данным автопарк легковых автомобилей на территории РФ увеличился на 50 % за недавний период в 10 лет [1, 2]. Челябинск входит в десять региональных центров с самым большим автопарком (около 323 тыс. ед.). В этот же список входят города: Екатеринбург, Новосибирск, Самара, Казань, Нижний Новгород, Омск, Краснодар, Ростов-на-Дону и Воронеж.

Естественно, данный факт не может не сказываться на экологической ситуации города, региона и страны в целом. В настоящее время вопрос экологичности автомобильного транспорта является одним из основных. Современные требования к экологическому классу автотранспорта требуют: для завода-изготовителя на территории РФ производство автомобилей класса не ниже ЕВРО-5, в странах лидерах – не ниже норм ЕВРО-6, которые обязывают современным автомобилям обеспечить снижение величин CO в 2,7 раза, CH – в 2 раза, NOx – в 3 раза. Все эти факторы влияют на экологическое состояние атмосферы, воды и почвы. Ежегодно мировое хозяйство выбрасывает в атмосферу 350 млн т окиси углерода, более 50 млн т различных углеводородов, 150 млн т двуокиси серы. В атмосфере накапливается углекислый газ, уменьшается количество кислорода [3–5].

Таким образом, экологические требования к автомобилю и его двигателю являются на сегодняшний день приоритетными. Экологическая чистота отработавших газов (ОГ) закладывается в конструкцию двигателя и автомобиля в целом при его проектировании, и при эксплуатации автомобиля прогнозируемая характеристика токсичности должна быть на стабильном уровне без каких-либо изменений, что довольно трудно соблюсти при влиянии внешних неучтенных факторов [6–9].

Цель работы: разработка метода диагностирования ДВС по параметрам токсичности отработавших газов на тестовых режимах.

Задачи исследований:

• –    проведение анализа способов и мероприятий по снижению выбросов токсичных компонентов;

• –    анализ теоретических исследований по установлению взаимосвязей между техническим состоянием систем ДВС и параметрами токсичности ДВС;

• –    установление взаимосвязи между количеством отключенных цилиндров и отдельных циклов и мощностью, крутящим моментом и параметрами токсичности ОГ;

• –    разработка методики исследования параметров токсичности ОГ при изменении нагрузоч-

• ных режимов;

• –    проведение экспериментальных исследований и установление взаимосвязи между режимами нагружения и параметрами токсичности при изменении технического состояния систем ДВС;

• –    экономическая оценка разработки метода диагностирования ДВС по токсичности ОГ на

тестовых режимах.

Гипотеза исследований: изменение технического состояния систем ДВС приводит к увеличению токсичности ОГ. При работе одновременно всех цилиндров ДВС невозможно осуществить диагностирование каждого цилиндра. Применение метода тестового нагружения путем полного или частичного отключения цилиндров ДВС позволяет определить вклад в общую токсичность каждого из цилиндров. Объект исследований : процесс выпуска отработавших газов при тестовом нагружении цилиндров ДВС. Предмет исследований : взаимосвязь между степенью отключения цилиндров и циклов с параметрами токсичности ОГ.

Теоретические исследования. Существуют различные методы диагностирования неисправности и способы снижения токсичности ОГ [10–13]. Для достижения минимальных выбросов ОГ были рассмотрены следующие мероприятия: повышение качества изготовления деталей, применение альтернативных видов топлив и присадок, рециркуляция ОГ, разработка малотоксичных рабочих процессов, термическая нейтрализация ОГ, жидкостная нейтрализация ОГ, каталитическая нейтрализация ОГ и отключение части цилиндров и циклов [14, 15].

Степень очистки ОГ определяется [16, 17]:

5 = 1 - exp

-

0,41 al

0,25

Re ef J

,

где 5 - степень очистки ОГ; а - удельная поверхность гранул катализатора, м²/г; l - толщина

слоя катализатора, м; Re ef – эффективное число Рейнольдса. Перепад давления на слое катализатора [16, 17]:

Gal la F2р 2е2 Jrs

где G – массовый расход ОГ, кг/с; F – площадь реактора, м²; ρ – плотность, кг/м³; ε – пористость слоя катализатора; f res – коэффициент сопротивления.

Коэффициент сопротивления можно найти из выражения [16, 17]:

fres

³⁶⁴ + 0,45. Re ef

Эффективное число Рейнольдса составит [16, 17]:

Re ef =

4 G

F ц • a

где μ – динамическая вязкость газа, Па·с.

Для примера рассмотрим влияние на мощность ДВС неудовлетворительного технического состояния системы выпуска ОГ (увеличенное сопротивление в выпускном тракте) по параметру снижения частоты вращения коленчатого вала ДВС [18, 19]:

n prop = n pract ±^A n , (5) где n prop – частота вращения коленчатого вала исправного ДВС (табличное значение), мин^–1; n pract – фактическое значение частоты вращения коленчатого вала неисправного ДВС, мин^–1; ±Δ n – увеличение или уменьшение частоты вращения коленчатого вала ДВС, связанное с неисправностью системы выпуска, мин^–1.

Из представленного выражения (5) видно, что фактическое значение частоты вращения коленчатого вала ДВС n pract при диагностировании отличается от табличного значения n prop на величину Δ n pract . Величина ±Δ n зависит от технического состояния элементов системы выпуска. При исправности элементов системы выпуска n prop = n _pract , что составит из выражения (5) значение n _pract / n prop = 1. При неисправности системы выпуска n _pract / n prop * 1, а значение фактической мощности ДВС будет отличаться от значения мощности исправного (эталонного) ДВС [18–20].

Методика исследований. Для проведения экспериментальных исследований были разработаны приборные и программные средства: догружатель бензиновых двигателей; программное обеспечение с рабочим интерфейсом; набор искусственных сопротивлений; устройство для удержания дроссельной заслонки в фиксированном положении. Кроме того, для осуществления экспериментальной части исследований использовался двигатель ЗМЗ-406, специально подготовленный для комплексных исследований. По смоделированным алгоритмам на нем были установлены следующие неисправности: предельные и промежуточные значения параметров износа цилиндров и электромагнитных форсунок. Так, параметры износа цилиндров, измеренные пневмотестером К-69М, сведены в табл. 1, где У2 – утечка воздуха при положении поршня в верхней мертвой точке (конце такта сжатия); У1 – утечка воздуха при положении поршня в начале такта сжатия. Из представленных в табл. 1 данных видно, что предельное значение ΔУ износа цилиндров наблюдается в 1-м и 3-м цилиндре, значение износа поршневых колец и клапанов наблюдается в 1, 2 и 3-м цилиндре. В ходе комплексных исследований были установлены электромагнитные форсунки с предельными значениями параметров проливки, измеренными на стенде «Форсаж» (табл. 2).

Таблица 1

Параметры износа цилиндров, измеренные пневмотестером К-69М

Показатели	Номер цилиндра
	1	2	3	4
У2	32 %	22 %	29 %	14 %
У1	24 %	18 %	20 %	11 %
ΔУ	8 %	4 %	9 %	3 %

Таблица 2

Параметры проливки форсунок, измеренные на стенде «Форсаж»

Показатели	Номер цилиндра
	1	2	3	4
Пропускная способность, %	0	–3	–6	+6

В 1-м цилиндре (рис. 1) была установлена форсунка с эталонным значением пропускной способности, во 2-м и 3-м – установлены форсунки с заниженной подачей на 3 и 6 % соответственно, в 4-м цилиндре смоделирована максимально увеличенная подача на +6 %.

Разработаны таблицы экспериментальных данных для сопротивлений d = 50 мм, d = 23 мм, d = 15 мм. В качестве режимов нагружения были выбраны следующие значения частоты вращения коленчатого вала двигателя: а) все 4 цилиндра находятся в работе при оборотах 880, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 мин^–1; б) один цилиндр находится в работе при оборотах 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 3700 мин^–1; в) один работающий цилиндр подвергается частичному отключению циклов в соотношении от 1 из 10 до 9 из 10 [19].

Для измерения параметров токсичности ОГ CO, CH, CO 2 , O 2 при установке экспериментальных режимов и сопротивлений в выпускную систему^, применен газоанализатор «Аскон 02.00».

Результаты экспериментальных исследований. На первом этапе были проведены экспериментальные исследования по установлению зависимости изменения концентрации СО (%) в ОГ при варьировании частоты вращения коленчатого вала ДВС (см. рис. 1). Результаты исследований представлены 5 кривыми зависимости со следующими вариантами: а) работают одновременно все цилиндры; б) в работе используется только 1-й цилиндр; в) работает только 2-й цилиндр; г) работает только 3-й цилиндр; д) работает только 4-й цилиндр [21, 22].

Рис. 1. График зависимости изменения концентрации СО (%) в ОГ при варьировании частоты вращения коленчатого вала ДВС n (мин^–1)

Из представленных данных на рис. 1 видно резкое отличие концентрации СО при работе 4-го цилиндра. Превалирующее влияние на рост значений СО в данном цилиндре оказывает установка форсунки с увеличенной на +6 % подачей топлива, что приводит к существенному переобога-щению топливо-воздушной смеси (ТВС). При этом в 4-м цилиндре смоделирован наименьший износ цилиндропоршневой группы (ЦПГ) – утечка заряда из цилиндра составляет 14 %. Кроме того, из общего тренда выделяется рост СО при работе 1-го цилиндра, который особенно заметен при увеличении частоты вращения коленчатого вала ДВС свыше 3000 мин–1. Данный рост объясняется предельным износом ЦПГ данного цилиндра.

На рис. 2 представлена взаимосвязь изменения концентрации СН (млн–1) в ОГ при варьировании частоты вращения коленчатого вала ДВС. Из рис. 2 видно, что значения концентрации СН при одновременной работе всех четырех цилиндров принимает очень значительную величину – более 1000 млн-1. Это объясняется существенным износом ЦПГ отдельных цилиндров: 1-го – 32 %; 2-го – 22 %; 3-го – 29 %; 4-го – 14 %. Особо следует выделить первый цилиндр, с максимальным износом ЦПГ. В точке, соответствующей 3000 мин–1, концентрация СН резко возрастает и достигает значения более 700 млн–1 при 3200 мин–1. Объяснить это можно ростом утечек заряда при увеличении степени загрузки цилиндров (деформация поршневых колец при увеличении давления поршневых газов).

На рис. 3 представлена зависимость изменения концентрации СО 2 (%) в ОГ при варьировании частоты вращения коленчатого вала ДВС.

Как видно из рис. 3, значение концентрации СО 2 имеет средний тренд около 13 % при работе всех четырех цилиндров. В то же время для 2-го и 3-го цилиндров величина СО 2 принимает значение несколько выше 3 % (обе форсунки 2-го и 3-го цилиндров обеспечивают обедненную ТВС, так как их пропускная способность снижена на –3 % и –6 %).

На рис. 4 представлена зависимость изменения концентрации О 2 (%) в ОГ при варьировании частоты вращения коленчатого вала ДВС.

Рис. 2. График зависимости изменения концентрации СН (млн^–1) в ОГ при варьировании частоты вращения коленчатого вала ДВС n (мин^–1)

♦ Работают все цилиндры

—*— 1 цилиндр

—■— 2 цилиндр

^—^^^^—^— 3 цилиндр

—•— 4 цилиндр n (мин–1)

Рис. 3. График зависимости изменения концентрации СО 2 (%) в ОГ при варьировании частоты вращения коленчатого вала ДВС n (мин^–1)

При работе всех четырех цилиндров значение концентрации О 2 достигает максимума при 2000 мин^–1 (6 %) и стремится к минимуму с ростом частоты вращения коленчатого вала ДВС (см. рис. 4). Аналогичную тенденцию снижения концентрации с ростом частоты вращения коленчатого вала ДВС имеют графики отдельных цилиндров. Однако отчетливо видно, что при работе на бедных ТВС для 2-го и 3-го цилиндров концентрация О 2 выше, чем при работе 1-го и 4-го цилиндров, что подтверждает эффективность работы λ-зонда, осуществляющего обратную связь по концентрации О 2 .

Рис. 4. График зависимости изменения концентрации О 2 (%) в ОГ при варьировании частоты вращения коленчатого вала ДВС n (мин^–1)

СО (%)

Рис. 5. График зависимости изменения концентрации СО (%) в ОГ при варьировании частоты вращения коленчатого вала ДВС n (мин^–1) при установке искусственного сопротивления в систему выпуска

Также проводилась имитация искусственного сопротивления путем установки в систему выпуска жиклера с проходным сечением 50 мм. Результаты представлены на рис. 5 в виде зависимости изменения концентрации СО (%) в ОГ при изменении частоты вращения коленчатого вала ДВС. Анализ показывает, что наблюдается явный отрыв значения СО (%) для четвертого цилиндра относительно других, но именно в четвертом цилиндре установлена форсунка с увеличенной на +6 % пропускной способностью. Для первого цилиндра также характерен рост концентрации СО (%) после оборотов 2500 мин–1. Это объясняется предельным износом ЦПГ в указанном цилиндре.

Выводы. При исследовании изменения зависимости концентрации CO в ОГ при варьировании частоты вращения коленчатого вала ДВС по отдельным цилиндрам установлено, что наибольшее превышение концентрации CO составляет при работе 4-го цилиндра, работающего на максимально переобогащенной ТВС (+6 % увеличенная пропускная способность, что составляет 400 % от номинального, т. е. 0,8 % относительно 0,2 %).

При исследовании изменения зависимости концентрации CH в ОГ при варьировании частоты вращения коленчатого вала ДВС по отдельным цилиндрам установлено, что наибольшее прибавление концентрации CH происходит при работе 1-го цилиндра, износ ЦПГ которого принимает максимальное значение – 32 %. В точке, соответствующей оборотам 3000 мин–1, концентрация CH повышается до значения 700 млн–1, что более чем в 3 раза выше номинального значения.

При исследовании изменения зависимости концентрации CO 2 в ОГ при варьировании частоты вращения коленчатого вала ДВС по отдельным цилиндрам установлено, что работа 2-го и 3-го цилиндров с форсунками, имеющими сниженную пропускную способность (–3 % и –6 %), значение CO 2 составляет более 3 %, что относительно номинального значения больше в 2 раза.

При исследовании изменения зависимости концентрации O 2 в ОГ при варьировании частоты вращения коленчатого вала ДВС по отдельным цилиндрам установлено, что при работе 2-го и 3-го цилиндров с форсунками, имеющими сниженную пропускную способность (–3 % и –6 %) концентрация O 2 превышает номинальное значение на 0,8…1 %.

Практическая значимость. Разработаны приборные и программные средства для проведения экспериментальных исследований: прибор – отключатель электромагнитных форсунок; программный модуль с рабочим интерфейсом, позволяющий любой один работающий цилиндр подвергнуть частичному отключению циклов в соотношении от 1 из 10 до 9 из 10; устройство для удержания дроссельной заслонки в фиксированном положении, позволяющее стабилизировать работу ДВС на любой частоте вращения коленчатого вала.

Рекомендации. Исследования показывают, что изменение технического состояния ДВС при эксплуатации таких систем, как система питания, система зажигания, цилиндропоршневая группа, система впуска и выпуска приводит к ухудшению процесса сгорания, росту токсичных компонентов и, как следствие, ведет к ускорению выработки ресурса катализатора. В свою очередь отказ катализатора приведет к несоответствию экологического класса автомобиля установленным нормам ЕВРО, и последующая замена отказавшего элемента не поменяет ситуации, а для устранения первопричины отказа катализатора требуется замена некоторых элементов систем. В связи с этим в процессе эксплуатации ДВС актуальна разработка способов контроля динамики изменения концентрации токсичных компонентов СО, СН, СО₂ и О₂ в отработавших газах, что возможно при использовании портативных газоанализаторов, встроенных в систему выпуска отработавших газов. Работа портативного газоанализатора может быть организована дискретно, в виде тестовых режимов мониторинга параметров токсичности, например, на холостом ходу, в режиме разгона, на постоянных мощностных и нагрузочных режимах, при работе избирательно отдельных цилиндров двигателя.