Стандарты токсичности в США. Дизельные моторы внедорожных машин

История развития стандартов токсичности в США

Федеральные стандарты Tier 1 для дизельных моторов новых внедорожных машин были приняты в 1994 г., под их действие подпадали силовые агрегаты мощностью свыше 37 кВт (50 л.с.). Нормы должны были вступить в действие поэтапно, в период с 1996-го по 2000 г. В 1996-м подписано Соглашение о принципах (Statement of Principles - SOP) между Управлением по защите окружающей среды США (ЕРА), Советом по природным ресурсам Калифорнии (ARB) и компаниями-производителями, в числе которых Caterpillar, Cummins, John Deere, Detroit Diesel, Deutz, Isuzu, Komatsu, Kubota, Mitsubishi, Navistar, New Holland, Wis-Con и Yanmar. Этот документ относился к дизельным моторам внедорожных машин.

27 августа 1998 г. ЕРА утвердило окончательную редакцию норм, отражающую положения SOP. В том же году были введены стандарты Tier 1 для моделей мощностью ниже 37 кВт (50 л.с.) и более жесткие Tier 2 и Tier 3 для всех моделей. Tier 2 и Tier 3 решено было вводить в действие поэтапно - с 2000-го по 2008 г.

Источник фото: abw.byСтандарты Tier 4 устанавливают уровни содержания сажи и NOx в ОГ, которые на 90% ниже, чем в нормах Tier 3

Соответствие стандартам Tier 1...Tier 3 обеспечивается путем усовершенствования конструкции моторов без использования или при ограниченном использовании нейтрализации (окисление в присутствии катализатора отработавших газов (ОГ) в системе выпуска). Стандарты Tier 3 по величинам, ограничивающим содержание NOx+CH, близки к стандартам 2004 г. для моделей магистральных автомобилей, однако нормы на содержание сажи в ОГ в Tier 3 никогда не устанавливались.

11 мая 2004 г. EPA подписало предложенные нормы Tier 4 на токсичность ОГ, которые должны быть введены в действие поэтапно в период с 2008-го по 2015 г. Стандарты Tier 4 устанавливают уровни содержания сажи и NOx в ОГ, которые на 90% ниже, чем в нормах Tier 3. Столь значительного снижения содержания токсичных составляющих можно достичь, использовав усовершенствованные технологии управления работоймотора, в том числе усовершенствования процессов нейтрализации ОГ в системе выпуска, подобно требованиям вступающих в действие в 2007-2010 гг. стандартов для моторов магистральных транспортных средств.

Источник фото: kolesa.kzСтандарты ЕРА по токсичности ДВС внедорожных машин опубликованы в Своде федеральных законов США

В нормах Tier 1...3 не ограничивается содержание серы в топливе для дизелей внедорожных машин. Ограничения, принятые в нефтеперерабатывающей промышленности, составляют 0,5% серы по массе. Сейчас концентрация серы в топливе - около 0,3%, т. е. 3000 частей на миллион. Чтобы привести моторы в соответствие с нормами Tier 4 и обеспечить возможность применения прогрессивных технологий, при которых требуется использование топлива с малым содержанием серы, таких, как применение сажевых фильтров и веществ, адсорбирующих NOx, ЕРА предлагает снизить допустимый уровень содержания серы в топливе для дизелей внедорожных машин до следующих величин:

• 500 частей на 1 млн. - должны вступить в действие в июне 2007 г. для топлива внедорожных машин, железнодорожных локомотивов и водных судов;
• 15 частей на 1 млн. - должны вступить с июня 2010 г. для топлива внедорожных машин и с 2012 г. для моторов железнодорожных локомотивов и водных судов.

В связи с тем, что основоположником экологических норм токсичности ОГ стала Калифорния, отношение к законодательным актам этого штата в США особое. В большинстве случаев федеральные нормы, относящиеся к моторам внедорожных машин, также применяют и в штате Калифорния, так как полномочия администрации штата по установлению норм токсичности ОГ двигателей новых внедорожных машин ограничены. Поправки к федеральному Акту чистого воздуха (САА) 1990 г. имеют преимущественную силу над законами Калифорнии по нормированию токсичности ОГ моторов новых сельскохозяйственных и строительных машин мощностью до 175 л.с. и требуют от Калифорнии принять главенство законов, установленных федеральным ЕРА и ограничивающих токсичность ОГ двигателей внедорожных машин.

Стандарты ЕРА по токсичности дизельных моторов внедорожных машин опубликованы в Своде федеральных законов США (глава 40, часть 89). До определенной степени стандарты токсичности ОГ двигателей внедорожных машин также гармонизированы с нормами Евросоюза по токсичности ОГ двигателей внедорожных машин. Однако об этом мы поговорим отдельно в одной из дальнейших публикаций.

Источник фото: zr.ruВ нормах Tier 1...3 не ограничивается содержание серы в топливе для дизелей внедорожных машин

Под действие стандартов токсичности США подпадают дизели всех типоразмеров для самоходных внедорожных сельскохозяйственных, строительных и промышленных машин. Определение, которое разработало ЕРА для моторов внедорожных машин, основано на принципе мобильности. Под определение "двигатели внедорожных машин" попадают силовые агрегаты, установленные на самоходных машинах; установках, которые транспортируются во время выполнения их функций; установках, которые могут транспортироваться благодаря наличию колес, полозьев, ручек для переноса, тележки, прицепа или платформы. Иными словами, силовой агрегат внедорожных машин внедорожных машин - это все двигатели внутреннего сгорания, за исключением дорожных транспортных средств (автомобилей),  стационарных установок, моторов, используемых исключительно для соревнований, и двигателей летательных аппаратов.

Источник фото: exkavator.ruCтандарты токсичности двигателей внедорожных машин США гармонизированы с нормами ЕС

Вступившее в действие с 14 мая 2003 г. определение "двигатели внедорожных машин" было изменено. В него дополнительно вошли все дизельные моторы - включая и двигатели стационарных установок, используемые в сельскохозяйственной отрасли Калифорнии. Изменение относится только к моторам, проданным в штате Калифорния. Двигатели несамоходных машин, проданных в других штатах, не подпадают под действие стандартов по токсичности ОГ двигателей внедорожных машин.

В сферу действия этого законодательства также не входят:

• двигатели железнодорожных локомотивов, для них существуют отдельные нормы ЕРА;
• моторы водных судов, для которых также действуют другие стандарты ЕРА;
• агрегаты водных судов мощностью менее 37 кВт (50 л.с.), которые подпадают под действие стандартов Tier 1...2 для моторов внедорожных машин, но не подпадают под действие Tier 4 для этой же категории;
• дизельные модели горно-шахтного оборудования, токсичность ОГ которых и качество воздуха в шахтах регулируется постановлениями Комитета по безопасности и охране труда горнодобывающей промышленности США (MSHA);
• моторы макетов, любительских моделей и самодельных некоммерческих машин (менее 50 см3 на цилиндр).

Например, эти нормы распространяются на моторы пропашных и других с/х тракторов, экскаваторов, бульдозеров, лесозаготовительных машин, передвижных генераторов, колесных погрузчиков, экскаваторов-погрузчиков, дорожно-строительных грейдеров, мини-погрузчиков с бортовым поворотом и вилочных погрузчиков.

Источник фото: exkavator.ruДВС на природном газе с искровым зажиганием относятся к категории ДВС с воспламенением от сжатия

Новое определение моторов с воспламенением от сжатия (дизельных) используется в языке, на котором составляется законодательство, с 1998 г., что согласуется с определениями, принятыми для моторов магистральных транспортных средств. В определениях рассматривается принцип работы мотора, а не способ воспламенения и наличие дроссельной заслонки как признак отличия двигателя, работающего по циклу Дизеля, от двигателя, работающего по циклу Отто. Регулирование мощности мотора путем изменения количества подаваемого топлива в отличие от регулирования при помощи дроссельной заслонки соответствует работе на бедных топливовоздушных смесях и работе по циклу Дизеля. По этому определению двигатели, работающие на природном газе и оборудованные искровым зажиганием, относятся к одной категории с двигателями с воспламенением от сжатия.

Методики испытаний и качество топлива

Уровень токсичности ОГ двигателей внедорожных машин измеряется на постоянном режиме, аналогично методике ISO 8178C1, восьмирежимному циклу испытаний. Другие циклы испытаний по ISO 8178 применяют для некоторых конкретных целей, например испытания, работающих при постоянной частоте вращения (пятирежимный цикл D2), двигателей, работающих при разной частоте вращения, номинальной мощностью меньше 19 кВт (цикл G2) и двигателей водных судов (цикл Е3).

Согласно нормам Tier 4 кроме испытаний на установившихся режимах моторов внедорожных машин следует испытывать и на неустановившихся режимах (NRTC). Модели мощностью до 56 кВт будут испытывать на неустановившихся режимах начиная с мая 2013 г.; с 2012 г. - мощностью 56...130 кВт и с 2011 г. - модели мощностью 130...560 кВт. Для моделей мощностью свыше 560 кВт испытания на неустановившихся режимах не предусмотрены. Также не предусмотрены испытания на неустановившихся режимах для моторов всех мощностных категорий, работающих при постоянной частоте вращения с переменными нагрузками. Методика испытаний NRTC (на неустановившихся режимах) включает в себя испытания на холодный пуск. Токсичность ОГ при холодном пуске оценивается в 5%, токсичность после пуска прогретого двигателя - в 95% при подсчете окончательных результатов.

Источник фото: exkavator.ruУровень токсичности ОГ двигателей внедорожных машин измеряется на постоянном режиме

Двигатели внедорожных машин, соответствующие нормам Tier 4, также должны соответствовать нормам "предельного уровня" (NTE, not-to-exceed), в соответствии с которыми токсичность ОГ измеряется без какой-либо определенной методики. В 2011 г. вступают в действие нормы NTE для моделей мощностью свыше 130 кВт; в 2012 г. - мощностью 56...130 кВт и в 2013 г. - для моделей мощностью менее 56 кВт. Для большинства двигателей величины токсичности по нормам NTE превосходят в 1,25 раза пределы, установленные обычными нормами для каждой токсичной составляющей (если моторв сертифицированы по нормам содержания NOx ниже 2,5 г/кВт·ч или сажи менее 0,07 г/кВт·ч, коэффициент NTE составляет 1,5). Моторы должны соответствовать нормам NTE во время сертификации и в течение всего срока службы.

Цель, для которой предусмотрены дополнительные испытания, - исключить возможность искусственно улучшить результаты испытаний по контрольным методикам путем управления работой силового агрегата с помощью электронной аппаратуры и значительного увеличения токсичности ОГ при работе на режимах, отличных от контрольных.

Для сертификации на соответствие ОГ двигателей нормам Tier 1...3 используют топливо с содержанием серы не более 0,2% по массе (2000 частей на 1 млн.). С 2011 г. двигатели должны будут сертифицироваться на соответствие нормам Tier 4 с использованием топлива с содержанием серы 7...15 частей на 1 млн. Переход от топлива с содержанием серы в 2000 частей на 1 млн. на топливо с содержанием 7...15 частей на 1 млн. будет происходить в 2006-2010 гг.

Источник фото: exkavator.ruДВС Tier 4 должны соответствовать нормам "предельного уровня" (NTE, not-to-exceed)

В нормах 1998 г. вместо измерения общего количества углеводородов было предусмотрено измерение неметановых углеводородов (NMHC). Поскольку методика измерения содержания метана в ОГ дизельных двигателей не стандартизирована ЕРА, компании-производители могут использовать либо свои собственные методики для проверки содержания неметановых углеводородов, либо измерять общее количество углеводородов и вычитать 2% от массы углеводородов, чтобы учесть присутствие в ОГ метанола. Нормы токсичности для силовых агрегатов внедорожных машин, разработанные в 1998 году, вводятся в действие в три этапа. Стандарты Tier 1 начали действовать в период с 1996-го по 2000 год. Более жесткие нормы Tier 2 вступают в действие с 2001-го по 2006 год, а им на смену придут еще более строгие стандарты Tier 3, но это произойдет в период с 2006-го по 2008 год. Хотим напомнить, что Tier 3 относятся только к моделям мощностью 37...560 кВт.

Нормы токсичности отработавших газов (ОГ) Tier 1...3 представлены в табл. 1. Для двигателей внедорожных машин они представлены в метрической системе единиц - в граммах токсичных веществ, приходящихся на 1 кВт·ч. К продукции производителей, подписавших Совместное постановление с ЕРА, могут быть предъявлены требования на соответствие нормам Tier 3 на один год раньше графика, т. е. в начале 2005 года. В табл. 2 представлены более жесткие нормы токсичности ОГ, которые производители  могут выбрать добровольно, чтобы моторы получили звание Blue Sky Series ("Серия Синее небо"). Они также сертифицируются в рамках норм Tier 1...3.

Агрегаты всех типоразмеров также должны соответствовать нормам дымности: 20% непрозрачности на режиме разгона, 15% - при торможении двигателем, 50% - при максимальной мощности. Нормы предусматривают проверку по нескольким другим контрольным величинам, получаемым путем пересчета, таким, как осреднение, объединение и обмен значений содержания токсичных веществ, а также по максимальным величинам "предел по токсичности семейства двигателей" (FEL), служащим критерием осредненных показателей токсичности ОГ всего семейства двигателей.

Нормы Tier 4 будут вводиться в действие поэтапно, с 2008-го по 2015 год. Нормы Tier 4 для моделей мощностью менее 560 кВт представлены в табл. 3, для моделей мощностью свыше 560 кВт - в табл. 4. Нормы предусматривают значительное сокращение NOx (для двигателей мощностью свыше 56 кВт) и сажи (свыше 19 кВт), а также более строгие ограничения содержания СН. Нормы содержания СО остаются без изменений такими же, как в Tier 2...3.

Для моторов мощностью 56...560 кВт нормы содержания NOx и СН вступают в действие в течение нескольких лет, как указано в примечаниях к табл. 3. По выбору производители вместо норм Tier 4 могут сертифицировать моторы на соответствие альтернативным нормам на NOx каждый модельный год в течение переходного периода. Эти альтернативные нормы содержания NOx составляют:

• для двигателей мощностью 56...130 кВт

                - вариант 1 NOx = 2,3 г/кВт·ч = 1,7 г/л.с.·ч (нормам Tier 2 в основном удовлетворяют, май 2012-2013 гг.);

                - вариант 2 NOx = 3,4 г/кВт·ч = 2,5 г/л.с.·ч (нормам Tier 2 не удовлетворяют, май 2012-2014 гг.);

• для двигателей мощностью 130...560 кВт NOx = 2,0 г/кВт·ч = 1,5 г/л.с.·ч (май 2011-2013 гг.).

Существующие стандарты непрозрачности ОГ Tier 2...3 и соответствующие методики испытаний по-прежнему сохраняют силу для некоторых двигателей. Не подлежат проверке на соответствие нормам дымности ОГ двигатели, сертифицированные по нормам содержания сажи 0,07 г/кВт·ч (или меньше), т. е. моторы с таким низким содержанием сажи в ОГ обладают соответственно низким уровнем дымности.

Нормы Tier 4 не предусматривают обязательного наличия закрытой системы вентиляции картера у силового агрегатавнедорожных машин. У агрегатов с открытой вентиляцией картера токсичность картерных газов должна измеряться и прибавляться к уровню токсичности ОГ. Подобно предыдущим стандартам, нормы Tier 4 включают такие оценочные величины, как осреднение, суммирование и обмен результатов измерений токсичности и величины FEL, служащие для осреднения уровней токсичности.

Моторы должны соответствовать нормам токсичности ОГ, приведенным в таблицах, в течение всего срока службы. ЕРА требует использовать "коэффициенты ухудшения" (DFs) при подсчете токсичности ОГ всех двигателей, подпадающих под действие данных норм. DF - это коэффициент, на который должны умножаться данные сертификационных испытаний на токсичность ОГ в конце срока службы двигателя, чтобы получить значения содержания токсичных составляющих в ОГ.

Срок службы двигателя и срок в эксплуатации, в течение которого двигатель должен проходить проверки на токсичность ОГ, по определению ЕРА, для двигателей различных категорий представлены в табл. 5. В нормах Tier 4 предусмотрены такие же сроки службы моторов.

По оценке ЕРА, с 1998-го по 2010 год количество выбросов в атмосферу NOx с ОГ будет снижено приблизительно на миллион тонн в год, что эквивалентно уменьшению мирового парка легковых автомобилей на 35 млн. ед. Затраты на приведение моторов в соответствие требованиям норм токсичности ОГ увеличивают цену продажи обычной новой внедорожной техники с дизельными агрегатами менее чем на 1%, хотя для некоторых машин приведение в соответствие с новыми стандартами может увеличить стоимость примерно на 2...3%. Стоимость программы оценивается в 600 USD за каждую тонну уменьшения выбросов NOx.

Источник фото: exkavator.ruК 2030 году благодаря введению стандартов будет предотвращаться гибель 12 000 человек ежегодно

Когда все старые моторы внедорожных машин будут заменены на агрегаты, соответствующие нормам Tier 4, ежегодное уменьшение вредных выбросов с ОГ, по оценкам, составит 738 000 тонн NOx и 129 000 тонн сажи. К 2030 году благодаря введению в действие предлагаемых стандартов ежегодно будет предотвращаться гибель 12 000 человек. Предполагаемое увеличение розничной цены подавляющего большинства машин из-за ужесточения норм ограничения токсичности составит 1...3% по сравнению с нынешним уровнем. Например, для бульдозера с двигателем мощностью 175 л.с., стоимость которого составляет приблизительно 230 000 USD, увеличение цены из-за совершенствования конструкции двигателя и установки дополнительного оборудования для снижения токсичности ОГ в соответствии с нормами Tier 4 составит приблизительно 6900 USD.

По оценке ЕРА, увеличение стоимости топлива, в котором содержание серы будет снижено до 15 частей на 1 млн., составит в среднем 7 центов за галлон. Но эти затраты уменьшатся до 4 центов за галлон благодаря ожидаемой экономии на затратах на техобслуживание вследствие уменьшения содержания серы в дизельном топливе.

П. Станкевич