Экологическая система автомобиля с рециркуляцией отработавших газов

Д.Соснин
В последние годы значительно возросли требования к очистке выхлопных отработавших газов автомобиля от токсичных компонентов. Наряду с этим стали нормироваться допуски и на испаряемость бензина из бензобака. Это привело к необходимости установки на современных легковых автомобилях специальных экологических систем, которые работают совместно с системой впрыска топлива

Современные легковые автомобили оборудуются системами экологической защиты окружающей среды в обязательном порядке. Есть несколько способов понижения концентрации вредных веществ (токсиногенов), попадающих в атмосферу и окружающую среду при работе автомобиля. Основные из них следующие.

1. Экологическая система автомобиля с кислородным датчиком (система ЭСК)

Система ЭСК предназначена для работы совместно с электронным карбюратором, либо в составе любой системы впрыска топлива, где она корректирует состав ТВ-смеси при изменении процентного содержания кислорода в выхлопных отработавших газах. При этом в систему впрыска добавляются:
1) кислородный датчик (КД), установленный в выпускном канале ДВС в потоке ОГ;

2) авторегулятор (блок РЭС), выполненный в виде электронной схемы, помещенной в корпус обычного реле или интегрированной в ЭБУ системы впрыска;

3) тактовый электробензоклапан (ТЭК), установленный между топливоподающей и обратной бензомагистралями и работающий по импульсным сигналам от блока РЭС;
4) термовыключатель (ТВК), установленный в системе жидкостного охлаждения ДВС (только для механических систем впрыска), или датчик температуры ДВС (для систем впрыска с электронным управлением).
Функциональная схема экологической системы ЭСК, которая включена в состав системы впрыска «К-Jetronic», показана на рис. 2.
Такая система работает следующим образом.

Пока двигатель холодный, термовыключатель ТВК 7 разомкнут, и система ЭСК не функционирует. Система впрыска в это время работает без коррекции состава ТВ-смеси по содержанию кислорода в ОГ, т.е. в обычном режиме обогащения ТВ-смеси для холодного двигателя.

После прогрева ДВС до определенной температуры (55. 60°С) термовыключатель 7 замыкается, и напряжение от бортсети автомобиля (по массе) подается на авторегулятор РЭC 2. С этого момента авторегулятор РЭС начинает реагировать на сигналы кислородного датчика 9, который к этому времени сам прогревается до рабочей температуры +300°С, так как установлен в выпускном коллекторе 10. Электронная схема авторегулятора (блок РЭC 2) представляет собой генератор электрических импульсов с постоянной длительностью, но с управляемой частотой следования. Частота следования управляется аналоговым сигналом Ед от кислородного датчика КД 9. В РЭC сигнал предварительно обрабатывается и преобразуется с помощью пороговой электрической схемы в последователь ность импульсов для управления тактовым электробензоклапаном ТЭК 3.

Таким образом концентрация кислорода в ОГ определяет периодичность следования импульсов, поступающих на тактовый клапан 3 от РЭC 2. Когда на тактовый клапан поступает электрический импульс, он открывается. При отсутствии импульсов тактовый клапан закрыт.

При открытии тактового клапана рабочее давление в главной топливной магистали ПБМ падает и топливовоздушная смесь обогащается, так как мембрана 6 дифференциального клапана в дозаторераспределителе 4 больше прогибается вниз, и топлива к форсункам поступает больше. Если тактовый клапан закрывается, то мембрана дифференциального клапана больше прогибается вверх, и смесь обедняется.

Система ЭСК регулирует коэффициент избытка воздуха а таким образом, чтобы он все время был близким к единице. Как следствие, концентрация окиси углерода СО и углеводородов СН в ОГ поддерживается на низком уровне. Однако, ЭСК не позволяет понизить концентрацию оксидов азота NOx, так как они образуются под большим давлением и особенно под действием высокой температуры и мало влияют на концентрацию кислорода в ОГ.

В тех случаях, когда применяется этилированный бензин, система ЭСК может быстро выйти из строя за счет оседания тяжелых соединений свинца на наружной платиновой поверхности кислородного датчика. Чувствительность активного катализатора из благородного металла резко падает. Датчик при этом перестает функционировать. Чтобы этого не происходило, кислородный датчик заменяется пробкой-заглушкой, а остальные компоненты системы ЭСК остаются на автомобиле. Система без кислородного датчика продолжает функционировать, но уже не в режиме регулирования частоты срабатывания тактового клапана, а в режиме подачи на него последовательности импульсов с постоянной скважностью 0,5. При этом 50% времени тактовый клапан открыт, а 50% закрыт. Частота следования импульсов достаточно высокая (50. 60 Гц) для того, чтобы в главной топливной магистрали рабочее давление не успевало изменяться от импульса к импульсу. При этом рабочее давление устанавливается на таком среднем уровне,при котором состав рабочей смеси может регулироваться обычным способом (штатными режимами работы системы впрыска).

Если автомобиль переведен обратно на эксплуатацию с неэтилированным бензином, то система ЭСК может быть быстро приведена в действие путем установки кислородного датчика вместо пробкизаглушки и его подключением к блоку РЭС.

2. Экологическая система автомобиля с рециркуляцией отработавших газов (система ЭСР)

Система ЭСР (в зарубежной литературе — система EGR) относится к таким системам, в которых имеет место воздействие на процесс горения ТВ-смеси в камере сгорания с целью понижения токсичности отработавших газов (ОГ).

Система ЭСР работает по принципу понижения температуры в цилиндре на режимах средних (самых распространенных) нагрузок ДВС. При этом интенсивность образования оксидов азота NOx значительно понижается.

Понижение температуры горения в цилиндре достигается путем введения в него части ОГ из выпускного коллектора через впускной коллектор, т.е. путем рециркуляции продуктов сгорания. Так как ТВ-смесь при этом разбавляется пассивными выхлопными газами, то рабочее соотношение «бензин-воздух» в смеси остается неизменным, но температура горения понижается.

Для реализации системы ЭСР в систему впрыска бензина добавляются следующие устройства:

1) клапан КР рециркуляции отработавших газов с управлением от разрежения в близкой преддроссельной зоне впускного коллектора (в системах группы К), либо с управлением от ЭБУ-впрыска (в системах группы L);

2) термопневмоклапан ТПК (в системах группы К), или датчик температуры двигателя (в системах группы L), которые устанавливаются в потоке охлаждающей жидкости ДВС и разрешают работу клапана рециркуляции после прогрева двигателя.

На рис. 3 представлена функциональная схема экологической системы с рециркуляцией которой оснащена система «K-Jetronic». Система ЭСР работает следующим образом.

При температуре охлаждающей жидкости ДВС ниже 45°С термопневмоклапан ТПК 16 закрыт, и рециркуляция не имеет места, так как пневматический канал к клапану рециркуляции КР перекрыт (рис. 4). При температуре выше 60°С клапан ТПК открывается за счет прогиба биметаллической диафрагмы 9 в сторону охлаждающей жидкости 10, и с этого момента разрешается работа пневмоклапана рециркуляции КР. Таким образом, как и в системе ЭСК, работа системы ЭСР начинается после прогрева ДВС.

Система рециркуляции ЭСР в системах впрыска группы К работает только на режимах частичных нагрузок. Как видно из рис. 4 а,

это имеет место потому, что вакуумный канал 2 клапана рециркуляции КР выведен не в задроссельную, а в ближнюю преддроссельную зону впускного коллектора (чуть выше края дроссельной заслонки 1). При таком положении вакуумного канала дроссельная заслонка может управлять степенью разрежения в клапане рециркуляции только в начале своего открытия, когда разрежение в канале достаточно высокое. Когда в режиме ХХ дроссельная заслонка закрыта (рис. 4 а), канал к клапану рециркуляции находится в зоне атмосферного давления и клапан КР тоже закрыт. На всех остальных (после ХХ) режимах работы ДВС (на частичных нагрузках) клапан КР открыт (см. рис. 4 б). Но как только дроссельная заслонка открывается более чем на 70 угловых градусов, разрежение в вакуумном канале начинает падать (переход на режим полной нагрузки) и под действием возвратной пружины клапан рециркуляции КР снова закрывается (см. рис. 4 в).

Следует отметить, что в некоторых вариантах систем ЭСР термопневмоклапан ТПК 4 (рис. 4 г) отсутствует. И тогда вакуумный канал несколько измененного по конструкции клапана рециркуляции КР подключается непосредственно к впускному коллектору. В системах впрыска с электронным управлением клапан рециркуляции управляется электрически от ЭБУ впрыска.

Вышеописанный процесс рециркуляции отработавших газов с помощью наружного пневматического клапана рециркуляции называется внешней рециркуляцией. Но рециркуляция отработавших газов может иметь место также непосредственно в камерах сгорания двигателя, механизм газораспределения которого работает со значительным смещением фазы перекрытия клапанов в сторону впуска. Такая рециркуляция называется внутренней. Предполагается, что на двигателях следующего поколения, когда станет возможным электронное управление клапанами в газораспределительном механизме, необходимость во внешней рециркуляции отпадет.

3. Экологические системы автомобиля с нейтрализацией отработавших газов в выпускном тракте (система ЭСН)

Нейтрализацию токсичных веществ в выпускном канале после их эвакуации из цилиндров можно реализовать с помощью различных газонейтрализаторов.

На современных легковых автомобилях самыми распространенными являются комбинированные каталитические газонейтрализаторы (КГН).

На рис. 5 а показан комбинированный трехкомпонентный

двухсекционный каталитический газонейтрализатор (КГН), состоящий из двух последовательно соединенных нейтрализаторов — восстановительного (ВГН) и окислительного (ОГН). В обоих случаях катализатором являются тонкие платино-родиевые пленки, нанесенные на внутреннюю поверхность сотовой керамики 2. Отработавшие газы пропускаются через соты. Сотовое тело комбинированного газонейтрализатора разделено на две секции. Конструкция сот и линейные размеры секций несколько различны. Ряд КГН изготавливается с применением керамических гранул вместо сотовых секций. Но гранулы, как и соты, покрываются тонкой пленкой катализатора из благородного металла. Первая секция (по направлению движения отработавших газов) выполняет функции однокомпонентного высокотемпературного (600. 700°С) восстановительного нейтрализатора для оксидов азота NOx. Здесь протекает химическая реакция 2NO + 2CO = N2 + 2СО2, из которой видно, что восстановление азота N2 из моноокиси азота NO происходит при наличии некоторого избытка угарного газа СО, который в данном случае является восстановительной средой. Таким образом, нейтрализация окиси азота NO протекает более эффективно, если двигатель работает на несколько обогащенной ТВ-смеси (а = 0,95), и восстановительный нейтрализатор установлен до окислительного. Для более эффективной работы в некоторых конструкциях КГН (для мощных ДВС с большим объемом цилиндров) предусматривается подача дополнительного воздуха в сек¬цию окислительного нейтрализатора через специальный штуцер.

При сгорании более богатых ТВ-смесей (а

бензина для двигателей, оборудованных электронным управлением от ЭБУ. Испарение бензина значительно увеличивается при температуре выше 25°С и герметичный бензобак оказывается под излишним внутренним давлением Рп. Под напором внутреннего давления пары бензина перепускаются по соединительному шлангу 17 в замкнутый объем угольного фильтра 16, где адсорбируются на гигроскопичных гранулах активированного угля 14. Активированный уголь обладает свойством легко накапливать в своих порах бензин и также легко отдавать его в поток 18 продувочного воздуха.

Поток продувочного воздуха (через угольный фильтр) формируется поршневым всасыванием при работе двигателя. Для этой цели воздушный шланг от входного штуцера 12 на угольном фильтре подведен к специ¬альному штуцеру на воздушном фильтре. Но перепускать пары бензина во впускной коллектор сразу после запуска двигателя нерационально, так как при пуске и прогреве ТВ-смесь обогащается по специальной программе, заложенной в памяти электронного блока управления (ЭБУ) впрыском. Поэтому в разрыв воздушного соединительного шланга 7 между угольным фильтром и двигателем устанавливается запорный пневмоклапан (ЗПК) 6 с электрическим управлением от ЭБУ 11. Этот клапан открывается только после прогрева и при таком режиме работы двигателя, при котором требуется обогащенная ТВ-смесь (например, при разгоне и полной нагрузке).

Если концентрация паров бензина в продувочном потоке воздуха через угольный фильтр составляет 1%, то обогащение ТВ-смеси во впускном коллекторе увеличивается на 20%. Чтобы не происходило более значительного обогащения, клапан ЗПК работает в тактовом режиме от импульсного сигнала ЭБУ. Программа управления тактовым клапаном ЗПК заложена в ЭБУ впрыска и обычно адаптирована под температуру Тд двигателя (датчик 8) и концентрацию кислорода в выхлопных отработавших газах (датчик 10).

Нейтрализация картерных газов, концентрация токсичных химических соединений в которых значительно выше концентрации в отработавших газах, на современных двигателях реализуется с помощью обычной подсистемы вентиляции картера.

В заключение следует подчеркнуть, что из всех проблем современного автомобильного двигателестроения нейтрализация выхлопных отработавших газов самая злободневная.
РЕМОНТ&СЕРВИС-12’2000

Назначение системы EGR и особенности ее работы

Система рециркуляции отработавших газов EGR разработана для повышения экологического класса двигателя автомобиля. Ее применение позволяет снизить концентрацию оксидов азота, присутствующих в выхлопе. Последние недостаточно хорошо устраняются катализаторами и, поскольку являются наиболее токсичными компонентами в составе отработавших газов, требуют применения дополнительных решений и технологий.

Принцип действия системы

EGR – аббревиатура от англоязычного термина Exhaust Gas Recirculation, что в переводе означает “рециркуляция отработавших газов”. Основная задача такой системы заключается в перенаправлении части газов из выпускного коллектора в впускной. Формирование оксидов азота прямо пропорционально температуре в камере сгорания двигателя. При подаче отработавших газов из системы выхлопа в систему впуска уменьшается концентрация кислорода, что выступает катализатором в процессе сжигания топлива. В результате температура в камере сгорания снижается, а процент образования оксидов азота уменьшается.

Система рециркуляции отработавших газов

Применяется система ЕГР для автомобильных двигателей, работающих на дизельном топливе и бензине. Исключение составляют только бензиновые автомобили с турбонаддувом, где использование технологии рециркуляции неэффективно из-за особенностей режима работы двигателя. В целом, благодаря технологии EGR достигается снижение концентрации оксида азота до 50%. Помимо этого уменьшается вероятность детонации, обеспечивается более экономный расход топлива (почти на 3%), а для автомобилей с дизельным двигателем характерно уменьшение количества сажи в выхлопе.

Основной деталью системы рециркуляции выхлопных газов является клапан EGR, который управляет потоком отработавших газов, поступающих во впускной коллектор. Он работает в условиях повышенных температур и подвергается высокой нагрузке. Снижение температуры может реализоваться принудительно, для чего нужен радиатор охлаждения (охладитель), который устанавливается между системой выпуска и клапаном. Он входит в общую систему охлаждения автомобиля.

В дизельных моторах клапан EGR открывается на этапе холостого хода. При этом 50% поступающего в камеры сгорания воздуха составляют отработавшие газы. С ростом нагрузки клапан постепенно закрывается. Для питания бензинового двигателя система рециркуляции работает, как правило, только на средних и малых оборотах двигателя, обеспечивая до 10% выхлопных газов в общем объеме воздуха.

Виды клапанов EGR

На данный момент существует три разновидности клапанов EGR, различающихся по типу привода:

• Пневмомеханический – простейшая (устаревшая) система привода рециркуляции выхлопных газов. Фактически, управление клапаном в этой схеме осуществляется за счет создания разрежения во впускном коллекторе автомобиля.
• Электропневматический. Пневмоклапан EGR приводится в движение электроклапаном, управляемым ЭБУ двигателя автомобиля на основании данных комплекта датчиков (противодавления выхлопных газов, температуры, положения клапана, давления на впуске, температуры охлаждающей жидкости). Он осуществляет подключение и отключение источника разрежения к клапану EGR, имея лишь два положения. В свою очередь, разрежение в такой системе может создаваться вакуумным насосом.
• Электронный. Клапан EGR такого типа приводится в движение непосредственно ЭБУ двигателя автомобиля. Он имеет три положения, что обеспечивает более плавное регулирование потока отработавших газов. Переключение положения электронного клапана EGR осуществляется соленоидами, которые открывают и закрывают его в различных комбинациях. В такой системе разрежение не задействуется.

Виды систем рециркуляции дизеля

Для дизельного двигателя используется несколько типов систем для рециркуляции отработавших газов EGR, cбор которых определяется экологическими стандартами автомобиля. В настоящее время их три:

• Высокого давления (соответствует стандарту Евро 4). Клапан EGR напрямую соединяет выпускной (устанавливается перед турбокомпрессором) и впускной коллекторы. В этой схеме применяется электропневматический привод. При закрытой дроссельной заслонке во впускном коллекторе давление снижается, в результате чего создается более высокое разрежение. Это приводит к увеличению поступающего потока выхлопных газов. С другой стороны, уменьшается интенсивность турбонаддува, поскольку на турбину поступает меньше отработавших газов. Когда дроссельная заслонка полностью открыта, EGR не работает.
• Низкого давления (соответствует стандарту Евро 5). В такой схеме клапан подключен к системе выпуска на участке между сажевым фильтром и глушителем, а в системе впуска – перед турбокомпрессором. Благодаря такому подключению снижается температура отработавших газов, также они очищаются от примесей сажи. При этом, в сравнении со схемой высокого давления, турбонаддув выполняется на полной мощности, поскольку через турбину проходит весь поток газов.
• Комбинированная (соответствует стандарту Евро 6). Представляет собой сочетание схемы высокого и низкого давлений, каждая из которых имеет собственный клапан рециркуляции. В обычном режиме эта схема работает по каналу низкого давления, а при повышенной нагрузке подключается канал рециркуляции высокого давления.

В среднем, клапан EGR служит до 100 тысяч километров пробега, после чего может засориться и выйти из строя. Далее, в большинстве случаев, автомобилисты, не понимая, для чего нужны системы рециркуляции, просто полностью удаляют их.