Методика диагностирования эколого-технических показателей дизельных двигателей транспортных средств по составу отработавших газов

В Российской Федерации к 1 июля 2005 года ожидается завершение перевода государственной системы контроля технического состояния АТС на инструментальные методы оценки технических нормативов безопасной эксплуатации автомобилей (ГОСТ Р 51 709−2001. Автотранспортные средства. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ К ТЕХНИЧЕСКОМУ СОСТОЯНИЮ И МЕТОДЫ ПРОВЕРКИ).

Одной из организационно-технических составляющих данного рефор-мационного процесса в сфере технического осмотра АТС является внедрение автоматизированных информационных систем (АИС) в городских системах станций (пунктов) технического осмотра автотранспортных средств. Первая в РФ АИС действует на базе научно-образовательного центра по безопасности дорожного движения при АДИ Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

В состав регулярно обновляемой информации по техническим нормативам безопасности АТС в условиях их реальной эксплуатации согласно с выше отмеченным ГОСТ Р 51 709−2001 входят данные о дымности отработавших газов в режиме свободного ускорения (СУ) работы дизельного двигателя (ГОСТ Р 52 160−2003. НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ. АВТОТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА, ОСНАЩЕННЫЕ ДВИГАТЕЛЯМИ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ. Дымность отработавших газов. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния).

Следует отметить, что данные меры явились, по сути, развитием уникальной для мировой практики системы инструментального контроля экологических показателей АТС в условиях эксплуатации в РФ, которая на государственном уровне была организована для автомобилей с дизельными двигателями начиная с 1 января 1977 года (ГОСТ 21 393−75. АВТОМОБИЛИ С ДИЗЕЛЯМИ. ДЫМНОСТЬ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ. Нормы и методы измерений. Требования безопасности).

Развитие этих мер на современном этапе обусловлено тем, что транспортные средства с поршневыми ДВС, являясь важнейшей составной частью современной энергетики [8, 16, 18, 19, 50], стали потреблять основную массу производимых в мире горюче-смазочных материалов — продуктов нефтепереработки [62, 97, 13] и отработавшими газами наносить значительный урон окружающей среде и здоровью человека [41, 81, 88, 90, 101, 104, 110].

Увеличение производства дизелей, их преимущественное применение на пассажирском и грузовом транспорте, на объектах строительной, дорожной и сельскохозяйственной техники [46, 56, 68, 78, 79] делают эти двигатели основным, а иногда и единственным источником загрязнения воздуха высоко токсичными и канцерогенными вредными веществами в густонаселённых районах [9, 10, 11, 12, 14, 15].

Так суммарная установленная мощность только автомобильных ДВС, находящихся в эксплуатации в странах СНГ, оценивается величиной 1,3. 1,6 млрд. кВт [6]- при этом они выделяют в атмосферу около 29,4 млн. т в год окиси углерода СО (что составляет, примерно, 68% валового выброса СО) — 2,0 млн. т окислов азота NOx (31%) — 6,0 млн. т углеводородов СН (42%) [7, 17]. Есть данные [8] о том, что в общем загрязнении атмосферы планеты ДВС всех типов вносят: 93% - по выбросам СО, более 65% - по выбросам СН, 50% - по выбросам NOx и до 30% - по выбросам сажи.

Актуальность внедрения инструментального контроля экологических показателей АТС и их развития в указанных направлениях обусловлена Конституцией и законами РФ [2, 3, 5]. Эти требования гарантируются правом каждого «на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о её состоянии», на удовлетворительные санитарно-гигиенические условия труда, которые отражены в Главе 2, статьи 42 и З73 Конституции России [1].

В связи с отмеченными факторами анализируемая задача современной и перспективной организации контроля технических и экологических нормативов безопасности АТС выходит за рамки технического и информационного обеспечения их безопасной эксплуатации по действующим стандартам. Чрезвычайно актуален сегодня анализ эффективности методов контроля с позиций, во-первых, негативного воздействия АТС на окружающую среду и человека [45, 46, 47, 48, 76, 80] и, во-вторых, — возможности экспресс-контроля потребляемого ими углеводородного топлива [86, 94, 95, 96]. То есть, — разработка на базе действующих методов и процедур контроля технического состояния дизельных двигателей АТС новых методик технического диагностирования по составу ОГ.

Для решения этой задачи в ее экологической части становится актуальным обратить особое внимание на наиболее опасные, с учетом индекса токсичности [8, 12, 39, 42, 43], вещества: полидисперсные частицы, в частности, — дизельной сажи [110], определяющей показатель дымности ОГ, углеводороды, угарный газ (монооксид углерода) и окислы азота [43, 44, 103, 109].

Сажа ограничивает видимость водителей, обладает способностью удерживаться в атмосфере несколько суток [59, 71, 73, 85, 89] и выполняет транспортную функцию [85, 93], адсорбируя на своей поверхности полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) мутагенного, и алергенного действия [49]. Сравнительно недавно было установлено [5, 102], что сажа значительно активизирует канцерогенную активность ПАУ, в частности, сильнейшего из них — БП (C2oHi2).

Контроль технического состояния АТС по показателям токсичности, дымности ОГ и расхода топлива, не смотря на вышеотмеченную актуальность, не является самоцелью при решении проблемы негативного воздействия АТС на окружающую среду и человека. Более актуальна разработка методических инструментов определения с их помощью (идентификации) неисправностей, то есть, разработка алгоритмов инструментального диагностирования ДВС — распознавания неисправностей.

При этом следует иметь в виду, что тенденции изменения дымности и токсичности ОГ дизелей могут не совпадать с показателями топливной экономичности [51 — 53, 69], что обусловлено различием в механизмах образования продуктов неполного сгорания топлива (и связанной с этим топливной экономичности) с одной стороны и высокотемпературных окислительных механизмов формирования окислов азота, — с другой [17, 18, 19, 20, 67, 87,].

Успешное решение этой сложной, не имеющей однозначного ответа комплексной задачи [107, 108], возможно лишь на основе проведения углубленных теоретических и многофакторных экспериментальных исследований связи выбросов сажи, БП, и других вредных веществ с техническими параметрами, в частности, — регулировками АТС, при использовании современных инструментальных средств контроля [29 — 31, 70].

Среди эксплуатационных свойств технических систем дизелей, имеющих непосредственную связь с диагностируемыми показателями мощности, топливной экономичности и состава ОГ, целесообразно выделить техническое состояние ТА, ЦПГ, систем воздухоснабжения, газораспределения [27, 28, 83]. Наибольшее влияние на экономичность и состав ОГ оказывает техническое состояние ТА [21 — 26, 54, 58, 60, 77]. Исследованиями установлено, что до 75% эксплуатационных отказов дизелей приходится на ТАпричём около 50% отказов в работе ТА обусловлено отклонениями её регулировочных параметров в процессе эксплуатации от номинальных значений [23 — 28, 39,44,55].

Разработке методического решения рассмотренных вопросов и была посвящена настоящая работа. Диссертация нацелена на совершенствование методов инструментального контроля технического состояния дизельных двигателей путем разработки и применения диагностирования технического состояния ДВС и ТА с использованием анализа состава ОГ.

Научная новизна результатов работы определяется выявленными закономерностями изменения технического состояния дизельных двигателей транспортных средств, ТА по экологическим и топливно-экономическим показателям применительно к специфике новых процедур контроля технических параметров безопасности АТС по ГОСТ Р 51 709−2001, ГОСТ Р 521 602 003 и условиям реальной эксплуатации в Северо-Западном регионе РФтеоретически обоснованной методикой комплексного инструментального экспресс-контроля топливных и экологических показателей дизелей транспортных средств, получившей экспериментальную проверку на стендах и апробацией в эксплуатациипредложениями на развитие методики с целью расширения области и функциональных возможностей ее применения по назначению экспресс-контроля технического состояния дизелей.

Внедрение в эксплуатацию результатов исследования позволит повысить эффективность государственного технического осмотра АТС, полнее использовать межремонтный ресурс, производить обслуживание машин и их составных частей по фактическому состоянию и сократить затраты времени, труда и материальных средств на выполнение профилактических работ.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Организация перевозок и управления безопасностью автомобильного транспорта» (ОПУБАТ) Автомобильно-дорожного института Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (АДИ СПбГАСУ). Часть экспериментальных исследований была проведена автором в разное время в ОАО «ЦНИТА» и на предприятиях эксплуатирующих автотракторную технику.

Результаты выполненного исследования нашли применение в в Государственном учреждении здравоохранения «Санитарный транспорт» Комитета по здравоохранению Правительства Санкт-Петербурга, в учебном процессе и научно-исследовательской деятельности АДИ при СПбГАСУ, СПб институте ГПС МЧС России, АГТУ им И. И. Ползунова. Полученные результаты могут быть использованы на предприятиях дизелестроения, при эксплуатации дизельных установок различного типа и предназначения, а также разработчиками диагностического оборудования.

По результатам диссертационного исследования на защиту выносятся следующие положения.

1. Закономерности изменения технического состояния дизельных двигателей транспортных средств, топливной аппаратуры (ТА) по экологическим и топливно-экономическим показателям, полученные на основе проведения инструментальных проверок их технического состояния и обработки статистической информации применительно к условиям реальной эксплуатации в Северо-Западном регионе РФ.

2. Эмпирические связи отдельных регулировок топливоподачи 0впр, guH, Рф, Hfcp с мощностными, топливно-экономическими и экологическими (СО, СН, NOx, дымность ОГ) показателями дизелей Д-240 и КаМАЗ-740 транспортных средств в форме уравнений множественной регрессии и результаты их анализа.

3. Методика контроля и технического диагностирования состояния дизельных двигателей и ТА, адаптируемая к технологиям проведения государственного техосмотра и технического обслуживания АТС в условиях эксплуатации с использованием анализа состава ОГ, включающая:

— обоснования теоретических подходовпроцедур инструментального контроля и диагностики технического состояния дизельных двигателей транспортных средств и ТА по топливно-экономическим показателям на основе анализа состава ОГ;

— рекомендации по расширению применимости разработанной методики безразборного экспресс-контроля и диагностики параметров безопасности дизельных двигателей и ТА по составу ОГ.

Общие выводы по главам 3, 4, и 5.

1. В исследованном диапазоне изменения наработки ТА (ТНВД 6000 моточасов, форсунок 3000 моточасов) изменение показателей топливоподачи носит нерегулярный характерпри этом профилактическими и регулировочными работами на безмоторных стендах, как правило, удается привести ТА в состояние, обеспечивающее выполнение требований ТУоднако, действующие ТУ (особенно на регулировку коррекции топливоподачи) не отражают происходящие с наработкой изменения, что приводит к значительному превышению нормативов дымности по ГОСТ Р 41. 24−99, ГОСТ 17.2.2.02−86 и ГОСТ 21 393–75.

2. В условиях реальной эксплуатации более 95% проверенных тракторных дизелей и более 80% автомобильных дизелей имеют дымность отработавших газов выше предельно допустимой нормы (40%). Как показали данные статистических исследований, это приводит к перерасходу топлива тракторными дизелями на 8. 10% и автомобильными — на 5.6%, Причинами, вызывающими повышенную дымность ОГ, как правило, являются разрегулировки и неисправности ТА.

3. Дизели Д-240 и КамАЗ-740 при регулировке ТА в соответствии с ТУ завода-изготовителя обеспечивают выполнение норм по ГОСТ 17.2.2.05−86 на выбросы вредных веществ с ОГ (СО, СН, для I и II категории применения и ГОСТ Р 41. 24−99 (ранее был ОСТ 37.001.234−81). Использование дизелей Д-240 или КамАЗ-740 в местах с ограниченным воздухообменом (III категория применения) потребует установку каталитического нейтрализатора для обеспечения нормы на выброс СО. При этом нормы на дымность ОГ в соответствии с ГОСТ 17.2.2.02−83 и ГОСТ Р 41. 24−99 (ранее был ГОСТ 17.2.2.01−84) регулировками ТУ не обеспечиваются.

4. Разработанные, на основе постановки и проведения многофакторных исследований, математические модели процесса регулирования топливоподачи в связи с показателями мощности, топливной экономичности, дымности, а также выбросов БП, СО, СН, СОг, позволяют, с одной стороны, целенаправленно оптимизировать регулировки топливоподачи в зависимости от постановки конкретной задачи оптимизации, с другой, — производить безразборную диагностику по составу ОГ экологических, топливно-экономических и регулировочных параметров ТА дизелей в условиях эксплуатации.

5. Как показали результаты внедрения в автохозяйствах Северо-Запада РФ, разработанная методология безразборной диагностики с использованием анализа состава ОГ и дымности картерных газов повышает эффективность выявления конкретных неисправностей двигателей и ТА, тем самым, способствуя уменьшению наносимого дизелями экологического ущерба и сокращению потребления топлива.

Заключение

.

Представленная работа посвящена анализу и решению важной научно-технической задачи в сфере обслуживания и эксплуатации автотранспортных средств, имеющей практическое и социально-экологическое значение. Она содержит научно обоснованные технические разработки, положенные в основу новой методики диагностирования эколого-технических показателей дизельных двигателей транспортных средств по составу отработавших газов, которые имеют существенное значение для экономики страны применительно к сфере обслуживания и эксплуатации автотранспортных средств.

Наиболее существенные результаты и выводы по работе заключаются в следующем:

1. Установлено, что в условиях реальной эксплуатации (по результатам статистических исследований транспортных средств на предприятиях Северо-Запада РФ) около 95% тракторных и более 75% автомобильных дизелей не соответствуют требованиям природоохранных стандартов по дымности ОГ (в частности, ГОСТ 21 393–75). Главными причинами, вызывающими повышенную дымность ОГ, являются разрегулировки и неисправности ТА.

2. Показано, что в исследованном диапазоне ресурсной наработки ТА тракторных дизелей ТНВД 6000 моточасов и форсунок 3000 моточасов (гарантийный ресурс до капитального ремонта) возможно путем стендовых безмоторных регулировочных работ привести ТА в состояние, обеспечивающее выполнение требований ТУ завода-изготовителя. Однако, независимо от этого, все испытанные тракторные двигатели имели показатели дымности, значительно превышающие допустимые по ГОСТ 17.2.2.02−86 и ГОСТ 21 393–75.

3. В результате постановки и проведения многофакторных экспериментов, статистической обработки данных получены математические модели в форме систем уравнений множественной регрессии, адекватно описывающие процесс регулирования топливоподачи по показателям 0впр, gu", Рф для наиболее массовых в нашей стране тракторного дизеля Д-240 (ЧЧ 11/12,5) с ТНВД УТН-5 и автомобильного дизеля КамАЗ-740 (84 12/12) с ТНВД модели 33−01, которые позволяют решать практические задачи комплексной оптимизации регулировочных параметров топливоподачи и диагностики по показателям: Ne, ge, СО, СН, К (дьмность ОГ), NOx, БП.

В частности, — для комплексного удовлетворения нормативам мощности, топливной экономичности и дымности ОГ дизелей КамАЗ-740 рекомендуются значения допусков на регулировки топливоподачи: 0впр — 21.23 град, п. к. в.- gUH — 78.82 мм3/циклРф — 19,5.20,5 МПадизелей Д-240: ©-впр -20.23 град. п. к. в.- g^- 64.72 мм3/цикл, Рф- 17,5. 19,0 МПа;

— для минимизации выброса с ОГ дизелей Д-240 бензо (а)пирена (БП) при эксплуатации транспортных средств в парках отдыха, а также местах с ограниченным воздухообменом (внутрицеховые помещения, теплицы) рекомендуются регулировки топливоподачи: 0впр — 20 град. п. к. в.- gu" — 56,0 мм3/цикл, Рф — 17,5 МПа;

— для дизелей тракторов с механической ступенчатой трансмиссией, не предназначенных для использования в местах с ограниченным воздухообменом, рекомендуется с целью удовлетворения ГОСТ 17.2.2.02−86 по дымности ОГ ограничить коэффициент коррекции топливоподачи по крутящему моменту значениями 9,5. 10%;

— разработанная для дизелей КамАЗ процедура контроля регулировок топливной системы позволяет в условиях автохозяйств на основе инструментальной оценки состава ОГ оперативно диагностировать значения (или отклонения от номинальных значений) регулировочных параметров топливоподачи: 0впр, gu", Рф.

4. На основе уравнений термохимического анализа рабочего процесса предложены аналитические соотношения, устанавливающие взаимосвязь цикловых топливных показателей с составом ОГ и режимными параметрами дизеля транспортных средств. Вероятную погрешность оценки топливных показателей, с учетом метрологических возможностей современных инструментальных средств контроля состава ОГ и расхода воздуха, можно приблизить к значеням 2.3% — при расчетах только по основным компонентам ОГ и 1.1,5% - с учетом продуктов неполного сгорания топлива: СО, СН, NOx, сажа.

5. Разработан и экспериментально-статистически обоснован комплексный метод оперативного контроля расхода (перерасхода) топлива и дымности ОГ по ГОСТ 21 393–75 дизелей для условий эксплуатации. В основу метода положена установленная корреляционная зависимость между дымно-стью ОГ, измеренной в режиме свободного ускорения, и расходом топлива на условном режиме, определяемом интегральной суммой «статистически взвешенных» по времени стационарных эксплуатационных режимов работы дизелей (с коэффициентом корреляции для дизелей Д-240, тракторы МТЗ-80, 82, — г = 0,89).

6. В целом, разработанные методы безразборной диагностики технического состояния двигателей и ТА с использованием анализа отработавших и картерных газов, а также инструментальные средства, реализующие данную методологию, и предложения по расширению применимости методологии комплексного технического диагностирования автотранспортных средств нашли использование в ряде организаций, эксплуатирующих автотракторную технику.

Потенциальный экономический эффект от их внедрения (Приложение 3), только по показателям топливной экономичности, может составить на 1 АТС в год:

4112 рубля для техники, используемой в местах с ограниченным воздухообменом, и.

2002 рубля для техники, эксплуатируемой на улицах и дорогах.