Методы снижения токсичности отработавших газов автомобилей

Методы, используемые для снижения токсичности отработавших газов двигателей с искровым зажиганием, делятся на две основные категории: конструктивные методы и очистка отработавших газов. Основные промышленно развитые страны стремятся внедрить у себя (или уже приняли) строгие нормы предельной токсичности отработавших газов. Выполнение этих норм требует использования систем снижения токсичности, включающих трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, который уже доказал свою эффективность в США, Европе и Японии

Снижение токсичности методом дозирования топлива

Рабочая смесь, качество которой определяется коэффициентом избытка воздуха λ, оказывает решающее влияние на состав отработавших газов.

Двигатель обеспечивает получение максимального крутящего момента при λ = 0,9 – эта величина обычно программируется для режима полной нагрузки двигателя. Оптимальная топливная экономичность достигается при смесях, характеризующихся λ = 1,1. Это совпадает с возможностью получения низких выбросов CO и CH. Однако выбросы оксидов азота (NO_x) при этом оказываются максимальными. Коэффициент избытка воздуха λ = 0,9 … 1,05 выбирается для режима холостого хода двигателя.

Слишком обедненная смесь приводит к появлению пропусков воспламенения, а так как смесь постепенно обедняется и далее, это влечет за собой быстрое увеличение выбросов СН.

Для предотвращения работы двигателя на сверхвысоких оборотах, когда требуется постоянное использование богатой смеси, осуществляется полное прекращение подачи топлива к двигателю.

Системы впрыска топлива позволяют добиться более точного контроля за составом смеси и значительно снизить количество выбросов отработавших газов.

Снижение токсичности отработавших газов точным смесеобразованием

Однородность смеси, ее послойное распределение и температура в зоне свечи являются основными факторами при определении способности смеси к воспламенению и последующему сгоранию с соответствующим влиянием на состав отработавших газов.

Однородные смеси и регулируемое послойное смесеобразование (богатая смесь у свечи зажигания и бедная смесь вблизи стенок камеры сгорания) представляют два пути совершенствования процесса смесеобразования.

На двигателях с одноточечным впрыском топлива для предотвращения отложения пленки топлива на стенках впускного трубопровода используется предварительный нагрев воздуха и впускного трубопровода.

Равномерное распределение

Максимальный коэффициент полезного действия (к.п.д.) двигателя может быть достигнут только при одинаковом коэффициенте избытка воздуха в каждом цилиндре.

Рециркуляция отработавших газов как способ снижения токсичности отработавших газов

Отработавшие газы направляются обратно в камеру сгорания для снижения максимальной температуры сгорания с целью снижения образования NO_x. Оптимизация системы EGR может также приводить к снижению расхода топлива. Система EGR используется любым из двух способов:

— внутренней рециркуляцией отработавших газов, обеспечиваемой соответствующей установкой фаз газораспределения (перекрытия клапанов);

— внешней рециркуляцией отработавших газов с применением управляемых клапанов.

Изменение фаз газораспределения

Большой угол перекрытия клапанов (при раннем открытии впускного клапана) позволяет увеличить внутреннюю рециркуляцию отработавших газов и поэтому может помочь в снижении выбросов NO_x. Однако, так как рециркулирующие отработавшие газы вытесняют свежую топливовоздушную смесь, то раннее открытие впускного клапана также ведет к уменьшению максимального крутящего момента. Кроме того, чрезмерная рециркуляция отработавших газов, особенно при работе двигателя на холостом ходу, может стать причиной перебоев в зажигании, что, в свою очередь, приводит к увеличению выбросов углеводородов (НС). Оптимальным решением является применение изменяемых фаз газораспределения, когда фазы газораспределения варьируются для оптимального приспосабливания процесса сгорания к условиям работы двигателя.

Влияние степени сжатия на количество токсичных компонентов отработавших газов

Ранее считалось, что повышение термического коэффициента полезного действия (к.п.д.) путем роста степени сжатия представляется эффективным мероприятием для улучшения топливной экономичности. Однако при этом одновременно увеличивается и максимальная температура сгорания, которая вызывает более высокую концентрацию выбросов NO_x.

Конструкция камеры сгорания

Снижение выбросов CH обеспечивается компактной камерой сгорания, имеющей минимальную площадь поверхности с отсутствием выемок. Центральное расположение свечи зажигания обеспечивает короткий путь распространения пламени, позволяя получить быстрое и относительно полное сгорание рабочей смеси, что приводит, кроме низких выбросов CH, к пониженному расходу топлива. Турбулизация рабочей смеси в камере сгорания обеспечивает более быстрое сгорание. Кроме создания двигателей, способных работать на обедненных смесях, оптимизация формы камеры сгорания дает возможность снизить концентрацию CH при λ = 1.

Создания вихревого движения смеси во впускном канале и оптимизация формы камеры сгорания позволяют использовать переобедненные рабочие смеси (λ = 1,4…1,6). Такие двигатели характеризуются низкой токсичностью и очень хорошей экономичностью, они не нуждаются в каталитической очистке отработавших газов. Разработки в области снижения выбросов NO_x у двигателей, работающих на переобедненных смесях, еще находятся в начальной стадии. Такие двигатели вплоть до настоящего времени с успехом применялись в Европе и Японии. Имелось только несколько моделей, использующих концепцию обедненных смесей, когда достигался компромисс между токсичностью отработавших газов и расходом топлива.

Система зажигания автомобилей

Конструкция свечи зажигания, ее положение в камере сгорания, а также энергия и продолжительность искрового разряда – все эти параметры оказывают существенное влияние на воспламенение смеси, продолжительность ее сгорания, а поэтому и на токсичность компонентов отработавших газов. Важность этих факторов возрастает в прямой зависимости от обеднения смеси (λ > 1,1). Установка момента зажигания оказывает решающее влияние как на токсичность, так и на расход топлива. При выборе момента зажигания приходится (иногда в ущерб расходу топлива) для снижения выбросов CH и NO_x выбирать более поздние углы опережения зажигания. Вместе с подачей в избытке кислорода это поднимает температуру в выпускной системе и позволяет дожигать СО и СН.

Этот метод приводит к снижению выбросов NO_x и несгоревших углеводородов, но за счет увеличенного расхода топлива. С другой стороны, если выбирается слишком большое опережение зажигания, это приводит к увеличению расхода топлива и выбросов NO_x и СН.

Вентиляция картера двигателя

Концентрация углеводородов в картере двигателя может во много раз превышать регистрируемую в отработавших газах. Система регулирования вентиляции картера перепускает картерные газы во впускной тракт двигателя, откуда они попадают в камеру сгорания для дожигания. Раньше эти газы выпускались неочищенными непосредственно в атмосферу; сейчас наличие системы снижения токсичности картерных газов является обязательным требованием.

Охрана труда

Состав отработавших газов двигателей автомобилей дает представление о полноте сгорания топлива и коэффициенте избытка воздуха. По составу отработавших газов можно судить о техническом состоянии цилиндропоршневой группы двигателя, системы питания и зажигания. Состав отработавших газов — один из параметров, определяющих пригодность эксплуатации автомобилей; при повышенном содержании оксида углерода (СО) эксплуатация автомобилей запрещена Правилами дорожного движения. Отработавшие газы автомобилей состоят из многих химических компонентов: азота, двуоксида и оксида углерода, паров воды и других элементов. Самым ядовитым компонентом является оксид углерода, содержание которого доходит у неисправных карбюраторных двигателей до 10 %. Оксид углерода — результат неполного сгорания топлива и показатель технического состояния двигателя в целом, поэтому при диагностировании двигателей в первую очередь определяется содержание СО в отработавших газах.

Наибольший выброс оксида углерода происходит при работе двигателя на режимах холостого хода и при разгоне автомобиля. На режимах холостого хода на содержание оксида углерода существенное влияние оказывает регулировка смеси с помощью винта качества.

Способы уменьшения загрязнения окружающей среды токсичными компонентами отработавших газов автомобилей

Уменьшение количества и изменение качественного состава вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду с отработавшими газами, достигается целым комплексом мероприятий. Среди них следует отметить ряд конструктивных разработок — специальные конструкции камер сгорания для работы на бедных смесях, в том числе с различными типами форкамер, рециркуляция отработавших газов, т. е. подача их части на вход в двигатель, системы регулирования фаз газораспределения, уменьшающие перекрытие клапанов на пониженных режимах, и т. д. Однако даже при использовании в конструкции двигателей всех самых передовых решений удовлетворить нормам токсичности, установленным, например, в США, Японии и странах Европы, не удается. Вследствие этого современные автомобили с бензиновыми двигателями снабжаются каталитическими нейтрализаторами.

Нейтрализатор состоит из носителя, заключенного в корпус. Носитель представляет собой керамический материал (сотовой конструкции или в виде шариков), покрытый тонким слоем катализатора из благородных металлов, например платины, палладия, родия. При температуре поверхности катализатора свыше 250—300 °С содержащиеся в отработавших газах окислы углерода СО эффективно окисляются, а их концентрация в выхлопных газах снижается во много раз. Окисление углеводородов СН происходит при более высокой температуре (400 °С). Окисление СО и СН происходит в присутствии свободного кислорода воздуха, небольшое количество которого образуется в результате сгорания:

Такие реакции могут происходить в широком диапазоне изменения состава смеси — необходимо только, чтобы отработавшие газы имели коэффициент а более 1,0, что достигается работой двигателя на обедненной смеси или подачей в систему выпуска дополнительного воздуха.

Подобные нейтрализаторы получили широкое распространение на автомобилях с начала 80-х годов, в том числе с карбюраторной системой подачи топлива. Однако последовательное ужесточение норм токсичности потребовало создания нейтрализаторов, снижающих не только концентрацию.

Именно ужесточением норм токсичности (а не требованиями экономичности или мощности) объясняется повсеместное внедрение на автомобилях сложных электронных систем топливоподачи. Сложность этих систем со временем, вероятно, будет увеличиваться вместе с дальнейшим ужесточением норм токсичности.

В отличие от бензиновых двигателей дизели имеют существенно более низкий уровень выбросов СО, NOx и СН. Наиболее низкий уровень выбросов СО и СН достигается обычно в режимах средних нагрузок.

Большие различия в уровне и характере изменения выбросов в зависимости от состава смеси у дизелей по сравнению с бензиновыми двигателями связаны с иной природой процесса сгорания — у бензинового двигателя с помощью свечи поджигается хорошо перемешанная смесь воздуха и паров топлива, а в дизеле происходит самовоспламенение в факеле распыляемого топлива в зонах с концентрацией топлива около а = 1.

В выхлопных газах дизеля присутствуют, иногда в больших количествах, частицы углерода (сажа). Это происходит из-за наличия зон богатой смеси в струе распыляемого топлива. Сажевыделение дизеля создает характерный черный дым выхлопа и так же, как и другие вещества, ограничивается нормами токсичности. Снижение сажевыделения достигается более ранним впрыском (ограниченным, правда, «жесткостью» сгорания и повышением нагрузок на детали) и ограничением подачи насоса. Среди конструктивных мероприятий следует отметить увеличение скорости впрыска и качества распыливания топлива за счет увеличения давления подачи, а также электронное регулирование подачи. Дымление двигателя резко возрастает при приближении состава смеси к стехиометрическому (а = 1), поэтому дизели, несмотря на то, что вблизи а = 1 мощность и крутящий момент максимальны, имеют ограничение а по пределу дымления. Сравнительно низкий уровень СО, СН и NOx в отработавших газах дизеля не требовал в прошлом установки специальных устройств для снижения токсичности. Однако в последние годы ужесточение норм токсичности коснулось и дизелей — на многих моделях автомобилей с дизельными двигателями уже появились системы снижения токсичности выхлопа, включающие рециркуляцию выхлопных газов, каталитический нейтрализатор и специальный сажевый фильтр.

Методы контроля и нормы допустимой токсичности отработавших газов

Дымность отработавших газов оценивается по оптической плотности отработавших газов, которая представляет собой количество света, поглощенного частицами сажи и другими све-топоглощающими дисперсными частицами, содержащимися в газах. Она определяется по шкале прибора АВТОТЕСТ-01 СО-СН-Т-Д — компактного газоанализатора-дымомера (СО, СН, мин»1, дымность); он представляет собой два прибора в одном, где установлены жидкокристаллические индикаторы с подсветкой, диапазоны измерений: 0—10 % СО, 0—5000 ррт СН, 0—10000 мин»1, 0—10 м_1/0—100% дымность (рис. 4.1, а), или МД-01 — измерителя дымности отработавших газов дизельных двигателей, который работает по принципу просвечивания мерного объема газа. Состоит из оптического блока с рабочей камерой и пульта управления с 4-строчным дисплеем. Выводит протокол измерений на встроенный в пульт принтер и разъем RS-232 для связи с компьютером. Установка нуля и обработка результатов измерений автоматизированы. Эффективная длина просвечивания — 0,43 м. Диапазон измерений 0-10 м-1/0-100 % (рис. 4.1, б). МЕТА-01 MП.01-RS232 — портативный цифровой дымомер с выходом на ПК и принтер (см. рис. 4.1). Этот прибор удобен при труднодоступных системах выпуска отработавших газов. Состоит из приборного блока и оптического датчика. Диапазон измерений: 0—10 м-1/0—100 %. Универсальное электропитание: 12 В, 220 В, и автономно от аккумулятора напряжением 9 В (рис. 4.1, в).

Рис. 4.1. Приборы для измерения дымности дизельных двигателей: а — ABTOTECT-01 СО-СН-Т-Д; б — МД-01; в — META-01 Mn.01-RS232; г -ДО-1; 1 — газоотборники; 2 — измерители со стрелочным индикатором; 3 — аккумулятор

ДО-1 — дымомер для экспресс-контроля отработавших газов дизельных двигателей. Работает по принципу просвечивания мерного объема газа. Состоит из оптического детектора (формирование и просвечивание потока газа) и измерителя со стрелочным индикатором. Шкала прибора линейная (в %). Для перевода в абсолютные значения (м-1) приведен график. Эффективная длина просвечивания 0,43 м, диапазон измерений 0—100 %, электропитание 12 В и 220 В или 24 В и 220 В.

Отбор исследуемых газов осуществляется с помощью газоотборника 7.

Измерение дымности проводится в двух режимах работы двигателя — на холостом ходу и свободного ускорения до максимальной частоты вращения вала. Температура отработавших газов не должна быть ниже 70 °С.

Дымность отработавших газов у автомобилей КамАЗ, МАЗ, КрАЗ, ЗИЛ и их модификаций в режиме свободного ускорения не должна превышать 40 %, а на максимальной частоте вращения — 15 %.

Таблица 4.1. Влияние технического состояния двигателя и автомобиля на расход топлива и токсичность ОГ*