Исследование возможности применения гармонизированной международной процедуры испытаний ГТП №4 в отношении бензиновых двигателей коммерческих автомобилей

Вайсблюм М.Е., к.т.н., Соколов М.Г., НИЦИАМТ ФГУП НАМИ

УДК 502.3

В рамках международного Соглашения 1998 года о глобальных технических предписаниях в отношении автомобильной техники разработаны т.н. глобальные технические предписания по процедурам сертификации большегрузных автомобилей и устанавливаемых на них двигателей в отношении выбросов вредных веществ (ГТП №4). В настоящий момент этот документ не содержит технических нормативов, которые предполагается установить в будущем, по мере готовности Сторон к применению указанного документа взамен национальных и региональных требований, в т.ч. Правил ЕЭК ООН, директив ЕС и др. В настоящее время Сторонам Соглашения рекомендовано начать применение ГТП в рамках национальных и региональных законодательств на добровольной основе.

Несмотря на то, что ГТП №4 вступили в силу с 2006 года, работа по их совершенствованию не прекращалась и продолжается по настоящее время.

Гармонизированная международная процедура испытаний двигателей большегрузных автомобилей (WHDC) включает 2 испытательных цикла: цикл переменных режимов (WHTC) и цикл стационарных режимов (WHSC). Указанные циклы охватывают типичные условия движения в странах Европы, США и Японии.

Разработке циклов предшествовал сбор и анализ данных по условиям движения коммерческих автомобилей и статистической информации по их использованию в различных регионах мира. На основании этих данных был разработан представительный переменный автомобильный цикл (WTVC) в координатах «Скорость автомобиля — нормализованная мощность». Автомобильный цикл был взят в качестве базового потому, что он более стабилен, по сравнению с «моторным» циклом. Моторный цикл (описываемый параметрами двигателя) может существенно изменяться по мере развития технологий двигателестроения и трансмиссий, в то время как автомобильный цикл изменяется лишь в случае существенных изменений условий движения. В то же время, в технологии сертификационных испытаний используется моторный цикл. Поэтому, разработанный автомобильный цикл был трансформирован в моторный цикл переменных режимов с помощью специально разработанной математической модели, учитывающей различные типы и технологии двигателей и трансмиссий. Моторный цикл переменных режимов (WHTC) выражен в координатах «нормализованная частота вращения — нормализованная нагрузка (крутящий момент)». Затем, на основе частотного распределения скоростей и нагрузок цикла переменных режимов, был разработан 13-режимный цикл стационарных режимов.

Разработанный базовый автомобильный цикл включает режимы движения автомобилей в городе, за городом и на магистралях. Для количественной оценки условий движения в различных регионах мира был разработан также ряд т.н. региональных автомобильных и моторных циклов: американский, европейский и японский.

Было установлено, что в японском цикле «городская» часть наиболее длинная, в то время как в европейском региональном цикле «городская» часть является наиболее короткой. «Магистральная» часть наиболее длинная в европейском цикле и самая короткая — в японском.

Американский региональный цикл наиболее близок к базовому циклу. В целом было сделано заключение, что имеющиеся отличия региональных циклов от базового не являются препятствием для использования разработанного базового цикла в качестве единого всемирного цикла. Для получения предварительной оценки ожидаемых выбросов вредных веществ в базовом и региональных циклах был произведен квазистатический расчет выбросов с использованием данных картографирования параметров ряда двигателей на стационарных режимах работы.

По результатам расчетов было установлено, что в отношении оксидов азота и частиц отличия базового и региональных циклов незначительны. Отличия по углеводородам и оксиду углерода более значимы, но в целом приемлемы.

При сравнении базового цикла (WHTC) с существующими региональными циклами (ЕТС, ЕSC и др.) отличия по NOx и частицам также незначительны.

Как и ожидалось, отличия по СО и СН более существенны. Одной из причин указанных отличий является то, что двигатели, применяемые в различных регионах мира, оптимизированы с учетом соответствующих циклов движения.

Квазистатический расчет выбросов вредных веществ (ВВ) по данным картографирования двигателей не может, естественно, дать полноценных результатов, так как в этом случае не учитываются переменные режимы работы двигателей. Поэтому была поставлена задача проверки приемлемости разработанных циклов в сравнении с применяемыми в настоящее время при сертификации, в том числе:

– проверить степень воспроизводимости переменного цикла WHTC для дизелей с помощью регрессионного анализа в отношении заданных и фактически полученных скоростей вращения, крутящего момента и мощности, при необходимости произвести корректировки режимов цикла;

– произвести оценку новых циклов в отношении двигателей различных конструкций и технологий, по сравнению с существующими «сертификационными» циклами;

– произвести сравнение методов «сырые» газы/частичное разбавление и полнопоточного разбавления (CVS) для переменного цикла WHTC, включая оценку очень низких выбросов частиц для двигателей, оснащенных фильтрами частиц;

– произвести сравнение новых циклов (WTTC, WHSC), с региональными циклами.

По результатам проведенных работ сделаны следующие выводы.

Разработанные циклы переменных (WHTC) и стационарных (WHSC) режимов продемонстрировали хороший уровень эквивалентности.

Оба цикла охватывают более широкий диапазон рабочих режимов двигателей, чем применяемые в настоящее время в нормативных документах «сертификационные» циклы.

Доказана приемлемость применения системы частичного разбавления для определения частиц в переменном цикле в соответствии с требованием стандарта ISO 16183.

Продемонстрирована хорошая корреляция двух методов пробоотбора: полнопоточной системы разбавления и сочетания частичной системы разбавления (для частиц) с отбором неразбавленной пробы (для газовых компонентов).

В отношении цикловой работы новые циклы представительно отражают условия эксплуатации коммерческих автомобилей.

В настоящее время ГТП №4 (как и Правила №49 ЕЭК ООН) не распространяется на бензиновые двигатели.

На 55–ой сессии Группы докладчиков по загрязнению воздуха и экономии энергии (ГДЗЭ) ЕЭК ООН в январе 2008 года было принято решение о проведении исследования возможности распространения циклов ГТП №4 на бензиновые двигатели коммерческих автомобилей.

Рабочая группа по разработке ГТП №4 и секретариат ГДЗЭ обратились к странам, в которых производятся коммерческие автомобили с бензиновыми двигателями (США, Россия, Китай, Япония), провести исследования и дать заключение о приемлемости циклов WHDC (переменных режимов WHTC и стационарных WHSC) для соответствующих бензиновых двигателей.

Указанные исследования были проведены в России (НИЦИАМТ), Японии и Китае. США заинтересованности в проведении подобных испытаний не проявили.

Результаты исследований, проведенных в России (НИЦИАМТ)

НИЦИАМТ проводил исследования на двигателе ЗМЗ. Основные параметры двигателя:

Тип двигателя — V-образный, 8-цилиндровый, четырехтактный, с искровым зажиганием, рабочим объемом 4,67 л;

Топливо — бензин;

Система питания — карбюратор с электронным контролем состава топливо-воздушной смеси;

Системы снижения токсичности — 3-компонентный каталитический нейтрализатор.

Исследования проводились на переменном (WHTC) и стационарном (WHSC) циклах ГТП №4. Для сравнения также проведены исследования по циклам ETC и ESC Правил №49 ЕЭК ООН.

В таблице 1 приведены абсолютные значения выбросов вредных веществ при выполнении различных циклов. Для удобства сопоставления полученных данных, на рис.1 приведены относительные (безразмерные) значения выбросов СО, СН, NOx по отношению к соответствующим компонентам в цикле WHTC.


При сравнении переменных циклов WHTC и ЕТС видно, что выбросы оксидов азота в обоих циклах практически идентичны. Выбросы оксида углерода и углеводородов в цикле WHTC в 1,5 раза ниже, чем в цикле ЕТС. То есть, в отношении выбросов вредных веществ применяемый в настоящее время при процедурах сертификации цикл переменных режимов Правил №49 существенно жестче «глобального» цикла переменных режимов ГТП №4.

При сравнении стационарных циклов WHSC и ESC видно, что в отношении выброса углеводородов оба цикла практически идентичны. Выбросы оксида углерода по стационарному циклу ESC Правил №49 более чем в 1,5 раза выше, чем по стационарному циклу WHSC ГТП №4. По выбросам оксидов азота картина прямо противоположная: выбросы оксидов азота в цикле WHSC более чем в 1,5 раза выше, чем в цикле ESC.


На рис. 2 приведены статистические результаты испытаний по циклу WHTC, обработанные методом линейного регрессионного анализа. На рис. 3 приведены аналогичные данные в отношении цикла переменных режимов ETC правил №49.


Из приведенных данных видно, испытанный двигатель не обеспечивает в полной мере выполнение статистических критериев ГТП №4 как по циклу WHTC, так и по циклу ETC. Тем не менее, соответствие статистическим критериям в цикле WHTC явно лучше, чем в цикле ETC.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что механическая (карбюраторная) система топливоподачи, даже с элементами электронного управления, не может обеспечить динамические характеристики двигателя в соответствии как с действующими, так и с перспективными требованиями по экологии.

На рис. 4 приведено распределение экспериментальных значений измерений крутящего момента и мощности при выполнении различных циклов, по отношению к внешней скоростной характеристике двигателя.


Характер распределения «нагрузка/скорость» в целом такой же, как определенный ранее для дизелей. Цикл переменных режимов WHTC ГТП №4 охватывает более широкий диапазон характеристик двигателя, чем цикл ETC. В целом, перспективные циклы WHTC и WHSC ГТП №4 более благоприятны, с точки зрения режимов работы бензинового двигателя (как и дизеля), чем циклы ETC и ESC Правил №49 ЕЭК ООН.

Результаты испытаний, проведенных в Китае (CATARC)

В Китае исследования проводились на бензиновом 4-х цилиндровом двигателе рабочим объемом 2,237 л с распределенным впрыском топлива, с 3-х компонентной системой нейтрализации.

Испытания проводились по циклам WHTC, WHSC и циклу CHN III национальных требований КНР.

Результаты испытаний по определению выбросов вредных веществ приведены в таблице 2 и на рис. 5 и 6.





Как и по результатам наших испытаний, выбросы CO в стационарном цикле (WHSC) существенно выше, чем в переменном (WHTC). Аналогичная картина по углеводородам — выбросы по циклу WHSC выше, чем по циклу WHTC. Абсолютные значения выбросов CO и CH, естественно, отличаются от результатов по двигателю ЗМЗ, но порядок значений близок. Что касается NOх, выбросы существенно, более чем на порядок ниже, чем по двигателю ЗМЗ.

Двигатель полностью соответствует требованиям ГТП №4 в отношении воспроизводимости цикла WHTC по статистическим критериям.

По результатам проведенных испытаний китайские специалисты считают, что цикл WHTC неприемлем для бензиновых двигателей в связи с чрезмерно высокими выбросами оксида углерода.

Результаты испытаний, проведенных в Японии (JASIC)

В Центре автомобильной стандартизации Японии были проведены испытания бензинового 4-х цилиндрового двигателя с распределенным впрыском топлива.

Рабочий объем двигателя — 2,7 л. Двигатель был оснащен 3-компонентной системой нейтрализации. Испытания проводились по циклам WHTC, WHSC, ETC, ESC и японскому циклу переменных режимов JE05.

Результаты испытаний по определению выбросов вредных веществ приведены на рис. 7, 8, 9,10.





Выбросы оксидов азота более чем на порядок ниже предельных значений Евро-5 (для дизелей) во всех циклах. Выбросы углеводов во всех циклах очень низкие, в циклах WHTC, JE05 вообще отсутствуют.

В то же время выбросы оксида углерода в циклах WHTC, ETC, WHSC, ESC чрезвычайно высокие, существенно выше, чем по результатам испытаний в России и Китае.

В цикле JE05 выбросы CO низкие, существенно ниже требований Евро-5.

Высокие выбросы CO в циклах WHTC, WHSC, ETC, ESC японские специалисты объясняют тем, что значительная часть рабочих режимов этих циклов находится в т.н. зоне «обогащения», характерной для бензиновых двигателей. В свою очередь, низкие выбросы CO в цикле JE05 объясняются тем, что рабочие режимы этого цикла не попадают в зону «обогащения» (Рис. 9,10). По результатам проведенных исследований японские специалисты пришли к заключению, что циклы ГТП №4 (WHTC, WHSC) могут быть использованы для целей сертификации бензиновых двигателей только после их модернизации с учетом особенностей бензиновых двигателей и условий эксплуатации коммерческих автомобилей с бензиновыми двигателями.