Stage II – нормы токсичности выхлопа для строительной техники (по материалам зарубежной прессы)

Сегодня часто можно слышать и читать о нормах токсичности отработавших газов (ОГ) двигателей транспортных средств Euro-2, Euro-3 и Euro-4. Однако на внедорожные машины они не распространяются. Для самоходной техники существуют собственные нормы – Stage II и Stage III. В нашей стране эти, совершенно разные нормативные документы, часто путают.

Семейство двигателей Caterpillar 3054/3056 мощностью от 50 до 130 кВт отвечает требованиям Stage II

Европейские нормы токсичности – двигатель прогресса

Нормами Stage регламентируется максимальное содержание в ОГ четырех токсичных составляющих – окиси углерода (СО), углеводородов (СН), окислов азота (NOx) и твердых частиц или сажи (РМ). Ограничения Stage I были введены в течение одного, 1999 г. Более жесткие нормы Stage II вступают в действие поэтапно. С января 2001 г. под их действие подпали моторы мощностью 18 – 37 кВт. В январе прошлого года Stage II распространились на дизели мощностью от 130 до 560 кВт, которыми оборудуются строительные машины массой от 20 до 100 т. Соответственно многие новинки, представленные на выставках строительного оборудования в 2001 – 2002 гг., принадлежат именно к этому типоразмеру.

На выставке Bauma-2001 Volvo представила погрузчик L220Е с двигателем мощностью 259 кВт, а сейчас налажено производство уже пяти новых моделей колесных погрузчиков серии Е: L120E, L150E, L180E, L220E и L330E с двигателями мощностью от 165 до 370 кВт. Естественно, их турбодизельные низкоэмиссионные двигатели Volvo отвечают стандартам EU Stage II и EPA Tier II. Komatsu разработала двигатели для внедорожных машин, соответствующих стандартам США Tier II, Евросоюза Stage II и нормам MOC 2nd Stage. В 2001 г. Caterpillar и Volvo также обновили модельные ряды своих промышленных установок, теперь оборудуемых двигателями, отвечающими Stage II.

Новинка Perkins 403С-11 мощностью 19,5 кВт при 3 000 об/мин была представлена в 2002 г. в качестве компактного и экономичного агрегата

Следует заметить, что компаниям, не успевшим вписать свою продукцию в требования новых норм, дается возможность некоторое время продолжать выпуск старых двигателей и машин, но с каждой единицы такой техники в казну платится довольно значительная пеня.

С начала этого года вступили в силу нормы Stage II для дизелей мощностью 75 – 130 кВт. Они затронули строительные машины эксплуатационной массой от 13 до 20 т, главным образом экскаваторы, погрузчики, а также некоторые модели бульдозеров и других машин.

Но настоящий бум новых моделей начнется с наступлением 2004 г., когда действие Stage II распространится на двигатели мощностью 37 – 75 кВт и затронет машины массой 5 – 13 т, наиболее используемые. Ежегодно около 35 000 экскаваторов, фронтальных колесных погрузчиков, экскаваторов-погрузчиков, телескопических вилочных погрузчиков, строительных самосвалов и некоторых других машин с такими моторами продаются в Европе, что составляет примерно четверть всех продаж в этом регионе. Это означает, что на Bauma-2004 будет много новинок.

Заметим, что выпуск машин, не отвечающих Stage II, не прекратится. В мире остается еще немало мест (Азия, Африка), где эти нормы пока не действуют, именно туда техника, «не въездная» в Евросоюз, будет еще какое-время поставляться. Любопытно, что крупные компании, вынужденные из-за нерентабельности прекращать выпуск машин, не отвечающих Stage II, освобождают рынок для более мелких производителей, которые раньше не могли конкурировать с гигантами, а теперь смогут получать прибыль. Таковы причуды свободного рынка.

Двигатель Cummins QSB 5.9 Stage II мощностью 142 – 205 кВт (в зависимости от модификации) имеет по четыре клапана на один цилиндр и оборудован электронным управлением подачей топлива Quantum

Двигатели совершенствуются

Моторостроители всеми силами стремятся добиться соответствия продукции новым нормам без излишнего ее усложнения, а значит и без чрезмерного увеличения стоимости. Так, двигатели Cummins B3.3, 6STAA8.3 уже удовлетворяют новым нормам и не требуют изменений. В двигатели QSB5.9 вводится электронное управление, но конструкция головки с двумя клапанами на цилиндр сохраняется.

Технические усовершенствования зачастую становятся причиной увеличения стоимости силовых агрегатов, но изготовители утверждают, что дело не ограничивается «экологичностью». Двигатели с электронным управлением обладают гораздо лучшей топливной экономичностью, чем их «механические» предшественники.

По утверждению специалистов Cummins, для выполнения норм Stage II необходимо более точное дозирование цикловой подачи топлива. Его обеспечивает система Cummins Quantum. Она же позволяет увеличить мощность и улучшить топливную экономичность двигателя. Кроме того, Cummins Quantum имеет встроенные функции защиты двигателя и диагностирования неисправностей. Межсервисные интервалы на новых моторах увеличены с 250 до 500 моточасов, и очевидно, что это преимущество сохранится при переходе двигателей к нормам Stage III. И если «механическая» модификация 6-литрового дизеля Cummins развивает 206 кВт, то его «электронная» версия выдает уже 268 кВт. Это позволяет производителям тяжелой техники снижать стоимость машин за счет установки двигателей меньшего литража.

Scania модернизировала свой популярный 12-литровый двигатель мощностью 243 – 316 кВт (в зависимости от модификации), который теперь соответствует европейским нормам Stage II и американским нормам Tier II

Исследования, выполненные Liebherr еще в 1998 г., показали, что для приведения ее двигателей в соответствие Stage II достаточно установить интеркулер, а для адаптации к Stage III уже потребуются дополнительные электронные системы. Некоторые из двигателей Liebherr, устанавливавшихся на строительные машины, уже в 1998 г. соответствовали Stage II, а к 2001 г. Stage II отвечали уже все двигатели компании. Сопутствующим эффектом модернизации стали повышение мощности и снижение расхода топлива. Тогда же все строительные машины Liebherr получили новые выхлопные системы для адаптации к современным требованиям по шуму.

Нормы Stage III вступят в силу не ранее 2006 г., и фирма Liebherr уже сегодня закончила подготовку данной модификации двигателей. Серийное производство и установка на строительные машины первых двигателей Liebherr в исполнении Stage III начнется в 2003 г. По соображениям рентабельности (так как стоимость модернизированных двигателей увеличивается) переход на данные двигатели будет поэтапным и продолжится до 2006 г.

Чтобы добиться соответствия двигателей все ужесточающимся нормам, практически всем моторостроителям придется в конечном счете снабдить свою продукцию сложной электронной аппаратурой и компьютерными программами. Разработки таких систем требуют больших усилий и средств. Например, Caterpillar оценивает свои вложения в исследования и разработки двигателей Stage II в $250 млн.

Yanmar TNE – промышленные двигатели с жидкостным охлаждением мощностью 8,1 – 71 кВт

Гармонизация стандартов – проблема мирового масштаба

Крупнейшие производители двигателей работают во многих странах по всему миру. При современной тенденции к законодательному ограничению токсичности отработавших газов отсутствие гармонизации стандартов ЕЭС и США превращается для них в одну из главных проблем. Стандарты Stage II (ЕЭС) и Tier II (США) для двигателей одинаковой мощности вступили в действие в разные годы и содержат разные требования по токсичности ОГ. Такое положение заставляет производителей двигателей и машин выпускать две модификации каждой машины: одна соответствует европейским, другая – американским стандартам.

Специалисты компании Caterpillar отмечают значительное ухудшение экономичности производства и снижение эффективности коммерческой деятельности партнеров, возникающие из-за такой «двойственности» продукции. Эти проблемы непонятны для некоторых более мелких партнеров Cat: почему, пригодная для США продукция не может продаваться в Европе, и они должны делать что-то иное?

Yanmar TNV мощностью от 10 до 64 кВт удовлетворяет нормам ЕЭС и США

Единственный значительный регион в мире, где в настоящее время еще не введены полные стандарты на токсичность ОГ машин, предназначенных для эксплуатации вне дорог, – Япония. И только содержание NОx в этой стране с 1996 г. регламентировано. Министерство транспорта Японии стремится к гармонизации своего законодательства с европейскими нормами.

При продолжающейся глобализации экономики вопрос, как добиться, чтобы законодательные органы США и ЕЭС работали более согласованно, становится все важнее.

Качество топлива и токсичность ОГ

Качество топлива непосредственно влияет на токсичность выхлопа. Однако в настоящее время не существует гармонизированных общеевропейских стандартов для топлива, предназначенного для строительных машин, и это весьма серьезная проблема. Кое-где в Европе местное законодательство допускает содержание серы в таком топливе до 2 000 ррм (частей на миллион), в то время как в топливе для магистральных транспортных средств допускается не более 10 ррм.

В 2005 г. Европейская Экономическая Комиссия (ЕЭК) будет пересматривать поправку к директиве 98/07/ЕС, нормирующей качество бензина и дизельного топлива для магистральных транспортных средств. По-видимому, эти же нормы должны распространяться и на топливо для внедорожных машин. Поправка вступит в действие в 2008 г.

Двигатель Deutz 2012 мощностью 155 кВт, представленный на Bauma-2001 соответствует нормам токсичности Европы и США

Шум и токсичность ОГ

Гармонизация стандартов – проблема мирового масштаба

Снижение токсичности ОГ до установленных нормативами пределов обычно связано с мероприятиями, отнюдь не способствующими снижению шума. Характеристики работы двигателя тесно связаны между собой и изменение одной из них неизбежно влияет на другие и чаще всего – в худшую сторону.

С ужесточением норм на токсичность ОГ и шум двигателей можно ожидать, что эта проблема станет еще острее, так как двигатели оборудуются сажевыми фильтрами, системами рециркуляции ОГ и самыми большими, какие возможно, вентиляторами и радиаторами. Конструкторам строительных машин бывает очень сложно встроить в машинное отделение все эти дополнительные и увеличенные узлы и детали и при этом не ухудшить обзор оператору.

Двигатели Liebherr соответствуют нормам Stage II/Tier I

Последняя директива ЕЭС по ограничению шума для строительного оборудования 2000/14/ЕС вступила в действие с начала 2002 г. Проблема, связанная с этим документом, состоит в том, что ограничения по шуму действительны для машин любой мощности, в то время как нормы токсичности ОГ Stage II вступают в действие поэтапно. В результате такой несогласованности производители строительного оборудования должны проходить через дорогостоящий и отнимающий много времени процесс сертификации своих машин дважды – один раз на соответствие нормам по шуму, а затем, когда вступит в силу соответствующий закон по токсичности ОГ.

Следует добавить, что как только директива 2000/14/ЕС вступила в силу, на нее сразу со всех сторон стали поступать критические отзывы, так как она, главным образом, ограничивает шум от различных видов оборудования, используемого вне помещений.

Какова же перспектива?

Двигатели Cummins соответствуют нормам Stage II/Tier II

Из-за многочисленности законов, влияющих на производство двигателей, эта отрасль промышленности, похоже, обречена на целый период неопределенного положения. Следующим важным этапом процесса законотворчества стало опубликование в конце 2002 г. проекта европейских норм токсичности ОГ Stage III.

Производители двигателей и строительных машин могут считать, что они одержали маленькую победу: обеспечена гармонизация европейских норм с уже опубликованными законами США, к тому же нормы ЕЭС составлены достаточно гибко. Однако остается еще много нерешенных вопросов. В любом случае, двигателестроителям предстоит множество исследовательских и доводочных работ (и сопутствующих им затрат) до того, как новые законы вступят в действие.

Так как срок введения в действие норм Stage III приближается (видимо, это произойдет в январе 2006 г.), технические и финансовые трудности производителей двигателей будут возрастать: ведь им нужно удовлетворить требования и ЕЭК, и потребителей.