Система снижения токсичности что это

Системы снижения токсичности выхлопа

В результате процесса сгорания в мотоциклетном двигателе образуются углеводороды (СН), окись углерода (СО) и оксиды азота (NO2). Выбросы CH состоят из сырого, несгоревшего топлива, которое проходит через двигатель. Они указывают на существенные нарушения в сгорании, смесеобразовании или на механическую неисправность. СО — частично сгоревшее топливо, избыток СО указывает на обогащение смеси, вызванное или избытком топлива, или недостатком воздуха. N02 образуется из-за чрезмерного обеднения смеси (недостатка топлива, избытка воздуха) или очень высоких температур двигателя.

Всемирная потребность в снижении количества вредных выбросов отработавших газах привела к развитию систем снижения токсичности выхлопа на автомобилях, обеспечивающих выполнение действующих норм. Хотя эти нормы в различных странах различны, в совокупности они привели к снижению шумов двигателя и выхлопа, а также снижению выбросов системами питания и выпуска. Строгие законодательные акты, ограничивающие уровень вредных выбросов, уже приняты в Калифорнии (США) и Швейцарии, а мотоциклы, предназначенные для этих регионов, оснащаются системами снижения токсичности выхлопа. С 2006 года обязательное ограничение выбросов мотоциклов, объем двигателя которых превышает 150 куб.см., касается государств — членов Европейского Сообщества.

Снижение шума выпуска было достигнуто за счет улучшения конструкции глушителя, а шума двигателя — за счет использования жидкостного охлаждения и виброизоляционных материалов. Снижение выбросов вредных испарений обеспечивается использованием систем, предотвращающих попадание в атмосферу кратерных газов и несгоревшего топлива (из дренажного отверстия топливного бака). Выбросы отработавших газов снижаются благодаря тщательному управлению подачей топлива, обеспечиваемому системой впрыска топлива, системам вторичного воздуха (рециркуляции воздуха), улучшающих догорание отработавших газов, и каталитическим нейтрализаторам.

Содержание

Системы снижения токсичности картерных газов [ ]

При работе двигателя его детали, которые двигаются возвратно-поступательно, заставляют воздух в картере перемещаться, так что давление внутри двигателя постоянно изменяется. Из этого следует, что двигателю необходим какой-нибудь сапун или вентиляция. Кроме того, газы прорываются при сгорании по кольцевым уплотнениям из камеры сгорания в картер.

Система вентиляции картера

На четырехтактных двигателях для предотвращения попадания в атмосферу воздуха, находящегося в картере, сильно загрязненного маслом и определенным количеством несгоревшего топлива, прорвавшегося по поршням, делается следующее. Воздух отводится в корпус воздушного фильтра при помощи шланга, который называют «шлангом вентиляции картера»

Обычно перед шлангом вентиляции в картере располагается камера с маслоотбойником, улавливающим большие частицы масла, которые затем отводятся обратно в поддон. Воздух, прошедший через нее, все еще тщательно перемешан с масляным «туманом*. Он направляется в маслоотделитель (располагающийся либо перед корпусом воздушного фильтра, либо внутри него), в котором масло отделяется и направляется в сливной бак или в закрытую дренажную трубку (которую периодически необходимо опорожнять). Тем временем, оставшийся воздух и «масляный туман» заново попадают в корпус воздушного фильтра, а затем в двигатель вместе со свежим воздухом, где сгорают на такте рабочего хода.

Система снижения токсичности испарений топлива (EVAP) [ ]

Система EVAP, применяющаяся на мотоцикле Suzuki GXR-R750

Эта система, носящая название «EVAP», предотвращает попадание паров топлива из бака в атмосферу, поглощая их в заполненной древесным углем емкости. Согласно законодательству, начиная с 1984 года, в Калифорнии (США) система устанавливается на все мотоциклы, она также используется в Швейцарии. На мотоциклах без системы EVAP вентиляция бака осуществляется в атмосферу через сапун в крышке заливной горловины или через вентиляционный шланг.

При неработающем двигателе пары топлива из бака направляются через клапан опрокидывания в емкость, где они поглощаются и хранятся во время стоянки мотоцикла. При запуске двигателя разрежение во впускном трубопроводе открывает распределительный клапан очистки, и тогда пары, хранящиеся в емкости, подаются в карбюратор и сгорают на такте рабочего хода.

Клапан опрокидывания закрывает и предотвращает любую утечку топлива через него в случае опрокидывания мотоцикла. В крышке заливной горловины есть обратный клапан, который пропускает воздух в бак по мере уменьшения объема топлива, но предотвращает любые протечки паров топлива наружу. В некоторых системах всевозможные испарения из карбюратора также отводятся в емкость через двухходовой клапан, допускающий прохождение пара от карбюраторов в емкость (при неработающем двигателе) и позволяющий пару протекать обратно (при работающем двигателе).

Система снижения токсичности отработавших газов [ ]

Системы подачи воздуха (PAIR) [ ]

Система подачи воздуха, которая часто называется «PAIR» (pulse secondary air), снижает количество несгоревших углеводородов, отводимых с отработавшими газами. В ней используются пульсации отработавших газов для подсоса свежего воздуха в выпускные каналы, где он перемешивается с нагретыми выхлопными газами.

Дополнительный кислород способствует продолжению сгорания (догоранию), позволяющему выгореть несгоревшим углеводородам, таким образом снижая токсичность выбросов. Лепестковые клапана управляют расходом воздуха, поступающего через каналы, открываясь при наличии разрежения и предотвращая протечку отработавших газов при наличии избыточного давления. Отсечной воздушный клапан перекрывает подачу воздуха при торможении двигателем, тем самым предотвращая обратные вспышки.

Каталитические нейтрализаторы [ ]

Пример каталитического нейтрализатора

Ограниченное использование каталитических нейтрализаторов на мотоциклах было связано с отсутствием моделей с системой впрыска топлива. Эта система очень важна в случае применения катализатора, поскольку он работает эффективно только при строго определенных условиях, которые карбюраторы не могут обеспечить. Существуют примеры использования каталитических нейтрализаторов на моделях с карбюраторными двигателями. Эти системы обычно оборудуются отсечными топливными клапанами, которые предохраняют каталитический нейтрализатор от повреждения, связанного с попаданием в камеру сгорания переобогащенной смеси. Катализатор — это вещество, которое инициирует химическую реакцию между другими элементами, но само непосредственно в реакции не участвует. Преимущество этого в том. что при работе катализатор не расходуется и свойства его не меняются, так что он продолжает работать, несмотря на все, вокруг него происходящее. Сам по себе каталитический нейтрализатор необслуживаемый, но он очень хрупкий и может быть поврежден при неисправности системы выпуска; также он может быть поврежден при использовании этилированного бензина или неправильной топливовоздушной смеси.

Каталитический нейтрализатор — это «пористая» структура, которая устанавливается в систему выпуска перед глушителем шума. Она содержит катализаторы — обычно платину, палладий и радий, которые используются отдельно или в соединениях, — для осуществления химических реакций вредных выбросов в отработавших газах, по мере их прохождения по выпускной системе. Они преобразуют СН, СО и N02 в безопасный водяной пар, двуокись углерода и кислород. Пористая структура увеличивает поверхность для обеспечения реагирования всех вредных выбросов с соответствующим (ми) катализатором(ами), но при этом не увеличивает сопротивление потоку. Расположение каталитического нейтрализатора в выпускной системе обусловлено условиями работы, поскольку он может функционировать в пределах заданного температурного интервала.

Каталитический нейтрализатор может нормально функционировать только на неэтилированном бензине. Это связано с тем, что продукты сгорания этилированного бензина содержат трудноудаляемые отложения, которые ухудшают доступ отработавших газов к катализатору.

Система снижения токсичности что это

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)

Углеводороды (HC)			Угарный газ (CO)		Оксиды азота (NOx)
Год выпуска	Калифорн.	Федер.	Калифорн.	Федер.	Калифорн.	Федер.
1960 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995-2000	— 0.41 0.41 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.41 0.41 0.41 0.41 —	10.6 1.5 1.5 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41	— 9.0 9.0 9.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 3.4	84.0 15.0 15.0 7.0 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4	— 1.5 1.5 1.0 0.7 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4	4.1 2.0 2.0 2.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
До 1960 года – контроль отсутствовал

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.

Свежее дыхание: как и почему на ВАЗах появилась система снижения токсичности

Всем хорош старый-добрый двигатель внутреннего сгорания, да только его выхлоп, мягко говоря, воздух отнюдь не озонирует. Именно поэтому моторостроители всего мира уже несколько десятилетий бьются над проблемой снижения токсичности отработавших газов. Можете не верить, но в СССР для некоторых модификаций автомобилей ВАЗ система снижения токсичности выхлопа была разработана более тридцати лет назад. Однако встретить её на "живой" машине для внутреннего рынка было практически невозможно, из-за чего тема обросла множеством домыслов, догадок и даже просто мифов. Итак, сегодня мы вспомним о то, как, для чего и почему отечественные Лады обзавелись подобной системой, а также постараемся отделить правду от вымысла.

Следуя тренду

У же в конце семидесятых годов в мире всерьез задумались над тем, чтобы сделать выхлоп автомобилей «более чистым». Конструкторы решали этот вопрос «подручными средствами», и еще до эпохи электронного впрыска на автомобилях с классической системой питания появились компоненты, снижающие концентрацию СО и СН в выхлопных газах.

Для АвтоВАЗа объемы экспорта автомобилей были очень важны с самого начала запуска производства, ведь каждая проданная за рубежом машина означала поступление в государственную казну иностранной валюты. Неудивительно, что на ужесточение норм токсичности в Тольятти реагировали незамедлительно. В частности, в КБ автомобильной электроники для автомобилей «шведской комплектации» в начале восьмидесятых годов разработали специальное устройство – механизм, который под управлением электронного блока должен был на принудительном холостом ходу (ПХХ) некоторое время удерживать дроссельную заслонку приоткрытой для того, чтобы топливная смесь сгорала более эффективно.

Однако более серьезным испытанием оказались нормы токсичности США, введённые в 1983 году. По уровню выбросов СО и СН они примерно соответствовали куда более позднему европейскому стандарту Евро 1. То есть, уложиться в их выполнение без каталитического нейтрализатора и «умной» электроники было невозможно даже на «восьмерочном» двигателе, который работал на относительно бедных смесях, а его карбюратор Солекс был оборудован экономайзером принудительного холостого хода.

Два варианта

Первым представителем системы снижения токсичности для автомобилей ВАЗ был комплект производства фирмы OLSON-DINOL (1988-1990 гг.). Он состоял из блока управления смесеобразованием в карбюраторе Air-Fuel ratio controller Model 4/8E (Part no. 314002), микропроцессорного зажигания со специальным коммутатором Ignition control module Model EKE-1A (Part no. 314005) и датчиком детонации, по показаниям которого осуществлялась коррекция угла опережения зажигания.

Система снижения токсичности OLSON-DINOL в заводском каталоге ВАЗ

Система OLSON-DINOL состояла из блока управления и специального коммутатора (фото – из архивов Александра Подзолкова и Марко Яэтма)

Коммутатор размещался на стандартном для «восьмерки» месте (моторный щит в районе левого «стакана» кузова), а вот для «мозгов» был предусмотрен специальный кронштейн на кузове – на полке за моторным щитом в районе правого «дворника».

Для крепления дополнительного блока на кузове предусматривался специальный кронштейн (Фото – Евгений Карпунин)

На Самарах с этой системой вместо обычного «восьмерочного» Солекса устанавливалась модификация карбюратора 21083-1107010-61, отличавшаяся наличием пары актюаторов и полуавтоматического пускового устройства — «автоподсоса» вместо классической воздушной заслонки.

На машинах с системой снижения токсичности применялся Солекс с «автоподсосом» (Фото — Марко Яэтма)

При этом в системе зажигания оставался стандартный трамблёр! Разумеется, требуемую чистоту выхлопа обеспечивала не только электроника, но и каталитический нейтрализатор.

Более поздний вариант, встречавшийся на экспортных Ладах после 1990 года выпуска, — система снижения токсичности производства фирмы AXTEC, которая состояла из установленного под правым передним сиденьем блока управления AXTEC AFR (Part no. 314012), трехкомпонентного нейтрализатора, карбюратора 21083-1107010-62 с двумя электромагнитными клапанами и «автоподсосом», а также датчика кислорода (лямбда-зонда).

Система снижения токсичности AXTEC в заводском каталоге ВАЗ

Блок управления смесеобразованием AXTEC располагался под сиденьем переднего пассажира (Фото из архива Евгения Карпунина)

Чтобы уложиться в нормы США-83, в системе выпуска предусмотрели каталитический нейтрализатор

Визуально отличить «экологически чистую» Самару можно было по наклейке на заднем стекле

От первой версии на компонентах OLSON-DINOL система с блоком AXTEC отличалась обычным коммутатором и отсутствием датчика детонации, причем на «жигулёвских» двигателях классическую контактную систему зажигания в любом случае заменяли электронной.

Кроме того, для того, чтобы уложиться в требования по нормам токсичности США-83, автомобили с такими системами оборудовались и рециркуляцией отработавших газов, а также системой улавливания паров топлива.

В каталогах немецкого импортера Deutsche Lada встречалось два варианта катализаторов – более дешевый нерегулируемый без датчика кислорода (уровень выбросов Евро 0) и обратной связи или трехкомпонентный регулируемый, который как раз и соответствовал американскому стандарту US-Norm’83.

Катализатор стал неизменной опцией в «дилерском» каталоге немецкого импортёра Deutsche Lada (Фото из архива Евгения Карпунина)

Еще одна интересная деталь – наличие на приборной панели индикатора «cheсk engine». Он выполнял функцию самодиагностики системы, поскольку световое табло загоралось каждый раз при запуске двигателя и гасло сразу после пуска.

Автомобили с системой снижения токсичности можно было отличить по наличию индикатора «Check Engine»

Если же индикатор мигал или горел непрерывно, владельцу автомобиля следовало обратиться на СТО для диагностики неисправностей системы снижения токсичности.

Как это работало

На прогретом двигателе в режиме холостого хода и частичных нагрузок электронный блок управления образованием смеси всегда поддерживал такое соотношение между воздухом и топливом, которое бы обеспечивало наиболее полное её сгорание, а также позволяло бы нейтрализатору эффективно работать. Как и на куда более современном впрыске, для обратной связи в такой системе токсичности использовался датчик концентрации кислорода — так называемый «лямбда-зонд».

Подобная схема снижения токсичности встречалась на многих европейских малолитражках с карбюраторным двигателем

Обработав информацию, полученную от датчика, контроллер подавал на актюаторы холостого хода и главной дозирующей системы серию электрических импульсов, длительность которых и определяла количество топлива. Кроме того, у электроники были и другие «информаторы» — входная информация в контроллер также поступала с датчика полной нагрузки, системы ЭПХХ и катушки зажигания.

Для снижения содержания азота в отработавших газах была предусмотрена система рециркуляции, которая в зависимости от температуры двигателя и нагрузки на него пускала часть отработавших газов из выпускного коллектора во впускную трубу.

Задача же полуавтоматического пускового устройства заключалась в том, чтобы обеспечить оптимальное положение воздушной и дроссельной заслонок в зависимости от температуры окружающей среды и степени прогрева двигателя.

Загадочный МПСЗ

Многие поклонники переднеприводных автомобилей ВАЗ путаются в системах управления, принимая микропроцессорное зажигание за элемент системы снижения токсичности. Действительно, в вариантном исполнении Самары оснащались двумя вариантами МПСЗ – сделанным в Болгарии МС-4005 и советским МС-2713.

Эти системы микропроцессорного зажигания отличались конструкцией — в болгарском изделии коммутатор был встроен в основной блок управления, а на советском варианте МПСЗ был предусмотрен внешний двухканальный коммутатор серии 3734.

Блок МС-4005 системы МПСЗ болгарского производства

Блок МС-2713 производства Народной Республики Болгарии (Фото — Александр Подзолков)

Ранние двухканальные коммутаторы 36.3734 и 42.3734 производства СССР

Блоки управления системой микропроцессорного зажигания размещались на полке моторного щита в районе правого стеклоочистителя, для чего на кузове был предусмотрен специальный кронштейн крепления. Интересно, что для установки комплекта снижения токсичности OLSON-DINOL на кузове предусматривалось несколько другое крепление.

Кронштейн для МПСЗ конструктивно отличался от крепления системы снижения токсичности, хотя оба они располагались на полке за моторным щитом (Фото из архива Александра Подзолкова)

Блок управления системы МПСЗ располагался рядом с воздухопритоком «печки» (Фото из архивов Евгения Карпунина и Александра Подзолкова)

Визуально модификацию с МПСЗ проще всего было отличить по отсутствию трамблёра, вместо которого устанавливалась специальная заглушка с катушками зажигания.

Заглушка распределителя зажигания – отличительная особенность системы МПСЗ (Фото из архива Александра Подзолкова)

Дополнительный датчик температуры, который необходим для переключения между прошивками МПСЗ «холодная-горячая» (Фото из архива Александра Подзолкова)

Эта система не имела прямого отношения снижению токсичности отработавших газов, поскольку каждая из них решала свою задачу: «умный трамблёр» заведовал зажиганием, в то время как «электронный карбюратор» регулировал соотношение воздуха и бензина в зависимости от условий эксплуатации. Именно поэтому модификация с микропроцессорным зажиганием оставалась «экологически грязной», в то время как машины с компонентами AXTEC и OLSON-DINOL укладывались в нормы США-83.

Модельный ряд и его судьба

Системами снижения токсичности во второй половине восьмидесятых годов оснащались экспортные модификации задне-, передне- и даже полноприводных ВАЗов, что позволяло им выполнять как нормы США-83, так и вступивший в силу в 1992 году экологический стандарт Евро-1.

«Умная электроника» встречалась под капотом тольяттинских автомобилей до середины девяностых – ведь уже с 1995 года в Евросоюзе вступили в действие нормы токсичности Евро-2, уложиться в которые можно было только при наличии системы электронного впрыска топлива, которая со временем появилась на Самарах, Жигулях и Нивах. Да и финская Lada Baltiс, которую собирали на заводе в Уусикаупунки, была оснащена двигателем не с карбюратором Солекс, а с впрыском топлива на компонентах производства GM.

Система снижения токсичности в начале девяностых годов стоила немецкому покупателю Лады в зависимости от модели 300-800 дойчмарок.

Впоследствии немало экспортных машин вернулось на историческую Родину, благодаря чему российские автомобилисты смогли на практике познакомиться поближе с этим «редким зверем» — системой снижения токсичности. Увы, в большинстве случаев вскоре выходили из строя её отдельные компоненты, например, каталитический нейтрализатор, требовавший использования исключительно неэтилированного бензина, далеко не всегда и не везде встречавшегося в нашей стране на стыке тысячелетий.

Обязательный атрибут: на внутренней стороне лючка бензобака машины с катализатором появлялась наклейка, запрещающая использование этилированного топлива

Усугубляло ситуацию и то, что даже хорошо знакомые с вазовской техникой ремонтники оказывались абсолютно несведущими в вопросах диагностики, обслуживания и регулировки карбюраторов, управляемых малоизвестной электроникой. Итог закономерен: отказавшие компоненты заменялись обычными, а непонятные блоки безжалостно выбрасывались либо оставались в виде бесполезных уже артефактов, намекавших на европейское (и экологически чистое) прошлое автомобиля с ладьей на решетке радиатора.

Современные системы снижения токсичности отработавших газов двс

Все токсичные компоненты, содержащиеся в отработавших газах ДВС можно условно разделить по природе их возникновения на две группы:

· продукты неполного окисления исходного углеводородного топлива (монооксид углерода – CO, углеводороды – CH, сажа)

· продукты окисления элементов, входящих в состав топлива и воздуха (оксиды азота – NO_x).

Основными причинами образования продуктов неполного окисления топлива в ДВС можно назвать локальные обогащения или обеднения топливо-воздушной смеси ввиду несовершенства процесса смесеобразования, диссоциацию двуокиси углерода, происходящую при высоких температурах и холоднопламенные реакции (в дизелях). Кроме того, образование продуктов неполного сгорания возможно в пристеночных слоях, где уровень температур ввиду интенсивного теплообмена, недостаточен для полного окисления углеводородов исходного топлива.

В настоящее время есть представления о четырёх различных способах образования NO_x, каждый из которых по-своему важен в зависимости от состава топлива, особенностей рабочего процесса и других условий, в которых происходит сгорание:

· термический путь (или механизм Зельдовича),

· «быстрое» образование NO_x (механизм Фенимора),

· образование оксидов азота через N₂O,

Рекомендуемые материалы

· образование оксидов азота из топливного азота.

Механизм образования NO_x через N₂O часто не учитывают, поскольку он даёт незначительный вклад в полный выход NO_x в условиях поршневого ДВС.

Суть механизма Зельдовича заключается в протекании следующих реакций:

N + OH → NO + H

Механизм называется термическим, так как первая из приведённых реакций имеет очень высокую энергию активации (необходимы температуры порядка 1700°С – 2000°С, так как межмолекулярная связь в молекуле азота чрезвычайно сильна); скорость же реакции напрямую зависит от концентрации реагентов и температуры, которой, как известно, пропорциональна константа скорости.

«Быстрые» NO_x нарабатываются в основном на начальном участке факела, в области фронта пламени, со стороны свежей, ещё несгоревшей смеси, где термическое образование NO_x отсутствует. Механизм наработки «быстрых» оксидов более сложный, поскольку в нём участвуют радикалы CH, выступающие в горении в качестве промежуточного компонента. Радикалы СН, образующиеся во фронте горения, реагируют с азотом и образуют цианисто-водородную кислоту НСN, которая затем сложным образом реагирует с образованием NO_x. Лимитирующей стадией в этом случае является реакция

CH + N₂ →НСN + N

Зависимость интенсивности образования оксидов азота от коэффициента избытка воздуха, представлена на рис. 6.1 [1].

Рис. 6.1. Зависимость интенсивности образования оксидов азота
по термическому и смешанному (термический и быстрый) механизмам от коэффициента избытка воздуха [1]

Осознание серьезности назревающей экологической опасности привело к введению в развитых странах поэтапно ужесточающихся норм предельно допустимых выбросов для автомобилей (табл. 6.1, 6.2)

В 1964 г. в шта­те Калифорния (США) была впервые введена обяза­тельная система контроля эмиссии отработавших газов автомобилей. Первое законодатель­ное требование в этом плане появилось в США в 1970 г. (так называемый «Акт о чистом воздухе»); тогда же в США было основано Агентство по защите окружаю­щей среды (ЕРА — Environmental Protection Agency). Обусловлено это было большим количеством транс­портных средств в стране, что привело в ряде регионов США, в первую очередь в Калифорнии с ее жарким климатом, к ощутимому воздействию вредных ве­ществ на состояние здоровья населения.

Требования к экологической чистоте, реализуемые в Калифорнии являются одними из самых строгих в мире и предполагают поэтапное внедрение всё более ужесточающихся норм вплоть до достижения нулевой токсичности (табл. 6.1)

Калифорнийский стандарт на легковые автомобили

и легкие грузовики (г/миля) [3]

50,000 миль/5 лет

120,000 миль/11 лет

(LEV – low emission vehicle, ULEV – ultra low emission vehicle, SULEV– super ultra low emission vehicle – автомобили соответственно с низкой, ультранизкой и суперультранизкой токсичностью).

В настоящее время практически все страны Амери­ки, Европы и Азии придерживаются требований тех или иных нормативных документов. Ука­занная нормативно-техническая документация не унифицирована для всего мира, но перечень веществ, содержание которых в ОГ ДВС и транспортных средств регламентируется, определен.

До конца 1980-х годов во всех промышленно разви­тых странах мира производили контроль и нормирова­ние содержания в отработавших газах бензиновых и дизельных двигателей трех газообразных токсичных компонентов: оксидов азота, оксида углерода и сум­марных углеводородов; для дизелей также нормирова­ли дымность отработавших газов. С начала 1990-х го­дов в США ввели нормирование неметановых углево­дородов (наряду с суммарными), считая, что метан безвреден, а также — формальдегида (табл. 6.1). В соответствии с требова­ниями Правил ЕЭК ООН №101 введено нормирование содержания диоксида углерода СO₂ в отработавших газах двигателей транспортных средств.

В Европе с начала 90-х годов были разработаны системы нормирования токсичности отработавших газов автомобилей и качества топлива, получившие наименование евро. Евро – одна из самых строгих в мире систем контроля токсичности отработавших газов автомобильных двигателей. Она устанавливает нормы токсичности, которым должны соответствовать продаваемые в странах Евросоюза машины. Первый этап внедрения этой системы начался с введения норм токсичности Евро 1, распространяющихся на новые и подержанные автомобили, которые вступили в силу с 1993 года (табл. 6.2).

Нормы предельно допустимых выбросов, г/км [3]

Для удовлетворения всё более ужесточающихся норм токсичности в современных поршневых ДВС используются системы нейтрализации отработавших газов. Наиболее эффективным для двигателей с количественным регулированием и принудительным воспламенением в настоящее время считается применение электронных систем впрыска топлива и каталитических нейтрализаторов.

Основными недостатками таких систем являются необходимость применения дорогостоящих материалов в катализаторах и необходимость поддерживания коэффициента избытка воздуха в пределах 1. Объясняется это тем, что для окисления продуктов неполного сгорания СО и С_nН_m необходим избыточный кислород (желательно обеспечить обеднение смеси), а для восстановления NO_x избыточный кислород не нужен. При отклонении состава смеси от стехиометрического, активность нейтрализации по одному типу из видов вредных веществ снижается: в области α < 1 – по продуктам неполного сгорания, а в области α > 1 – по оксидам азота.

Использование каталитических нейтрализаторов налагает дополнительные требования к качеству топлива и технической исправности двигателя. Недопустимо использование этилированного бензина, так как даже случайная заправка этилиро­ванным бензином выводит каталитический нейтрализатор из строя. В случае выхода из строя свечи зажигания, перебоев в подаче топлива и других нештатных режимах работы двигателя, ведущих к отклонению состава смеси от стехиометричексокого или пропускам воспламенения, каталитический нейтрализатор теряет свою эффективность и также может выйти из строя.

Двигатели с качественным регулированием работают в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха (равно как и бензиновые двигатели с системой непосредственного впрыска топлива), что обуславливает невозможность применения на них нейтрализаторов, характерных для двигателей с количественным регулированием. Поскольку методики нейтрализации оксидов азота и продуктов неполного окисления топлива принципиально различаются, система очистки отработавших газов двигателя с качественным регулированием носит комплексный характер. Для нейтрализации продуктов неполного сгорания топлива используется либо дожигатели, либо каталитические нейтрализаторы, аналогичные используемым на двигателях с количественным регулированием, поскольку в отработавших газах таких двигателей всегда присутствует избыточное количество кислорода.

Для борьбы с выбросами твёрдых частиц в дизельных двигателях используются сажевые фильтры, накапливающие частицы сажи на специальных керамических или стальных блоках с развитой контактной поверхностью. Для очистки этих блоков используют метод выжигания – управляющая аппаратура обогащает топливо-воздушную смесь, что обеспечивает увеличение температуры отработавших газов. Для облегчения процедуры выжигания накопленной сажи контактную поверхность фильтрующих блоков покрывают специальным катализатором, а также осуществляют впрыск реагента, способствующего процессу окисления сажи.

Определённую сложность в двигателях с качественным регулированием представляет нейтрализация оксидов азота. В настоящее время существуют два подхода к решению этой проблемы:

· использование рециркуляции отработавших газов совместно с накопительными фильтрами NO (EGR + NOx trap)

· использование системы избирательной очистки (SCR)

Катализаторы накопительного типа более эффективны, но чрезвычайно чувствительны к высокосернистым топливам, чему менее подвержены системы избирательной очистки.

Принцип рециркуляции отработавших газов предполагает частичный перепуск определённого количества отработавших газов с промежуточным охлаждением обратно во впускную систему. Основными недостатками системы рециркуляции отработавших газов являются ухудшение параметров рабочего процесса, повышение выброса частиц и дымности отработавших газов, увеличение тепловой напряженности двигателя. Принципиальная схема системы очистки отработавших газов двигателя посредством использования рециркуляции представлена на рис. 6.2.

Ввиду негативного влияния на рабочий процесс двигателя больших степеней рециркуляции отработавших газов для совершенствования нейтрализации NO_x используют накопительные фильтры. Накопительные фильтры NO_x работают по принципам, аналогичным принципам работы сажевых фильтров – во время работы на обеднённых смесях они аккумулируют оксиды азота, а по достижении определённого уровня заполнения управляющая электроника подаёт сигнал на выжигание накопленного вещества (рис. 6.3, 6.4). Одним из активных элементов в нем является основное покрытие из солей бария, также присутствует покрытие из платины, палладия и родия. При работе на бедной смеси все оксиды азота окисляются до диоксида NO₂ при помощи платинового катализатора, а затем взаимодействуют с покрытием основы и удерживаются на ней в виде нитрата бария. Периодически (обычно раз в минуту на 3 секунды), оксиды азота выводятся из накопителя при помощи обогащения смеси. В этот момент в отработавших газах увеличивается содержание CO и HC, которые взаимодействуют с NO₂ – на родиевом покрытии происходят окислительно-восстановительные реакции, в которых нитрат восстанавливается до чистого азота N₂, а CO и CH окисляются до CO₂ и H₂O (углекислого газа и воды).

Рис. 6.2. Принципиальная схема системы рециркуляции ОГ [9]

Рис. 6.3. Аккумуляция NO на режиме обеднения [9]

Рис. 6.4. Расходование накопленного NO на режимах

обогащения и выжигания [9]

Нейтрализация NO_x зависит от температуры отработавших газов — после 500°С эффективность накопительного катализатора значительно падает. Поэтому он расположен в зоне, где температура обычно составляет 300 — 450° С (в городском режиме езды). При езде по трасе температура газов превышает 500°С, и блок управления обогащает смесь до того уровня, когда газы смогут быть нейтрализованы в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе.

Большую угрозу для NO-катализатора представляет высокое содержание серы в топливе. Сера в процессе сгорания окисляется до диоксида SO₂, который также взаимодействует с солями бария, как и NO₂, и образует сульфат бария, который химически более стабилен, чем нитрат, постепенно снижая емкость и эффективность катализатора, вплоть до его полного выхода из строя.

Для борьбы с этим явлением используется режим очистки от серы, в котором блок управления периодически заметно увеличивает температуру отработавших газов и содержание в них содержание CO и CH. В результате — растет расход топлива, который таким образом, напрямую зависит от содержания серы в топливе.

Подобная система нейтрализации отработавших газов установлена на автомобиле Mercedes CLS 350 CGI (рис.6.5). Для снижения выбросов углеводородов предназначен трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Так как он начинает эффективно функционировать при температуре не менее 250°С (максимальная эффективность 400 — 850 о С), то для его быстрого прогрева два трехкомпонентных нейтрализатора расположены близко к двигателю. Накопительный катализатор NO_x смонтирован для защиты от слишком высоких температур в днище. Его активное температурное окно от 250 до 500 °C. Для точного регулирования накопительного катализатора NO_x перед ним установлен датчик температуры, после него – датчик содержания NO_x.

Рис.6.5. Нейтрализатор двигателя M272 DE, установленного на

Mercedes CLS 350 CGI [15]

Альтернативным способ очищения отработавших газов дизельного двигателя является впрыск в выхлопную систему специального реагента, способствующего нейтрализации токсичных компонентов. Так как он менее подвержен «отравлению» серой, то его применяют преимущественно в дизелях, в топливе которых содержится больше серы, чем в бензине. Принцип действия системы SCR (Selective Catalytic Reduction, что можно перевести как «селектив­ный каталитический преобразователь») заключается в химической реакции аммиака с оксидами азота выхлопных газов, в результате кото­рой образуются безвредный азот и водяной пар. Селективный преобразователь состоит из двух основных узлов: непосредственно каталитического нейтрализатора с сотовой структу­рой, вмонтированного в глушитель автомобиля, и дополнительного бака под аммиачный заменитель AdBlue. Общая схема системы очистки отработавших газов с системой SCR показана на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Принцип работы системы SCR

Поэтапное ужесточение норм токсичности, особенно эмиссии оксидов азота, предъявляет всё большие требования к системам нейтрализации отработавших газов. Совершенствование современных систем рециркуляции отработавших газов и каталитической нейтрализации влечёт усложнение конструкции и удорожание энергетической установки. Для удовлетворения перспективных норм токсичности уже не достаточно той эффективности нейтрализации токсичных компонентов, которую могут обеспечить современные системы. По этому при разработке перспективных систем понижения токсичности двигателей внутреннего сгорания особое внимание уделяется подавлению образования токсичных компонентов непосредственно в рабочей камере двигателя. Анализ перспективных методов снижения токсичности продуктов сгорания позволяет выделить двух «лидеров», при реализации которых, например в ГТУ, удалось снизить содержание оксидов азота до значений менее 10 млн -1 :

1) Организация рабочего процесса со сжиганием бедных предварительно перемешанных смесей с коэффициентом избытка воздуха в зоне горения a ≈ 2;

2) организация рабочего процесса со сжиганием обводненных топливовоздушных смесей.

Снижение выбросов оксидов азота при сжигании бедных предварительно перемешанных смесей (a ≈ 2) происходит за счет снижения температуры горения до 1400–1500 о С. Поскольку работа на полной нагрузке с такими коэффициентами избытка воздуха ведет к существенному снижению удельной мощности двигателя, то данный метод более целесообразен в стационарных установках.

В поршневых ДВС, где рабочий процесс, в отличие от газотурбинных, носит циклический характер, наряду с проблемами сгорания бедных смесей, возникают проблемы, связанные с их воспламенением. Для расширения концентрационных пределов воспламенения и сгорания товарных топлив до a ≈ 2 необходимы очень высокие степени сжатия (>20), что опять же влечет повышение температуры в зоне горения, значительное увеличение массы двигателя и, следовательно, дополнительное снижение его удельной мощности. На основе этой концепции в настоящее время производятся работы по совершенствованию дизельных двигателей с гомогенным зарядом (HCCI – Homogeneous Charge Compression Ignition), которые демонстрируют значительные преимущества в плане снижения токсичности.

Этих недостатков лишен процесс со сгоранием обводненных околостехиометрических топливовоздушных смесей. Как для двигателей с внутренним смесеобразованием, так и для двигателей с внешним смесеобразованием впрыск воды может производиться двумя способа­ми:

1. Отдельно от топлива;

2. В цилиндр двигателя в виде смеси с топливом – водотопливной эмульсии (ВТЭ).

В первом случае воду можно вводить как во впускной тракт двигателя, так и непосредственно в цилиндр. Пока нельзя говорить об абсолютном превосходстве какого-либо способа подачи воды, но необходимо отметить, что для эффективного подавления эмиссии NO_x необходимо реализовать значительное обводнение топливо-воздушной смеси (количество воды должно быть равным или даже большим количества топлива). Как показывает анализ опубликованных источников, такие степени обводнения недостижимы при использовании ВТЭ, где максимальное содержание воды не превышает 50%. Это объясняется нестабильностью ВТЭ с высоким содержанием воды, что влечёт необходимость использования большого количества эмульгаторов.

Специфика метода впрыска воды во впускной коллектор заключается в необходимости установки на двигателе дополнительных систем хранения, подвода и распыливания воды. В этом случае, в отличие от метода впрыска воды непосредственно в цилиндр, аппаратура более проста и надежна. Для равномерного распределения воды по цилиндрам многоцилиндрового двигателя специальные форсунки устанавливаются во впускных патрубках напротив каждого цилиндра. Испарение воды начинается во впускном патрубке и заканчивается в цилиндре. Пары воды к концу процесса сжатия образуют в камере сгорания гомогенную смесь с воздушным зарядом. При этом происходит снижение температуры воздушного заряда, что ведёт к снижению температур конца сжатия и горения, а также к увеличению периода задержки воспламенения в дизелях. В последнем случае отмечается рост эмиссии продуктов неполного сгорания и постепенное ухудшение характеристик двигателя вплоть до его останова.

Впрыск воды во впускной тракт позволяет реализовать значительно большие, чем при использовании ВТЭ, соотношения количества воды к количеству топлива (порядка 1,25 – 1,5), что способствует сокращению концентрации NO_x в отработавших газах двигателя на 70%. При этом не наблюдается значительного увеличения эмиссии продуктов неполного окисления топлива и ухудшения мощностных и экономических характеристик. Дальнейшее обводнение, хотя и позволяет продолжить снижение уровня эмиссии NO_x, ведёт к неприемлемому ухудшению эффективных параметров и росту продуктов неполного окисления топлива на обоих современных типах поршневых ДВС. Объяснено это может быть возникновением проблемы воспламенения и смесеобразования. Во втором случае – вследствие недостаточной однородности распределения воды и топлива в объёме камеры сгорания. Неоднородность распределения воды и топлива по объёму камеры сгорания может быть выражена двумя негативными явлениями:

— в областях, где концентрация воды минимальна, будет иметь место простое горение топлива, что повлечёт локальное повышение температуры и, следовательно, локальный очаг образования оксидов азота.

— в областях, где концентрация воды максимальна, воспламенение может вообще не произойти вследствие интенсивного охлаждения, что повлечёт ухудшение характеристик двигателя (вплоть до пропусков зажигания) и повышение выбросов углеводородов.

Таким образом, при осуществлении впрыска воды во впускной трубопровод поршневого ДВС как с внешним, так и с внутренним смесеобразованием, невозможно полноценно использовать эффект понижения эмиссии NO_x без негативного влияния на рабочий процесс двигателя.

Вопросы для самоконтроля

Вам также может быть полезна лекция «1.4 Определение конфликта».

1. Механизм возникновения выбросов продуктов неполного сгорания топлива и оксидов азота в бензиновых ДВС.

2. Механизм возникновения выбросов продуктов неполного сгорания топлива и оксидов азота в дизельных ДВС.

3. В чем заключается сложность устранения нейтрализатором ОГ токсичных выбросов в двигателях с качественным регулированием.

4. Для чего производится рециркуляция ОГ.

5. Механизм снижения концентрации оксида азота при сгорании бедных предварительно перемешанных смесей. Преимущества и недостатки.

6. Механизм снижения концентрации оксида азота при сгорании обводненных околостехиометрических смесей. Преимущества и недостатки.