Формирование показателей токсичности для большегрузных автомобилей

1. Общие сведения о токсичности двигателя автомобиля

Под токсичностью выбросов двигателя автомобиля (токсичностью двигателя) следует понимать способность выбросов двигателя оказывать токсическое воздействие на людей, животный мир, что определяется следующими факторами:

• состав токсичных веществ;
• абсолютное количество выбросов токсичных веществ в единицу времени (или на единицу пути, пройденного автомобилем);
• физико-химические законы превращения химических соединений в атмосфере;
• геофизические законы распространения токсичных веществ;
• чувствительность живых организмов.

Загрязнение окружающей среды и, как следствие, возникшие требования экологической безопасности заставили промышленно развитые страны в зависимости от концентрации автомобилей, климатических, рельефных условий и других факторов ввести законодательные акты, регулирующие параметры токсичности как транспортных средств, так и других силовых установок, оснащенных двигателями внутреннего сгорания. При этом разработка и совершенствование норм ведется не только в национальных масштабах, но и по международным программам Евразийской экономической комиссии и ООН (ECE, UNO).

Нормы токсичности, принятые разными странами, отличаются друг от друга уровнем ограничений, условиями проведения испытаний, а также техническими возможностями эксплуатационных служб и экономической целесообразностью. Стандарты на нормы и методы определения токсичных составляющих отработавших газов, введенные во многих странах, периодически пересматриваются, причем, как правило, в сторону ужесточения.

В настоящее время стандартами всех стран мира регламентируются выбросы токсичных компонентов на определенных, наиболее характерных режимах работы двигателя (стандарты первого рода) или на совокупности режимов, имитирующих действительные условия эксплуатации (стандарты второго рода). Нормирование токсичных веществ по совокупности режимов применяется для новых двигателей и автомобилей, т.е. в целях контроля продукции моторных и автомобильных заводов.

2. Нормирование выбросов токсичных веществ и режимы испытаний в процессе эксплуатации

В условиях эксплуатации проверка автомобилей по совокупности режимов в настоящее время представляет определенные трудности. Поэтому нормирование выбросов токсичных веществ для автомобилей, находящихся в эксплуатации, производится только на режимах холостого хода и разгона двигателя.

В Республике Беларусь для автомобилей с искровым зажиганием в настоящее время применятся стандарт СТБ 2170–2011 «Транспортные средства, оснащенные двигателями с принудительным зажиганием. Выбросы загрязняющих веществ в отработавших газах». Он устанавливает нормы и методы измерения содержания оксида углерода и углеводородов в отработавших газах в режиме холостого хода для механических транспортных средств и распространяется на находящиеся в эксплуатации механические транспортные средства (ТС) категорий М и N, оснащенные двигателями внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, работающими на бензине, газовом топливе или бензине и газовом топливе. Стандарт не распространяется на транспортные средства, полная масса которых составляет менее 400 кг или максимальная скорость не превышает 50 км/ч.

Содержание оксида углерода и углеводородов в отработавших газах измеряют при работе двигателя в режиме холостого хода на минимальной (n_min) и повышенной (n_пов) частотах вращения коленчатого вала двигателя, установленных изготовителем ТС. При отсутствии данных изготовителя ТС:

• значение n_min не должно превышать 1100 мин^-1 для ТС категорий М₁ и N₁, 900 мин^-1 для ТС остальных категорий;
• значение n_пов устанавливают в пределах 2000…3500 мин^-1 для ТС категорий М₁ и N₁, 2000…2800 мин^-1 для ТС остальных категорий.

Содержание оксида углерода и углеводородов (объемные доли) должно быть в пределах данных, установленных изготовителем ТС. Если эти данные отсутствуют, то содержание оксида углерода и углеводородов в отработавших газах ТС, работающих на бензине, не должно превышать значений, указанных в табл. 3.

Таблица 3. Предельно допустимое содержание оксида углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей, работающих на бензине

Экологический класс ТС по СТБ 1848–2009	Категория ТС	Частота вращения	Оксид углерода (СО), объемная доля, %	Углеводороды (СН), объемная доля, млн-1
1 и ниже*	M1, N1	nmin	3,5	1200
nпов	2,0	600
M2, M3, N2, N3	nmin	3,5	2500
nпов	2,0	1000
2	M1, N1	nmin	1,0	400
nпов	0,6	200
M2, M3, N2, N3	nmin	1,0	600
nпов	0,6	300
3	M1, N1	nmin	0,5	100
nпов	0,3	100
M2, M3, N2, N3	nmin	0,5	200
nпов	0,3	200
4	М1–М3, N1–N3	nmin	0,3	100
nпов	0,2	100
5	М1–М3, N1–N3	nmin	0,15	100
nпов	0,1	100

* ТС, для которых экологический класс не установлен.

Примечания: 1. Для ТС экологического класса 3–5 при достижении пробега 150 000 км и более значения могут быть увеличены на 20 %. 2. Автотранспортные средства разделены на категории: М₁ — легковые автомобили (не более 8 мест, кроме водителя); М₂ — то же, но более 8 мест, кроме водителя (микроавтобусы); М₃ — то же, автобусы, в том числе сочлененные; N₁– автомобили полной массой до 3,5 т, предназначенные для транспортировки грузов; N₂ — то же от 3,5 до 12 т; N₃ — то же свыше 12 т (в том числе тягачи, спецавтомобили).

В зависимости от уровня выбросов, предусмотренного конструкцией, ТС согласно СТБ 1848–2009 «Транспорт дорожный. Экологические классы» подразделяют на шесть экологических классов. Соответствие ТС определенному экологическому классу удостоверяется одним из следующих документов:

• сообщение, касающееся официального утверждения типа ТС и двигателя, предусмотренного Правилами ЕЭК ООН;
• одобрение типа ТС;
• сертификат соответствия на ТС и двигатель по Правилам ЕЭК ООН или Директивам ЕС;
• паспорт ТС или шасси ТС.

Для ТС с пробегом до 3000 км значения содержания оксида углерода и углеводородов установлены в руководстве (инструкции) по эксплуатации ТС.

При наличии у ТС раздельной системы выпуска отработавших газов измерения следует проводить в каждой из выпускных труб. При выявлении повышенного содержания оксида углерода или углеводородов в отработавших газах хотя бы в одной выпускной трубе ТС считается технически неисправным.

Для оценки выбросов загрязняющих веществ с отработавшими газами транспортных средств, работающих на газовом топливе, измеряют содержание оксида углерода и углеводородов в отработавших газах. Содержание оксида углерода и углеводородов в отработавших газах измеряют при работе двигателя в режиме холостого хода на минимальной (n_min) и повышенной (n_пов) частоте вращения, установленных изготовителем ТС. При отсутствии данных изготовителя ТС значения n_min и n_пов выбирают как и для двигателей, работающих на бензине.

Содержание нормируемых загрязняющих веществ должно быть в пределах данных, установленных изготовителем ТС. Если эти данные неизвестны, то содержание оксида углерода и углеводородов в отработавших газах ТС, работающих на газовом топливе, не должно превышать значений, указанных в табл. 4.

Для ТС с пробегом до 3000 км значения содержания оксида углерода и углеводорода установлены в руководстве (инструкции) по эксплуатации ТС.

Таблица 4. Предельно допустимое содержание оксида углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей, работающих на газовом топливе

Возраст ТС	Вид топлива	Рабочий объем двигателя, л	Частота вращения	Оксид углерода (СО), объемная доля, %	Углеводороды (СН), объемная доля, млн-1
ТС, не оборудованные системой нейтрализации отработавших газов
Выпущенные до 2001 г.	СНГ	Менее 3	nmin nпов	3,0 2,0	1000 600
Не менее 3	nmin nпов	3,0 2,0	2200 900
СПГ	Менее 3	nmin nпов	3,0 2,0	800 500
Не менее 3	nmin nпов	3,0 2,0	2000 850
Выпущенные после 2001 г.	СНГ	Менее 3	nmin nпов	3,0 2,0	1000 600
Не менее 3	nmin nпов	3,0 2,0	2200 900
СПГ	Менее 3	nmin nпов	2,0 1,5	700 400
Не менее 3	nmin nпов	2,0 1,5	1800 750
ТС, оборудованные системой нейтрализации отработавших газов
Независимо от года выпуска	СНГ, СПГ	Менее 3	nmin nпов	0,5 0,3	100 100
Не менее 3	nmin	1,0	600
nпов	0,6	300

Выбросы ТС, которые работают на газовом топливе, но имеют работающую на бензине систему питания двигателя, предназна­ченную только для целей запуска двигателя (объем бака для бензина не более 15 л), проверяют при работе на газовом топливе.

Выбросы ТС, которые работают на двух видах топлива (бензин и газовое топливо), проверяют при работе на каждом из видов топлива. Выбросы ТС не должны превышать значений, установлен­ных в табл. 3, при работе на бензине, и значений, установленных в табл. 4, при работе на газовом топливе. При обнаружении повышенного содержания оксида углерода или углеводородов в отработавших газах хотя бы на одном из проверяемых режимов или в хотя бы в одной выпускной трубе (при наличии раздельной системы выпуска отработавших газов) ТС считается технически неисправным.

Подготовка к измерениям. Внешним осмотром проверяют наличие на ТС систем и устройств, обеспечивающих снижение выбросов, и их комплектацию. В случае несоответствия комплектации ТС установленной изготовителем, измерения не проводят и ТС считается неисправным.

Устанавливают датчики температуры масла и частоты вращения. Запускают и прогревают двигатель до рабочей температуры моторного масла. Температура должна быть в пределах, установленных изготовителем ТС. Если требования изготовителя к диапазону температур отсутствуют, то температура должна быть не ниже 80 °С.

Если из-за конструкции ТС невозможно измерить температуру моторного масла, то определение достижения двигателем рабочей температуры может быть произведено другими методами, например по работе системы охлаждения двигателя (по показаниям указателя температуры охлаждающей жидкости на панели приборов ТС или по включению вентилятора системы охлаждения двигателя).

Пробоотборный зонд газоанализатора устанавливают в выпускную трубу ТС на глубину не менее 300 мм от среза (при косом срезе выпускной трубы глубину отсчитывают от короткой кромки среза). Полностью открывают воздушную заслонку карбюратора (при его наличии).

Измерение выбросов проводят в следующей последовательности (для ТС, не оснащенных системами нейтрализации отработавших газов):

1. запускают двигатель;
2. нажимая на педаль, увеличивают частоту вращения коленчатого вала до n_пов и работают в этом режиме не менее 15 с;
3. отпускают педаль, устанавливая минимальную частоту вращения вала двигателя, и не ранее чем через 30 с измеряют содержание оксида углерода и углеводородов при частоте n_min;
4. устанавливают повышенную частоту вращения вала двигателя и не ранее чем через 30 с измеряют содержание оксида углерода и углеводородов при частоте n_пов.

На ТС, оснащенных двухкомпонентными или трехкомпонентными системами нейтрализации отработавших газов, измерения выбросов проводят в следующем порядке:

1. запускают двигатель;
2. нажимая на педаль, увеличивают частоту вращения коленчатого вала двигателя до n_пов и работают в этом режиме не менее 2 мин (при температуре окружающего воздуха ниже 0 °С не менее 4 мин) и после стабилизации показаний измеряют содержание оксида углерода и углеводородов и фиксируют значение коэффициента избытка воздуха , значение которого у ТС, оборудованных трехкомпонентной системой нейтрализации отработавших газов, должно быть в пределах данных, установленных изготовителем ТС. В случае отсутствия указанных данных значение  должно быть от 0,97 до 1,03;
3. устанавливают минимальную частоту вращения коленчатого вала двигателя n_min и не ранее чем через 30 с измеряют содержание оксида углерода и углеводородов.

На ТС, оснащенных трехкомпонентной системой нейтрализации отработавших газов, перед измерением содержания оксида углерода и углеводородов проверяют работоспособность двигателя и системы нейтрализации по показаниям индикатора неисправностей, расположенного на приборной панели:

• при включении зажигания перед пуском двигателя индикатор неисправностей должен быть включен или включаться на короткий промежуток времени; при отсутствии соответствующего сигнала индикатора неисправностей после включения зажигания измерения не проводят и ТС считается неисправным;
• после пуска двигателя индикатор неисправностей должен выключиться; если этот индикатор при работе двигателя остается во включенном состоянии, измерения не проводят и ТС считается неисправным.

При наличии раздельных систем выпуска отработавших газов ТС измерения следует проводить в каждой из выпускных труб. За результат измерения принимают максимальные значения содержания оксида углерода и углеводородов в отработавших газах в одной из выпускных труб.

Выбросы гибридных ТС проверяют в порядке, указанном в руководстве по эксплуатации ТС.

Для автомобилей с дизельными двигателями в Республике Беларусь действует стандарт СТБ 2169–2011 «Транспортные средства, оснащенные двигателями с воспламенением от сжатия. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерения».

Стандарт устанавливает нормы и методы измерения дымности отработавших газов в режиме свободного ускорения для механических транспортных средств и распространяется на находящиеся в эксплуатации ТС категорий М и N, оснащенные двигателями с воспламенением от сжатия, работающие на дизельном топливе.

3. Нормы дымности двигателя автомобиля

Нормируемым параметром дымности является натуральный показатель ослабления светового потока K_L — величина, обратная толщине слоя отработавших газов, проходя через который, поток излучения от источника света ослабляется в е раз (е = 2,178 — основание натурального логарифма).

Дымность ТС не должна превышать предельно допустимое значение коэффициента поглощения K_L, значение которого может быть установлено изготовителем или указано:

• в сообщении об официальном утверждении типа двигателя;
• знаке официального утверждения, нанесенном на двигатель или ТС в соответствии с Правилами ЕЭК ООН № 24 (прил. 2, 3) или Директивой 72/306/ЕЕС (прил. 2);
• сертификате соответствия двигателя или его эксплуатационной документации.

В случае отсутствия информации о значении предельно допустимого коэффициента поглощения K_L для конкретного двигателя или ТС, дымность не должна превышать значений, приведенных в табл. 5.

Дымность ТС, которые работают на двух видах топлива (дизельном и газовом), проверяют при работе на дизельном топливе. Дымность ТС, которые работают на газовом топливе, но имеют работающую на дизельном топливе систему, предназначенную

только для целей запуска двигателя (объем бака для дизельного топлива не более 15 л), не проверяют. Дымность гибридных электромобилей проверяют в порядке, указанном в руководстве по эксплуатации ТС.

Таблица 5. Допустимые нормы дымности для автомобилей с дизельными двигателями

Экологический класс ТС по СТБ 1848–2009	Дымность по предельно допустимому  коэффициенту поглощения KL, м-1, не более
1 и ниже*	2,5 (3,0)**
2	1,2 (1,6)**
3	0,8
4	0,5
5	0,5
6	0,15

Примечание. Для ТС экологического класса 3–6 при достижении пробега 150 000 км и более значения могут быть увеличены на 20 %.

* ТС, для которых экологический класс не установлен.

** Значения в скобках приведены для двигателей с наддувом.

Методы измерения. Температура окружающего воздуха, атмосферное давление, относительная влажность в месте расположения дымомера и другие условия его использования должны соответствовать требованиям, указанным в руководстве по эксплуатации указанного прибора. Система выпуска, включая систему очистки отработавших газов от загрязняющих веществ, должна быть полностью укомплектована, герметична и не иметь повреждений.

Для измерения K_L следует применять дымомер с пределом допустимой абсолютной погрешности не более 0,025 м-1 при коэффициенте поглощения света 1,7 м-1. Для измерения температуры масла в поддоне картера двигателя следует применять термометр с диапазоном 0…150 °С и погрешностью измерений не более ±5 % верхнего значения диапазона измерений. Для измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя следует применять тахометр с диапазоном 0…10 000 мин-1 и погрешностью измерений не более ±5 % верхнего значения диапазона измерений.

Для подвода отработавших газов из выпускной трубы ТС в измерительную камеру дымомера следует использовать пробоотборную систему, обеспечивающую отсутствие утечек газов и подсоса воздуха.

Подготовка к измерениям. Дымомер должен быть подготовлен к измерениям в соответствии с требованиями руководства по эксплуатации. При необходимости устанавливают датчики температуры масла и частоты вращения.

Запускают и прогревают двигатель до рабочей температуры моторного масла аналогично проверке бензинового двигателя.

Измеряют значения n_min и n_max, которые должны быть в пределах, установленных изготовителем ТС.

Измерение дымности в режиме свободного ускорения проводят следующим образом:

1. устанавливают зонд для отбора отработавших газов из выпускной трубы в дымомер;
2. запускают двигатель;
3. при работе двигателя в режиме холостого хода на n_min равномерно быстрым (не более 1 с), но не резким нажатием перемещают педаль подачи топлива до упора. Держат педаль в этом положении до достижения установившейся работы на n_max (не менее 1 с). Отпускают педаль и через 10 с приступают к выполнению следующего цикла свободного ускорения;
4. циклы свободного ускорения повторяют не менее 6 раз (3 для продувки системы выпуска отработавших газов, 3 для измерения коэффициента поглощения);
5. измеряют значение K_L на последних трех циклах свободного ускорения по максимальному показанию дымомера;
6. измеренные значения K_L считают достоверными, если три последовательных значения располагаются в зоне шириной 0,25 м-1;
7. определяют среднеарифметическое значение K_Lср трех последних измерений, которое принимают за результат измерения.

Пример. Пусть при проведении испытаний получены следующие значения по шкале K_L при проведении проверки на режиме свободного ускорения для двигателя без наддува 1,15; 1,0; 0,8. Несмотря на то, что максимальная величина K_L не превышает допустимого значения 1,2, разница между значениями 1,15 и 0,8 превышает значение 0,25 м-1, а это значит, что данный автомобиль не проходит тестовую проверку.

График зависимости частоты вращения n и дымности по коэффициенту поглощения света K_L от времени t в процессе одного цикла свободного ускорения приведен на рис. 12.

Дымность ТС с раздельной выпускной системой измеряют в каждой выпускной трубе. За результат измерения принимают максимальное среднеарифметическое значение K_ср, полученное в одной из выпускных труб, при условии, что результаты измерения дымности каждой выпускной трубы не превышают предельно допустимое значение дымности.

Для двигателей, оборудованных связанной или механически соединенной с двигателем системой наддува нагнетаемого воздуха, которая может отключаться, проводят два полных этапа измерения (по 6 циклов режима свободного ускорения), причем в первом случае система наддува включается, а в другом — отключается. За результат измерения принимают наибольшее из двух полученных значений.

Рис. 12. Характерные формы графиков зависимости частоты вращения n и дымности K от времени t за один цикл свободного ускорения: 1 — график изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя n; 2 — график изменения дымности отработавших газов по коэффициенту поглощения K; n_min — минимальная частота вращения, мин-1; n_max — максимальная частота вращения, мин-1; t_о — общее время одного цикла свободного ускорения, с; t_с.у — время свободного ускорения от n_min до n_max, не менее 1 с; t_н.п.у — время нажатой педали, не менее 2 с; t_х.х — время работы на холостом ходу на n_min, не менее 10 с; K_max — максимальное значение дымности в режиме свободного ускорения

4. Нормирование выбросов токсичных веществ и режимы испытаний по ездовым циклам

Для разработки комплексных программ по снижению загрязнения атмосферы вредными веществами, содержащимися в отработавших газах автомобилей, необходимо иметь информацию о выбросах не только в режиме холостого хода, но и в других режимах. Кроме того, оценка токсичности автомобилей и двигателей должна производиться на основе определения массы выделенных вредных веществ.

Стандарты, удовлетворяющие этим требованиям и действующие для автомобильной промышленности, можно отнести ко второму роду. В основу этих стандартов были положены модели движения и управления автомобилем в городских условиях, которые называют ездовыми циклами. При испытаниях автомобилей по ездовым циклам дается более объективная оценка токсичности транспортных средств по выбросам CO, CH, NO_x, так как учитывается масса автомобиля, скорость движения, качество управления, а также масса выделенных веществ.

В настоящее время помимо рассмотренных ГОСТов в ряде европейских стран приняты общие правила, регламентирующие выбросы токсичных веществ: «Евро-1», «Евро-2», «Евро-3», «Евро-4», «Евро-5» и разработаны «Евро-6», которые предусмотрены Правилами № 49 и № 83 ООН ЕЭК. К требованиям «Евро» не относятся другие требования, например по шумности (они ограничиваются Правилами № 51). Требования, предусмотренные соответствующими правилами, относятся к производителям автомобилей, которые должны сертифицировать свои автомобили на соответствие правилам.

При определении выбросов токсичных веществ с ОГ и дымности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания применяются два различных способа: а) испытания двигателей в составе автомобиля на беговых барабанах или специальной трассе (для легковых автомобилей, легких грузовиков с полной массой до 3,5 т и микроавтобусов); б) испытания ДВС на моторном стенде.

При этом используются два принципиально различных метода испытаний (как на беговых барабанах, так и на моторных стендах):

1. испытания на установившихся режимах, когда измерения проводят в условиях постоянства скоростного и нагрузочного режимов (число таких режимов различно в разных стандартах);
2. испытания на переходных режимах, когда измерения проводят во время изменения нагрузки и/или скоростного режима.

Испытания на беговых барабанах проводятся по ездовым циклам, имитирующим режимы работы двигателя в условиях реальной эксплуатации для легковых автомобилей, легких грузовиков с полной массой до 3,5 т и микроавтобусов (для Европы Правила № 83).

Для проведения испытаний автомобиля на токсичность его устанавливают на стенд (рис. 13) с беговыми барабанами 3, на котором имитируются характерные условия движения в крупных городах.

Чтобы при имитации поездки на испытательном стенде уровень эмиссии отработавших газов был сравним с тем, что обеспечивается при дорожных испытаниях, необходимо воспроизводить действующие на транспортное средство силы, такие, как силы инерции автомобиля, силы качения и сопротивления воздуха. Кроме того, асинхронные двигатели, двигатели постоянного тока или индукторные тормозные устройства обеспечивают беговым барабанам нужную нагрузку, зависящую от скорости. Электродвигатели подтормаживают беговые барабаны и это усилие преодолевается ведущими колесами транспортного средства. Для имитации инерционной массы на современных стендах используется электрическая имитация маховика. Охлаждающий вентилятор 1, установленный на незначительном расстоянии перед автомобилем, имитирует набегающий поток встречного воздуха, осуществляя необходимое охлаждение радиатора двигателя.

Во время испытаний все отработавшие газы разбавляются воздухом в соотношении 1:10 и собираются в одну или несколько эластичных емкостей для отбора проб 5. Это необходимо для исключения конденсации водяных паров, что приводит к значительному снижению потерь NO_x в емкости пробосборника. Кроме того, разбавление смеси не позволяет углеводородам реагировать друг с другом.

Рис. 13. Схема стенда для испытаний двигателей в составе автомобилей на беговых барабанах: 1 — охлаждающий вентилятор; 2 — монитор для отображения хода испытательного цикла; 3 — беговые барабаны; 4 — емкость с воздухом; 5 — емкость для отбора проб отработавших газов; 6 — вытяжка; 7 — газоанализаторы; 8 — подогреваемый трубопровод; 9 — насос; 10 — фильтр; 11 — тарировочные газы; 12 — нулевой (нейтральный) газ; 13 — печь; 14 — теплообменник/нагреватель; 15 — разбавительный туннель; 16 — воздух; 17 — измерительный фильтр; 18 — измеритель потока; 19 — газовый счетчик; 20 — сопла Вентури; 21 — воздушный нагнетатель; 22 — персональный компьютер для обработки результатов испытаний

Смешивание отработавших газов с воздухом осуществляют таким образом, чтобы суммарный объемный расход смеси оставался постоянным на всех режимах работы двигателя. При этой методике содержание токсичных веществ в разбавленном потоке пропорционально выбросу этих веществ из двигателя автомобиля в атмосферу.

Анализ газов из эластичных емкостей осуществляется быстродействующими газоанализаторами 16.

В настоящее время для испытаний легковых автомобилей используются несколько ездовых циклов, основными их которых являются: американский FED (калифорнийский FTR 75), японский и европейский.

Контрольные испытания по циклу (Правила № 49) могут проводиться и на моторном стенде (рис. 14), на который устанавливают двигатель, снятый с автомобиля.

При таких испытаниях применяется динамометрический стенд, позволяющий осуществлять испытания по специальному циклу и оборудованный тахометром, динамометром для измерения крутящего момента, расходомерами топлива и воздуха, термометрами для определения температуры масла, охлаждающей жидкости, всасываемого воздуха, топлива и отработавших газов, барометром, гигрометром, приборами для определения давления отработавших газов и потерь нагрузки во впускном трубопроводе. Стенд должен быть оборудован программным управлением, которое осуществляет предписываемое циклом изменение скоростных и нагрузочных режимов.

Этот вид испытаний более точен и менее дорог. Кроме того, потребитель может выбрать подходящий по мощностно-экономическим и природоохранным показателям двигатель, не затрачивая средства на испытания различных двигателей на объекте.

Основной вид испытаний двигателей на моторном стенде при определении выбросов токсичных веществ с отработавшими газами — испытания по циклам, состоящим из нескольких режимов, которые могут быть как установившимися, так и переходными.

Рис. 14. Принципиальная схема моторного стенда для испытания двигателей: 1 — подаваемый воздух; 2 — воздушный фильтр; 3 — подвод холодной воды; 4 — отвод горячей воды; 5 — подогрев топлива; 6 — система быстрого подключения двигателя к стенду; 7 — модуль для подключения газовых и жидкостных коммуникаций; 8 — блок электронного управления работой дизеля; 9 — система впрыска; 10 — дизельный двигатель; 11 — охладитель наддувочного воздуха; 12 — сигналы датчиков и настроечные сигналы; 13 — нейтрализатор отработавших газов; 14 — блоки питания; 15 — блоки измерительной техники; 16 — механизм имитации привода педали газа; 17 — электрический динамометрический тормоз; 18 — компьютер испытательного стенда; 19 — система снятия индикаторной диаграммы (высокоскоростная система измерения по углу поворота коленчатого вала); 20 — устройства анализа состава отработавших газов (газоанализатор, дымомер, инфракрасный спектроскоп с быстрым преобразованием Фурье, масс-спектрометр, система измерения уровня содержания частиц примесей); 21 — подача воздуха для эжекции; 22 — участок эжекции; 23 — эжекционная камера; 24 — переключающий клапан; 25 — система измерения разрежения; 26 — вентилятор; 27 — датчик объемного расхода воздуха; 28 — система отбора частиц примесей; 29 — емкость для охлаждающей жидкости; 30 — топливный бак

5. Приборы для определения токсичности отработавших газов

Анализ токсичных веществ по требованиям, предусмотренным соответствующими правилами, относящимися к производителям автомобилей, производится газоанализатором недисперсионного типа с поглощением в инфракрасной части спектра (оксид углерода) — газоанализатором пламенно-ионизационого типа (углеводороды), газоанализатором хемилюменесцентного типа (оксиды азота). Для определения содержания твердых частиц в отработавших газах применяются специальные фильтры, которые взвешиваются до и после анализа.

Содержание токсичных компонентов в отработавших газах бензиновых двигателей определяется с помощью газоанализаторов, работающих на основе использования инфракрасного излучения. В них анализ содержания оксида, диоксида углерода и углеводородов производится с помощью недисперсионных инфракрасных лучей. Физический смысл процесса заключается в том, что эти газы поглощают инфракрасные лучи с определенной длиной волны. Так, например, оксид углерода поглощает инфракрасные лучи с длиной волны 4,7 мкм, углеводороды — 3,4, диоксид углерода — 4,25 мкм (рис. 15). Следовательно, с помощью детектора, чувствительного к инфракрасным лучам с определенной длиной волны, можно определить степень их поглощения при прохождении анализируемой пробы, в результате чего можно установить концентрации того или иного компонента.

Рис. 15. Спектры поглощения некоторых газов в инфракрасной области

На рис. 16 показана схема измерения поглощения инфракрасного излучения в определенной области спектра при прохождении света от источника через анализируемые отработавшие газы. Каждый газ, входящий в состав отработавших газов, поглощает излучения в свойственных ему участках, обусловливаемых частотами собственных колебаний атомов и ионов в молекуле. Свет интенсивностью I₀ от источника 1 проходит через мерное пространство, линзу 4 и поступает на детектор 5 (лучи 3). При этом интенсивность I_x меньше, чем I₀, так как часть света поглощается (лучи А), а часть — отражается (лучи В). Степень поглощения лучистой энергии зависит от концентрации исследуемой пробы отработавших газов и толщины ее слоя. Рефлектор 2 служит для создания параллельного пучка света.

Интенсивность потока излучения определяется из выражения

где I_x, I₀ — интенсивности (монохроматические, т.е. имеющие определенную длину волны) конечного и начального потоков излучения; С — коэффициент поглощения, характерный для данного газа и являющийся функцией длины волны; k — концентрация газа (исследуемой пробы), поглощающего излучение; L — толщина (длина) слоя исследуемого газа.

Рис. 16. Схема поглощения инфракрасного излучения

Схема газоанализатора, работающего по принципу инфракрасного излучения, показана на рис. 17. Отработавшие газы с помощью мембранного насоса 5 через газоотборный зонд 1, отделитель конденсата 2 и фильтры 3, 4 закачиваются в измерительную камеру 13. Сравнительная камера 9 при этом заполнена инертным газом и закрыта. Источниками инфракрасного излучения являются нихромные нагреватели, которые нагреваются до температуры около 700 °С. Отражаясь от параболических зеркал, поток инфракрасного излучения, периодически прерываемый обтюратором, приводимым во вращение от синхронного электродвигателя 7, проходит через измерительную и сравнительную камеры. Обтюратор необходим для обеспечения ритмичного прерывания инфракрасного излучения. В измерительной камере происходит поглощение инфракрасного излучения определенным компонентом отработавших газов в зависимости от его концентрации. В сравнительной камере этого не происходит, в результате возникает разница температур и давлений в обеих камерах. Вследствие этого изменяется емкость мембранного конденсатора 12, расположенного между камерами лучеприемника. Сигнал с конденсатора подается на усилитель 11 и далее на регистрирующий прибор. По такому принципу работают газоанализаторы типа ГИАМ 27-01 (Россия), ЕТТ фирмы Bosch и др.

Рис. 17. Схема газоанализатора: 1 — газоотборный зонд; 2 — отделитель конденсата; 3 — фильтр тонкой очистки; 4 — защитный фильтр; 5 — мембранный насос; 6 — источник инфракрасного излучения; 7 — синхронный электродвигатель; 8 — вращающийся диск обтюратора; 9 — сравнительная камера; 10 — лучеприемник инфракрасного излучения; 11 — усилитель; 12 — мембранный конденсатор; 13 — измерительная камера; 14 — индикаторные приборы

В более поздних конструкциях газоанализаторов, например АВГ-4 (рис. 18), применяется метод измерения, частично отличающийся от рассмотренного выше. Анализируемый газ после очистки проходит через измерительную проточную кювету 2, где определяемые компоненты, взаимодействуя с излучением, вызывают его поглощение в соответствующих спектральных диапазонах (3,4; 3,9; 4,25 и 4,7 мкм). Инфракрасное излучение аналитических областей спектра определяемых компонентов, подаваемое излучателем, прерывается вращающимся диском обтюратора 3. Поток излучения характерных областей спектра выделяется приемниками излучения 4 с интерференционными фильтрами и преобразуется в электрические сигналы, пропорциональные концентрации анализируемых компонентов.

В современных многокомпонентных газоанализаторах типа «Автотест», «Инфакар М-1 т.0ШРЕх» (Россия), MGT 5 фирмы МАХА (Германия) кроме измерения содержания оксида (СО) и диоксида углерода (СО₂), углеводородов (СН) может определяться содержание кислорода (О₂) и оксидов азота (NO)_x, а также коэффициент избытка воздуха λ. Однако молекулы газа с одинаковым количеством атомов не вызывают абсорбцию в инфракрасном диапазоне спектра, поэтому для измерения их концентрации метод инфракрасного излучения неприемлем. Определение содержания NО_х в газоанализаторах осуществляется химическим датчиком, посылающим электрический сигнал, который пропорционален содержанию измеряемых компонентов.

Рис. 18. Схема оптического газоанализатора АВГ-4 (Россия): 1 — излучатель; 2 — кювета; 3 — обтюратор; 4 — приемники излучения с интерференционными фильтрами

Концентрация кислорода определяется электрохимическим методом. В датчике кислорода имеются измерительный и сравнительный электроды, находящиеся в электролите и отделенные от анализируемого газа полимерной мембраной. На измерительном электроде кислород, продиффундировавший через мембрану, электрохимически восстанавливается и во внешней цепи возникает электрический ток, сила которого пропорциональна парциальному давлению кислорода в газе над мембраной. Величина полноты сгорания топлива  вычисляется микропроцессором газоанализатора на основании данных по содержанию СО₂, О₂, СО, СН.

Определение значений λ и O₂ позволяет также применять газоанализаторы для диагностики топливных систем автомобилей с каталитическими нейтрализаторами и лямбда-зондом.

Общая схема многокомпонентного газоанализатора показана на рис. 19. Измеряемые отработавшие газы отбираются из системы выпуска автомобиля с помощью зонда. Они закачиваются установленным в измерительном приборе мембранным насосом 7 и подаются через фильтр в отделитель конденсата 3. Здесь, прежде чем измеряемый газ очистится в следующем фильтре еще раз, отделяются грубые загрязнения и конденсат водяных паров. Второй мембранный насос 8 откачивает конденсат на выход для слива конденсата. Сначала измеряемый газ проходит через газоанализатор GA1. Здесь определяется концентрация СО₂ и СО. Затем газ направляется в газоанализатор GA2, который измеряет концентрацию СН. Прежде чем газ покинет измерительный прибор через выход 15, он проходит через датчики 13 и 14, которые измеряют содержание O₂ и NO_x.

Когда происходит автоматическая установка прибора на «нуль» (так называемая продувка), вход измерительной камеры переключается электромагнитным клапаном 6, который установлен перед насосом 7, с отработавших газов на воздух.

Фильтр 5 с активированным углем защищает измерительный прибор от проникновения углеводородов, содержащихся в окружающем воздухе.

Рис. 19. Схема многокомпонентного газоанализатора: 1 — зонд отбора проб отработавших газов; 2 — фильтры; 3 — отделитель конденсата; 4 — вход воздуха; 5 — фильтр с активированным углем; 6 — электромагнитный клапан; 7 — мембранный насос газа; 8 — мембранный насос конденсата; 9 — датчик давления; 10 — газоанализатор GA1 (измерительные камеры СО₂, СО); 11 — газоанализатор GA2 (измерительная камера СН); 12 — датчик атмосферного давления; 13 — электрохимический датчик О₂; 14 — химический датчик NO_x; 15 — выход газа; 16 — выход для слива конденсата

Датчик давления 9 служит для проверки плотности всего газового тракта. Второй датчик давления 12 регистрирует атмосферное давление, которое используется в расчетах.

Во многих странах нормируется коэффициент избытка воздуха λ — отношение массы воздуха, поступающего в цилиндры двигателя при его работе, к массе воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания горючей смеси. Этот коэффициент рассчитывается микропроцессором газоанализатора.

В зависимости от комплектации анализатор может также производить:

• определение частоты вращения коленчатого вала двигателя;
• индикацию и вывод результатов измерений в виде протокола с указанием текущей даты и времени;
• автоматическую коррекцию «нуля» при включении прибора и в дальнейшем по требованию без отключения пробозаборной системы от выхлопной трубы автомобиля;
• измерения при отрицательных температурах окружающей среды (до -20 °С) при наличии дополнительной системы подогрева проб измеряемого отработавшего газа.

Дымность дизельных двигателей определяется с помощью анализаторов отработавших газов (дымомеров), работающих на использовании принципа определения поглощения света отработавшими газами. Принцип измерения дымности отработавших газов в дымомерах основывается на том, что отработавший (дымовой) газ дизельного двигателя обладает определенной степенью непрозрачности и в зависимости от ее величины пропускает меньше света, чем воздух. Это свойство используется в приборе для измерения дымности отработавших газов посредством абсорбционной фотометрии.

Общая схема дымомера показана на рис. 20. Отработавшие газы поступают в измерительную камеру 3, вытянутую в длину. С одной стороны камеры расположен источник 1, с другой — приемник света 2 (фотодиод). Источник представляет собой светоизлучающий диод, который испускает свет с длиной волны 675 нм (адаптирована под абсорбционную характеристику дымового газа).

Рис. 20. Схема дымомера: 1 — источник; 2 — приемник; 3 — измерительная камера; 4 — клапан

На противоположной стороне камеры фотодиод принимает поступающий свет. В зависимости от непрозрачности дыма изменяется степень прохождения света, падающего на фотоэлемент. Для защиты стекол дымомера от осадков отработавших газов и удаления их после работы в дымомерах предусматривают продувку с помощью воздуха, который подается через специальный клапан.

Подобный принцип используется в дымомерах 3.010, 3.011 фирмы Bosch, ДО-1, ИД-1 (Беларусь), MDO2-LON (МАХА), КИД-2 (ГАРО), «Инфракар-Д» (Россия), которые имеют широкое распространение, а также в большинстве дымомеров других фирм.