Системы снижения токсичности выхлопа двигателей

• Система рециркуляции отработанных газов (EGR)
• Система управления клапанами инжекции воздуха (AIR)
• Система контроля топливных испарений (EECS)
• Каталитические конвертеры (Catalytic Converter)
• Кислородные датчики (O2 sensors)
• Клапаны положительной вентиляции картера двигателя (PCV)

Источники вредных выбросов

Есть три главных источника, вызывающих проблемы токсичности выхлопа в автомобиле: выбросы отработавших газов, испарения из картера двигателя и испарения из топливного бака.
Системы понижения токсичности выхлопа (Emission Control Systems) использовались с начала 1960-х годов.
В 1961г. была разработана система положительной вентиляции картера (Positive Crankcase Ventilation (PCV)), при которой в автомобилях и легких грузовых автомобилях, проданных в Калифорнии, испарения картера двигателя дозировались назад к впускному коллектору. В 1966г. система управления клапанами инжекции воздуха (Air Injection Reaction (AIR)) была встроена в автомобили и легкие грузовые автомобили, проданные в Калифорнии.
Другие системы, включая систему сгорания, которой управляют (Controlled Combustion System (CCS)) были развиты и использовались в промышленном масштабе c 1968 года.
Выделения топливных паров начали контролироваться с введением систем понижения токсичности испарений из бензобака. Эти системы начали устанавливаться с 1970 года на автомобили, проданные в Калифорнии.
Система рециркуляции отработанных газов (Exhaust Gas Recirculation (EGR)), использовалась интенсивно на моделях автомобилей с 1973 года, когда федеральные стандарты США для окисей азота вступили в силу. Эти системы были необходимы для снижения выброса окидов азота (NOx).
Каталитический конвертер обеспечил окисление угарного газа и углеводородные выбросы в выхлопе двигателей. Начиная с 1975 года выпуска, большинство легковых автомобилей США и легких грузовых автомобилей были оборудованы конвертерами.

Выбросы отработанных газов

Выхлоп автомобильных бензиновых двигателей содержит три существенных загрязнителя воздуха: угарный газ, углеводороды и окиси азота:

• Угарный газ (СO) — нормальный продукт сгорания и составляет большую часть загрязнения от автомобилей.
• Углеводороды (HC) — выделения происходят из камер сгорания цилиндров двигателя из-за неполного сгорания. Когда свеча зажигания поджигает воздушно-топливную смесь в каждой камере сгорания, фронт пламени формируется и перемещается быстро внутри камеры. Прохладные стенки цилиндров препятствуют полному сгоранию воздушно-топливной смеси. Приблизительно одна треть несгоревших углеводородов выбрасывается через систему выпуска к внешнему воздуху.
• Окиси азота (NOx) — часть полного процесса сгорания. Они увеличиваются при увеличении температуры сгорания.

Картерные газы

Во время процесса сгорания некоторое количество газов пробивается через поршневые кольца в картер двигателя.
Эти газы состоят в значительной степени из несожженного топлива (углеводороды). Утечка газов, названная «прорывом газов», происходит из-за очень высокого давления в камерах сгорания.
Картерные газы должны быть удалены от картера быстро, иначе они загрязнят и окислят моторное масло. Они могут также сформировать осадок, который может затронуть рабочие характеристики двигателя и повредить детали двигателя. Вентиляционные системы производят очистку картера от этих испарений.

Испарение топлива

Третий источник выделений от автомобилей — испарение бензина. Это происходит, не только когда топливный бак заполнен, но в других случаях, даже когда автомобиль не находится в заведенном состоянии.

В течение последующих лет, поскольку инструкции и требования изменились, системы эмиссии были развиты, изменены и использовались в различных комбинациях, чтобы соответствовать изменяющимся стандартам в течение каждого нового модельного года. Эти системы описаны в руководствах по ремонту и эксплуатации автомобилей.

Федеральные требования США по эмиссии (граммы/миля)
(легковые автомобили)

Опционная таблица контроля за эмиссией транспортного средства
(VEHICLE EMISSION CONTROL INFORMATION LABEL)

Опционная таблица контроля за эмиссией автомобиля содержит важные спецификации эмиссии.

Вверху слева — информация выброса отработавших газов, которая идентифицирует модельный год, производственное подразделение двигателя, объем двигателя, класс транспортного средства и типе управления топливом двигателя.
Кроме того, есть иллюстрированный компонент эмиссии и вакуумная схема двигателя. Этот лейбл расположен в отсеке двигателя каждого транспортного средства.

Устройство автомобилей

Способы борьбы с токсичностью выхлопных газов

Резкое повышение концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, особенно в крупных мегаполисах, связанное с интенсивным ростом автомобильного парка, не могло остаться без внимания специалистов и экологов. Очевидно, что без автомобильного транспорта невозможно представить динамичное развитие человеческого общества, но и смириться с тем, что ежечасно миллионы людей отравляют свой организм, вдыхая отраву, выбрасываемую из автомобильных глушителей, конечно же, нельзя.
Поэтому разработкам, связанным с уменьшением вредного влияния транспорта на окружающую среду, ученые, специалисты и инженеры в последние годы уделяют все более пристальное внимание.

Конечно же, наиболее привлекательным методом исключения пагубного влияния техники на условия среды обитания человека является внедрение технологий и разработок, позволяющих использовать экологически чистые и безвредные энергоресурсы.

К таковым, безусловно, можно отнести электрическую энергию и энергию, выделяемую при химических процессах, конечным продуктом которых являются безвредные для человека и природы вещества, например, вода, образуемая при соединении водорода и кислорода. Эта химическая реакция сопровождается значительным выделением тепловой энергии, которую можно было бы использовать для преобразования в механическую энергию посредством тепловых двигателей, однако в окружающей нас природе мало свободного водорода, который можно было бы использовать в виде автомобильного топлива.
Конечно, на нашей планете достаточно большое количество воды, в составе которой водорода более, чем достаточно, но расщеплять воду на составляющие элементы для последующего соединения – все равно, что изобретать вечный двигатель, поскольку затраты превысят эффект.

Электричество – экологически чистый и очень привлекательный источник энергии, но преобразовывать другие энергоресурсы в электроэнергию без значительных затрат человечество пока не научилось, как не научилось и запасать в достаточном объеме эту энергию впрок. Даже самый современный аккумулятор электрической энергии способен обеспечить работу автомобиля лишь в течение нескольких десятков километров пробега. Этого для удовлетворения возрастающих автотранспортных нужд, конечно же, недостаточно.

Привлекательным источником энергии является ядерная (атомная) энергия. Но на современном этапе развития технологий преобразования этого колоссального источника энергии в легкодоступные для практического использования виды говорить очень и очень рано.

По этим причинам в ближайшем будущем достойной замены нефтепродуктам, как основным источникам энергии для автомобильных двигателей, не предвидится.

В настоящее время определено несколько путей снижения токсичности выхлопных газов, выделяемых автомобилями и другой техникой, использующих тепловые двигатели, работающие на нефтяном топливе.
Основные направления снижения содержания вредных веществ в отработавших газах:

• совершенствование процессов сгорания топлива;
• повышение качества топлива;
• применение различных способов очистки отработавших газов от токсичных и вредных компонентов.

Полнота сгорания топлива

Совершенствование процессов сгорания топлива выгодно не только с точки зрения экологии, но и экономичности. Полностью сгоревшее топливо отдает максимум тепловой энергии для работы двигателя и выделяет в отходы значительно меньше вредных веществ, чем топливо, сгоревшее частично.

Совершенствование процессов горения топлива связано с решением многих задач – улучшение смесеобразования, повышение эффективности работы газораспределительного механизма, систем питания и зажигания двигателя.

В последние годы значительную долю этих задач конструкторы решают внедрением компьютерных технологий в процессы управления работой двигателя. Управляемые электроникой системы впрыска и зажигания, безусловно, способствуют повышению качества сгорания горючей смеси, и, конечно же, это благотворно сказывается на экологичности тепловых двигателей.

Повышение качества топлива

Повышение качества используемого для работы двигателей топлива, безусловно, имеет колоссальное значение для улучшения эклогичности автотранспорта. В любом топливе, используемом для извлечения тепловой энергии, лишь два химических элемента представляют энергетическую ценность – водород и углерод. Первый при окислении образует воду, второй – либо оксид углерода (при неполном сгорании), либо двуокись углерода (при полном сгорании).
При идеально отлаженной системе питания и зажигания эти два элемента сгорают полностью и отдают двигателю необходимую для его работы теплоту. Но идеального ничего не бывает, поэтому в выхлопных газах, как правило, присутствует некоторое количество оксида углерода, который в быту называют угарным газом.

Любое топливо, в том числе и получаемое из нефтепродуктов, содержит посторонние примеси, химические вещества и элементы в связанном или свободном состоянии. Безусловно, они тоже участвуют в процессах горения, образуя различные окислы, зачастую очень токсичные.
К таковым относятся, в первую очередь различные соединения серы и азота. Выделяя малое количество теплоты, эти вещества значительно обогащают отработавшие газы вредными примесями, т. е. являются крайне нежелательным топливным балластом.

Поэтому повышение качества топлива напрямую связано с его очисткой от механических, сернистых и азотных примесей в процессе переработки нефти. Очень выгодным в этом плане является применение газообразного топлива для двигателей, поскольку в нефтяных и природных газах посторонних примесей существенно меньше, что положительно сказывается на экологичности отходов сгорания.

Нейтрализация отработавших газов

Для очистки продуктов сгорания от токсичных и вредных веществ на двигателях, использующих в качестве топлива бензин, применяют системы нейтрализации отработавших газов вместе с системой их рециркуляции и системой улавливания паров топлива.

Основным элементом в системе нейтрализации отработавших газов является каталитический нейтрализатор, устанавливаемый в выпускной системе автомобильного двигателя.

Нейтрализатор внешне похож на обычный резонатор и часто устанавливается вместо него. Он представляет собой химический реактор с катализатором – веществом, активизирующим протекание реакций превращения одних веществ в другие.
Главными элементами каталитического нейтрализатора являются один или два каталитических сотовых блока, представляющие собой керамические или листовые гофрированные металлические цилиндры с множеством продольных каналов. На поверхность этих каналов (сот блока) нанесен пористый каталитический состав, содержащий благородные металлы (платина, палладий, родий).
Каталитический блок помещается в корпус из жаростойкой и коррозионно-стойкой стали.

Все современные нейтрализаторы являются трехкомпонентными, т. е. предназначенными для снижения выброса трех основных токсичных компонентов отработавших газов и сочетают в себе сразу две химические функции: окислительную и восстановительную.
Нейтрализатор одновременно дожигает (окисляет) не полностью сгоревшие частички топлива и продукты его неполного сгорания (в первую очередь — оксид углерода), а также восстанавливает очень ядовитые оксиды азота, разлагая их на исходные составляющие – азот и кислород.

При использовании каталитического нейтрализатора нельзя применять этилированный бензин, поскольку содержащийся в нем свинец, осаждаясь на внутренних поверхностях выпускной системы, нарушает газовую проницаемость микропор активного каталитического слоя.
В результате отработавшие газы свободно выходят в атмосферу, не соприкоснувшись с активной поверхностью катализатора.

Нейтрализатор отработавших газов начинает эффективно работать при температуре не менее 300 ˚С, при этом он начинает дополнительно разогреваться в результате происходящих в нем химических процессов. Важно так разместить нейтрализатор в системе выпуска отработавших газов, чтобы его температура во время работы не превышала 900…950 ˚С, иначе возможно разрушение каталитического слоя, сот и даже корпуса нейтрализатора.
В этом случае сгоревший нейтрализатор не только перестает выполнять свою функцию, но и существенно снижает мощность двигателя, оказывая сопротивление выпуску отработавших газов, и ухудшая тем самым наполняемость цилиндров свежим зарядом.

Особенно велика вероятность повреждения нейтрализатора при отказе в работе одного из цилиндров двигателя. При этом несгоревшая в цилиндре горючая смесь загорается в нейтрализаторе, интенсивно разогревая и сжигая активную каталитическую поверхность его сот.

Для обеспечения эффективной работы нейтрализатора отработавших газов и точного дозирования топлива, подаваемого в цилиндры двигателя, используется лямбда-зонд, или кислородный датчик, который отслеживает состав выхлопных газов и корректирует посредством электронного блока управления количество подаваемого в цилиндры топлива.