Основными причинами ухудшения качества топлив являются процессы, связанные с воздействием окружающей среды, что оказывает значительное влияние как на токсичность и экономичность двигателей, так и их надёжность и долговечность. Причём токсичность отработавших газов является определяющим фактором как технического состояния ДВС, так и состояния окружающей среды [5].

ДВС играют существенную роль в загрязнении окружающей среды. Воздействие технических средств, оснащенных ДВС на окружающую среду весьма разнообразно: материальные загрязнения (газообразные, жидкие и твёрдые), энергетические (шум, вибрация, тепловое и электромагнитные излучения). Наиболее остро стоит проблема загрязнения воздушного бассейна Земли вредными выбросами, которые могут находиться в газообразной, жидкой и твёрдой фазах. Так, например, доля автомобильного транспорта в выбросе вредных веществ составляет в США – 60,5%, в Англии – 33,5%, во Франции – 32%, а в России более 80%. Эти выбросы сокращают урожайность до 25% и снижают качество сельскохозяйственных культур (картофеля, подсолнуха, зерновых), приводят к серьёзным заболеваниям сельскохозяйственных животных и человека [4]. Поэтому снижение токсичности их отработавших газов (ОГ) является важнейшей задачей, которая может быть выполнена как за счёт усовершенствования рабочего процесса ДВС, так и за счёт улучшения качества топлива.

Наиболее значимым показателем качества топлива является содержание механических примесей и воды, которые называются загрязнениями. Загрязнения, содержащиеся в топливах, оказывают существенное влияние на рабочий процесс основных систем двигателей и их узлов, использующих топливо как рабочую жидкость.

Загрязнения способствуют износу основных агрегатов двигателя, например, прецизионные пары топливной аппаратуры ДВС. В результате износа выше перечисленных узлов у ДВС изменяются его регулировочные параметры, что приводит к нарушению процесса горения и как следствие повышается токсичность ОГ и снижается экономичность ДВС.

Таким образом, снизить токсичность ОГ и повысить экономичность ДВС можно за счёт повышения качества топлива, а именно, за счёт снижения содержания в нём загрязнений. Обеспечить чистоту топлива, как и других нефтепродуктов можно следующими путями [2, 6, 7]:

- предупреждение загрязнения при производстве, транспортировке, хранении и раздаче;

- очистка топлива (нефтепродуктов).

Наиболее перспективным направлением обеспечения чистоты топлива является его очистка. Чистота топлива не гарантирует снижение токсичности ОГ, так как на неё влияют и свойства углеводородов входящих в его состав.

Известно, что изменить свойства топлива можно, воздействуя на него электромагнитным полем. Для улучшения качества топлива на мобильных энергетических средствах можно объединить его очистку совместно с электромагнитной обработкой.

Одновременная очистка и обработка топлива электромагнитным полем заметно повышает как экономическую, так и экологическую эффективность автотракторного двигателя [1]. Для её определения необходим показатель, который должен учитывать, как расход эксплуатационных материалов, так и количество ОГ и их токсичность. Таким показателем может быть приведенный удельный выброс вредных веществ, определяемый на единицу выполненной работы [3]. В условиях сельскохозяйственного производства он может быть выражен через м³/га, м³/кг_{изр. топл.}, м³/т×км(км) или усл. г/га, усл. г/кг_{изр. топл}., усл. г/т×км(км). Смысл этого показателя сводится к тому, что выбросы отдельных компонентов ОГ приводятся к одному (условному) веществу (чаще всего СО) с учётом относительной агрессивности его компонентов. Приведённый удельный выброс двигателя можно определить по следующей зависимости:

, усл. г/кг_{изр. топл.},    (1)

где: – приведённый удельный выброс i^го компонента, усл. г/кг_{изр. топл.};

– показатель относительной агрессивности i^го компонента, усл. г/г;

А_СО=1 усл. г/г, А_СН=3,16 усл. г/г, А_SO2 =22 усл. г/г, A_NOX =41,1 усл. г/г, A_Pb=22400 усл. г/г, A_C^б=300 усл. г/г (неэтилированный бензин) и A_C^д=200 усл. г/г (дизтопливо);

– удельный выброс i^го компонента ОГ, г/ кг_{изр.топл.}.

Использование приведенных выбросов позволяет не только оценить токсичность двигателя, но и определить влияние отдельных компонентов ОГ на неё. Так доля i^го компонента в общей токсичности ОГ определится:

.    (2)

На основании результатов расчёта по данной методике можно сделать следующие выводы:

1. Наибольшую опасность для окружающей среды представляют соединения свинца, образующегося при использовании этилированного бензина. Приведённый выброс двигателя при использовании неэтилированного бензина почти в 5 раз меньше, чем при использовании этилированного бензина с максимальным содержанием тетраэтилсвинца, равного 0,5 г/кг топлива. Далее по значимости следуют окислы азота (NO_X) и твёрдые частицы (ТЧ), при чём для дизеля в суммарной токсичности ОГ они составляют до 95%. Высокая токсичность ТЧ объясняется тем, что они адсорбируют тяжёлые канцерогенные и мутагенные углеводороды.

2. Сравнение приведённых выбросов дизеля и бензинового двигателя показывает, что при использовании неэтилированного бензина удельный ущерб (на 1кг топлива) почти в два раза ниже, чем дизельного топлива.

Ущерб от токсичных выбросов в атмосферу можно рассчитать по формуле, руб./км (руб./кг):

    (3)

где – нормативная константа, переводящая условную оценку выбросов в денежную, ;

– показатели опасности загрязнения атмосферы над различными территории (для жилых районов городов с преимущественно высотной застройкой, включая улицы, магистрали, парки, =4);

– поправка, учитывающая характер рассеивания примесей в атмосфере (для транспорта, =10);

– приведённая к оксиду углерода масса выбросов вредных веществ, усл. г/км (усл. г/кг), определяемая по формуле (1).

Из проведённых расчётов можно сделать следующий вывод, что токсичность ОГ снизилась в 9,2 раза для автомобилей до 3,5 т, а для автомобилей более 3,5 т с дизельными двигателями – в 2,7 раза по сравнению с действующими стандартами.

Подводя итог к выше сказанному можно сделать следующие выводы:

1. Качество применяемого топлива оказывает значительное влияние как на надёжность работы ДВС, так и на токсичность его ОГ.

2. Повысить качество топлива можно, обеспечив его чистоту и оптимальные свойства путём его электромагнитной обработки.

3. В результате расчёта экологического ущерба ДВС была применена методика ГНЦ РФ НАМИ, которая может быть вполне применима для определения экологического ущерба тракторов и самоходных машин.

Основными причинами ухудшения качества топлив являются процессы, связанные с воздействием окружающей среды, что оказывает значительное влияние как на токсичность и экономичность двигателей, так и их надёжность и долговечность. Причём токсичность отработавших газов является определяющим фактором как технического состояния ДВС, так и состояния окружающей среды [7].

ДВС играют существенную роль в загрязнении окружающей среды. Воздействие технических средств, оснащенных ДВС на окружающую среду весьма разнообразно: материальные загрязнения (газообразные, жидкие и твёрдые), энергетические (шум, вибрация, тепловое и электромагнитные излучения). Наиболее остро стоит проблема загрязнения воздушного бассейна Земли вредными выбросами, которые могут находиться в газообразной, жидкой и твёрдой фазах. Так, например, доля автомобильного транспорта в выбросе вредных веществ составляет в США – 60,5%, в Англии – 33,5%, во Франции – 32%, а в России более 80%. Эти выбросы сокращают урожайность до 25% и снижают качество сельскохозяйственных культур (картофеля, подсолнуха, зерновых), приводят к серьёзным заболеваниям сельскохозяйственных животных и человека [3]. Поэтому снижение токсичности их отработавших газов (ОГ) является важнейшей задачей, которая может быть выполнена как за счёт усовершенствования рабочего процесса ДВС, так и за счёт улучшения качества топлива [9].

Наиболее значимым показателем качества топлива является содержание механических примесей и воды.

Загрязнения, содержащиеся в топливах, оказывают существенное влияние на рабочий процесс основных систем двигателей и их узлов, использующих топливо как рабочую жидкость. В результате износа выше перечисленных узлов у ДВС изменяются его регулировочные параметры, что приводит к нарушению процесса горения и как следствие повышается токсичность ОГ и снижается экономичность ДВС [8].

Таким образом, снизить токсичность ОГ и повысить экономичность ДВС можно за счёт повышения качества топлива, а именно, за счёт снижения содержания в нём загрязнений.

Известно, что улучшить показатели качества топлива можно, воздействуя на него электромагнитным полем [1].

Одновременная очистка и обработка топлива электромагнитным полем заметно повышает как экономическую, так и экологическую эффективность автотракторного двигателя [4, 9, 10]. Для её определения необходим показатель, который должен учитывать, как расход эксплуатационных материалов, так и количество ОГ и их токсичность. Таким показателем может быть приведенный удельный выброс вредных веществ, определяемый на единицу выполненной работы [2]. В условиях сельскохозяйственного производства он может быть выражен через м³/га, м³/кг_{изр. топл.}, м³/т×км(км) или усл. г/га, усл. г/кг_{изр. топл}., усл. г/т×км(км). Смысл этого показателя сводится к тому, что выбросы отдельных компонентов ОГ приводятся к одному (условному) веществу (чаще всего СО) с учётом относительной агрессивности его компонентов. Приведённый удельный выброс двигателя можно определить по следующей зависимости:

, усл. г/кг_{изр. топл.},    (1)

где: – приведённый удельный выброс i^го компонента, усл. г/кг_{изр. топл.};

– показатель относительной агрессивности i^го компонента, усл. г/г;

А_СО=1 усл. г/г, А_СН=3,16 усл. г/г, А_SO2 =22 усл. г/г, A_NOX =41,1 усл. г/г, A_Pb=22400 усл. г/г, A_C^б=300 усл. г/г (неэтилированный бензин) и A_C^д=200 усл. г/г (дизтопливо);

– удельный выброс i^го компонента ОГ, г/ кг_{изр.топл.}.

Использование приведенных выбросов позволяет не только оценить токсичность двигателя, но и определить влияние отдельных компонентов ОГ на неё [2, 11]. Так доля i^го компонента в общей токсичности ОГ определится:

.    (2)

Ущерб от токсичных выбросов в атмосферу можно рассчитать по формуле, руб./км (руб./кг):

    (3)

где – нормативная константа, переводящая условную оценку выбросов в денежную, ;

– показатели опасности загрязнения атмосферы над различными территориями (для жилых районов городов с преимущественно высотной застройкой, включая улицы, магистрали, парки, =4);

Таблица 1. Результаты расчёта экологического ущерба ДВС

– поправка, учитывающая характер рассеивания примесей в атмосфере (для транспорта, =10);

– приведённая к оксиду углерода масса выбросов вредных веществ, усл. г/км (усл. г/кг), определяемая по формуле (1).

Результаты расчёта по данной методике приведены в таблице 1.

Из проведённых расчётов можно сделать следующий вывод, что токсичность ОГ при использовании топлива улучшенного качества снизилась в 9,2 раза для автомобилей до 3,5 т, а для автомобилей более 3,5 т с дизельными двигателями – в 2,7 раза по сравнению с действующими стандартами.

Подводя итог к выше изложенному можно сделать следующие выводы:

1. Качество применяемого топлива оказывает значительное влияние как на надёжность работы ДВС, так и на токсичность его ОГ.

2. Повысить качество топлива можно, обеспечив его чистоту и оптимальные свойства путём его электромагнитной обработки.

3. В результате расчёта экологического ущерба ДВС была применена методика ГНЦ РФ НАМИ, которая может быть вполне применима для определения экологического ущерба тракторов и самоходных машин.

Как показывают наши исследования – повышается интенсивность изнашивания трущихся поверхностей деталей в масляной среде в присутствии эмульсионной воды. В практике эксплуатации машин в транспортном комплексе попадание воды в масло является обычным явлением. Вода значительно снижает долговечность, например, шариков подшипников качения из стали ШХ-15, причем, время до выкрашивания металла сокращается с увеличением концентрации воды в масле [1]. Температура масла при эксплуатации машин отличается от температуры воздуха, а перепад температуры влияет на изменение концентрации воды в масле. При резком понижении температуры вода из масла не успевает перейти в воздух и выделяется в виде микрокапель, образуя свободную воду, которая находится в равновесии с растворимой в нем водой.

Под воздействием неблагоприятных климатических факторов, определяющим из которых является температура окружающего воздуха, доля отказов шестеренных насосов обусловленных повышенным износом корпусных деталей возрастает. [2]

До настоящего времени не установлено количественной связи между температурой и интенсивностью изнашивания. Более того, среди исследователей нет единого мнения о том, увеличивается или уменьшается интенсивность изнашивания при понижении температуры. Большинство ученых все же считают, что с понижением температуры интенсивность изнашивания увеличивается.

Низкие температуры воздуха вызывают многократное увеличение вязкости смазочных материалов и технических жидкостей. Такое увеличение вязкости смазочных материалов снижает их жидкотекучесть, в результате чего поступление смазочных материалов к узлам трения затрудняется или может полностью прекратиться. Под действием низких температур влага, содержащаяся в смазочных материалах, кристаллизуется, что вместе с изменением свойств самих материалов снижает их смазывающие свойства (например, снижается свойство прилипаемости масла к металлическим поверхностям) и, тем самым, провоцирует возникновение сухого или полусухого режима трения и, как результата, повышения интенсивности изнашивания.

Образование микрокапель воды возможно при потеплении воздуха. В этом случае масло имеет более низкую температуру и водяные пары конденсируются на его поверхности, а затем проникают в глубь нефтепродукта. При охлаждении масла насыщенного водой с 50 до 20°С, в нем образуются микрокапли воды со средним диаметром 0,6…0,7 мкм. С течением времени они укрупняются и постепенно осаждаются на дне резервуаров, образуя отстойную воду.

Присутствие воды в маслах приводит к ухудшению их смазывающей способности, усилению коррозионного воздействия масел на металлы, активации процессов окисления входящих в состав углеводородов, усилению водородного разрушения поверхностных слоев трущихся сопряжений. Практически все трущиеся поверхности деталей из стали, чугуна, титана и других металлических материалов имеют повышенное содержание водорода, а это рано или поздно сказывается, особенно во влажном и холодном климате.

Известно, например, что техника на Севере изнашивается в несколько раз быстрее, чем в средней зоне. Это связано с тем, что при низких температурах и при повышенной влажности атмосферы водород оказывает более разрушительное действие на поверхности трения деталей. При недостаточной гидролитической устойчивости масла, присутствие воды приводит к образованию кислот, щелочей и других веществ, способных существенно ухудшить его свойства. Вода способствует микробиологическому заражению масел, что ведет к их частичному разложению, изменению вязкости и ухудшению смазывающей способности.

Микрокапли воды в смазывающем слое масла отрицательно влияют на процесс трения между сопряженными поверхностями. Разрыв масляной пленки особенно ярко проявляется в теплонапряженных узлах, вода может испаряться, вызывая сухое трение между поверхностями деталей, резко ухудшая противоизносные свойства масел [3].

Снижение вязкости масла способствует повышенному выкрашиванию рабочей части зубьев шестерен, т.к. водомасляная эмульсия с понижением вязкости легче проникает в микротрещины, имеющиеся на поверхностях трения, и разрушает материал зубьев, действуя как гидравлический клин.

Способность воды к проникновению в микротрещины объясняется меньшими величинами ее молекул по сравнению с углеводородами.

Уменьшить интенсивность изнашивания, снизить силы трения в зоне контакта деталей гидрооборудования можно за счет применения более совершенных конструкций фильтроэлементов, строгого выполнения технико-эксплуатационных требований и оптимизацией температуры рабочей жидкости.

Поддерживая температуру в оптимальном диапазоне (+40^оС…+60^оС), можно существенно снизить вероятность возникновения отказов и неисправностей гидрооборудования.

Для реализации указанной цели нами была разработана и запатентована  система регулирования температуры рабочей жидкости гидросистемы [4,5]. Ее можно применять как для подогрева, так и для охлаждения масла в условиях пониженных или повышенных температур.

Система работает следующим образом. При низких температурах окружающего воздуха гидронасос будет нагнетать рабочую жидкость гидросистемы во внутреннюю полость теплообменника из бака через всасывающую гидролинию, гидравлический клапан, золотник и напорную гидролинию. Поступая через подводящий штуцер во внутреннюю полость теплообменника, рабочая жидкость нагревается обтекая змеевик, через который пропускается моторное масло двигателя, имеющее рабочую температуру 80…90°С. Затем, масло из теплообменника, через отводящий штуцер, по сливной гидролинии поступает в бак.

По мере нагрева масла в баке золотник займет исходное положение, направляя поток жидкости моторного масла двигателя в обход змеевика по нагнетательной гидролинии системы смазки ДВС с масляным радиатором, а рабочую жидкость к агрегатам гидросистемы.

При разогреве рабочей жидкости свыше 60°С, золотник втянется в катушку, открывая нагнетательную пневмолинию. Вентилятор начинает нагнетать воздух во внешнюю полость теплообменника 5. Воздух, проходимый во внешней полости, увеличивает интенсивность теплообмена. Затем, через отводящий штуцер воздух выводится в атмосферу.

После охлаждения жидкости до оптимальных значений, золотник  вернется в исходное положение и перекроет подачу воздуха от вентилятора. Управление положением золотника осуществляется при помощи подпружиненной конусной втулки гидравлического клапана, которая замыкает соответствующие электроконтакты реле, о чем своевременно сигнализируют лампочки. Контроль температуры РЖ в баке осуществляется при помощи  установленного в нем термодатчика.

Эффективность работоспособности предложенной системы была подтверждена в результате проведенных стендовых и эксплуатационных исследований.

Улучшение работоспособности гидропривода за счет поддержания рационального температурного режима рабочей жидкости при эксплуатации транспортно-технологических машин представляется достаточно эффективным средством, позволяющим наиболее полно реализовать его потенциальные возможности.