Борьба с токсичностью отработавших газов бен­зиновых двигателей

     Таким образом,  датчик кислорода - это своеобразный  переключатель, сообщающий контроллеру впрыска о концентрации кислорода в отработавших газах. Контроллер принимает сигнал с лямбда-зонда,

сравнивает его со значением, прошитым в его памяти и, если сигнал отличается от оптимального для текущего режима, корректирует длительность впрыска топлива в ту или иную сторону. Таким образом, осуществляется обратная связь с контроллером впрыска и точная подстройка режимов работы двигателя под текущую ситуацию с достижением максимальной экономии топлива и минимизацией вредных выбросов.

Бензиновому двигателю для  работы требуется смесь с определенным соотношением воздух-топливо. Соотношение, при котором топливо максимально полно и эффективно сгорает, называется стехиометрическим и составляет 14,7:1. Это означает, что на одну часть топлива следует взять 14,7 частей воздуха. На практике же соотношение воздух-топливо меняется в зависимости от режимов работы двигателя и смесеобразования. Двигатель становится неэкономичным.

Коэффициент избыточности воздуха  при работе двигателя постоянно меняется и диапазон 0,9 - 1,1 является рабочим диапазоном лямбда-регулирования. В то же время, когда двигатель прогрет до рабочей температуры и не развивает большой мощности (например, работает на холостом ходу), необходимо по возможности более строгое соблюдение равенства   для того, чтобы трехкомпонентный катализатор смог полностью выполнить свое предназначение и сократить объем вредных выбросов до минимума.

Лямбда-зонды бывают одно-, двух-, трех- и четырехпроводные. Однопроводные и двухпроводные датчики применялись в самых первых системах впрыска с обратной связью (лямбда-регулированием). Однопроводный датчик имеет только один провод,

который является сигнальным. Земля этого датчика выведена на корпус и приходит на массу двигателя через резьбовое соединение. Двухпроводный датчик отличается от однопроводного наличием отдельного земляного провода сигнальной цепи.

Недостатки таких зондов: рабочий диапазон температуры датчика начинается от 300 ºС. До достижения этой температуры датчик не работает и не выдает

сигнала. Стало быть, необходимо устанавливать этот датчик как можно ближе к цилиндрам двигателя, чтобы он подогревался и обтекался наиболее горячим потоком выхлопных газов. Процесс нагрева датчика затягивается, и это вносит задержку в момент включения обратной связи в работу контроллера.

Кроме того, использование самой трубы в качестве проводника сигнала (земля) требует нанесения на резьбу специальной токопроводящей смазки при установке датчика в выхлопной трубопровод и увеличивает вероятность сбоя (отсутствия контакта) в цепи обратной связи.

Указанных недостатков лишены трех- и четырехпроводные лямбда зонды. В

трехпроводный кислородный  датчик добавлен специальный нагревательный

элемент, который включен, как правило, всегда при работе двигателя и, тем

самым, сокращает время выхода датчика на рабочую температуру. А так же

позволяет устанавливать  лямбда-зонд на удалении от выхлопного коллектора, рядом с катализатором. Однако остается один недостаток – токопроводящий выхлопной коллектор и необходимость в токопроводящей смазке. Этого недостатка лишен четырехпроводный лямбда-зонд - у него все провода служат для своих целей - два на подогрев, а два - сигнальные. При этом вкручивать его можно так как заблагорассудится.

Ресурс датчика содержания кислорода обычно составляет  50 - 100 тыс. км и в значительной степени зависит от условий эксплуатации, качества топлива и

состояния двигателя. Повышенный расход масла, переобогащенная смесь и

неправильно отрегулированный угол опережения зажигания сильно сокращают жизнь лямбда-зонду.  Дольше служат, как правило, датчики  с  подогревом.  Рабочая температура для  них  обычно  315-320°C.  В конструкцию этих датчиков включен  нагревающий  элемент,  имеющий на  разъеме свои контакты.  Проверку работоспособности нагревательного  элемента  таких  датчиков  можно производить обычным  омметром.  Сопротивление  их  обычно составляет  от 3 до 15 Ом.

Правильно  работающий  лямбда-зонд может многое сказать  о том, в каком

состоянии находится двигатель и его системы. На некоторых автомобилях с

помощью датчика можно  достаточно точно отрегулировать содержание СО в

выхлопных газах. Неисправный лямбда-зонд неминуемо вызовет повышенный расход топлива и снижение мощностных характеристик двигателя.

 Следует отметить, что  далеко не все неисправности  лямбда-зонда фиксируются блоком управления, а если фиксируются, то блок управления переходит в режим  управления впрыском по усредненным параметрам, что тоже приводит к перечисленным выше результатам. Поэтому рекомендуется при малейших подозрениях провести диагностику, а при выявлении неисправности заменить лямбда-зонд.

Условия нормальной работы каталитических нейтрализаторов

В наши дни каталитические нейтрализаторы распространяются по странам  и

континентам. Докатились они  и до российской глубинки. А здесь  их часто

встречают... свинцом и  ломом. Причина в том, что для  нормальной работы

катализатора необходимо соблюдать пустяковые по европейским понятиям условия. Посмотрим, какие же это "пустячки".

Во-первых, как известно, даже случайная заправка бака этилированным бензином выводит катализатор из строя. Он окончательно "отравляется" свинцом - остается только выбросить прибор.

Во-вторых, катализатор эффективно работает только при строгом соблюдении состава топливной смеси - 14,7 весовых частей воздуха на одну часть бензина. Любой карбюратор, даже с электронной системой управления, такой точностью и быстродействием для поддержания требуемого состава смеси не обладает.

Таким образом, катализатор  эффективен лишь в сочетании с  системой впрыска топлива с электронным управлением. На автомобиле появился микропроцессор, который, анализируя данные о температуре, расходе воздуха через коллектор, оборотах и т.п., а главное - сигналы, поступающие от каталитического нейтрализатора, регулирует работу электромагнитных форсунок впрыска топлива.

Однако в случае выхода из строя свечи зажигания, перебоев в подаче топлива и т.д. мгновенно нарушается тонкое равновесие состава рабочей смеси -

катализатор теряет свою эффективность, причем в некоторых случаях навсегда.

Поэтому микропроцессор контролирует работу систем и агрегатов автомобиля, а о неисправностях сообщает водителю.

Есть и еще одна проблема - каталитический нейтрализатор хорошо справляется с окислами азота, только когда их мало. Упрощенно картина такова: окислов азота тем больше, чем выше температура в камере сгорания, а чем она выше, тем больше КПД мотора. Для борьбы с окислами азота нашли простой выход.

Соединили выпускной коллектор  со всасывающим патрубком, направив часть выхлопных газов обратно в камеру сгорания со свежей рабочей смесью, что снижает наполнение цилиндров и, следовательно, мощность. Получается, что нейтрализатор вредит двигателю.

Но и мотор не остается в долгу. Явный вред катализатору приносит так

называемое перекрытие клапанов - момент, когда одновременно открыты впускной и выпускной клапаны.

   В цилиндре возникает, так сказать, сквозняк: рабочая смесь вылетает в выхлопную трубу через открытый выпускной клапан и отравляет

чувствительный катализатор. Однако перекрытие клапанов способствует лучшему наполнению цилиндров и повышению мощности мотора, поэтому пока ни один современный двигатель без этого не обходится. Здесь приведены лишь некоторые примеры, показывающие, что в автомобиле все не просто.

  

  3. Борьба с токсичностью отработавших газов ди­зельных двигателей.    В дизельном двигателе топливо впрыскивается в цилиндр, уже наполненный раскаленным сжатым воздухом и на образование

"правильной" горючей  смеси просто не остается времени. Даже при тончайшем распылении (для чего и повышают давление) не все микрочастицы топлива успевают обзавестись нужным количеством молекул кислорода - вот вам и сажа. Снижение температуры в цилиндре по бензиновому рецепту только ухудшает картину. Вообще, основное противоречие дизеля, которое еще никто до конца не разрешил, - между снижением выбросов сажи и окислов азота: улучшая один параметр, неизбежно портим второй. Комплексная очистка отработавших газов дизеля Современные комплексные системы очистки отработавших газов для дизелей состоят из каталитических и жидкостных нейтрализаторов, а также сажевых фильтров.

Фирмы, пропагандирующие экономичные  легковые дизели, ради экологии пускаются во все тяжкие. Например, предлагают устанавливать дополнительные бачки с дорогими реактивами, снижающими температурный порог разложения накопившейся в специальном нейтрализаторе сажи ("Пежо-607"). Выжечь, то есть окислить, накопившиеся в порах фильтра частицы можно лишь при достаточно высокой температуре, которой выхлопные газы правильно настроенного дизеля не достигают. Даже если приказать управляющему двигателем контроллеру периодически увеличивать подачу топлива, все равно градусов не хватает.

Решение видели в добавке к солярке мочевины (прямо на АЗС) либо

незначительного количества специального реагента, хранящегося в отдельном бачке (5 литров хватает на 80 000 км пробега). Это снижало температуру начала реакции градусов на 100 и позволяло, обогатив смесь, очищать фильтр.

Реализовать эти решения  весьма сложно. Неудивительно, что бачки  с реагентом прижились в основном на дорогих автомобилях, например, «Пежо-607».

В фильтрах нового поколения  общий принцип остался прежним: задержать и

уничтожить. Но как добиться нужной для сгорания частиц сажи температуры? Во-первых, фильтр разместили сразу за выпускным коллектором. Во-вторых, через каждые 300-500 км пробега контроллер включает режим многофазного впрыска, увеличивая количество поступающего в цилиндр топлива. И, наконец, главное :поверхность фильтрующего элемента покрыта тонким слоем нового катализатора, который дополнительно повышает температуру выхлопных газов до необходимых 560-600°С. Отдаленно это напоминает работу каталитической бензиновой грелки для рыболовов.

    

Фильтрующий элемент состоит, как правило, из керамической (карбид кремния) микропористой губки. Толщина стенок между ее каналами не превышает 0,4 мм, так что фильтрующая поверхность очень большая. Иногда эту «губку» делают из сверхтонкого стального волокна, также покрытого новым катализатором. Набивка настолько плотная, что задерживает до 80% частиц размером 20-100 нм. Новые фильтры стали активно участвовать в управлении работой двигателя. Ведь режим обогащения включается по сигналу от датчиков давления, установленных на входе и выходе фильтра. Когда разность показаний становится значительной, компьютер воспринимает это как признак закупоренности «губки» сажей. А выжигание контролируют с помощью датчика температуры.

     Активные фильтры  уже появились на дизельных моторах «мерседесбенцев» С- и Е-классов в начале 2004 года приживутся в «Опеле-Вектра» и «Сигнум», «Рено-Вель Са-тис» (рис.13)... До 2006 года об экологии легковых дизелей производителям можно не беспокоиться. Но ведь 20% частиц пока попадают в воздух, а есть еще пылинки размером меньше 20 нм... Наверняка производители уже колдуют над новыми устройствами.

"Тойота" разработала  свою, не менее эффективную систему  очистки, названную DPNR. Она одновременно обезвреживает и канцерогенные частицы сажи, и просто вредные окислы азота (о СН и СО сегодня говорить уже стыдно – пройденный этап). Главную роль играет новый микропористый керамический фильтр, покрытый слоем накапливающего азот материала и катализатором на основе платины. Во время работы двигателя на бедной смеси частицы сажи окисляются атомарным кислородом, освобождающимся при соединении NO и О₂ из выхлопных газов в процессе накопления NO₂.

Периодически, когда компьютер  кратковременно обогащает смесь, эти частицы окисляются кислородом, возникающим теперь уже при разложении накопленных окислов в безвредный азот.

DPNR показала снижение  содержания сажи и NO_x на 80% по сравнению с

действующими сегодня  нормами, но применима лишь для дизелей последнего поколения, работающих с системой "коммон рейл" высокого давления на топливе с пониженным содержанием серы.

Плазменный нейтрализатор

    

Один из альтернативных методов  нейтрализации отработавших газов  –

использование низкотемпературной плазмы. Исследования в Японии, США и в России привели к созданию экспериментальных образцов оборудования,

основанного на плазменных технологиях. Что такое низкотемпературная плазма? Она состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, полученных в специальных устройствах при различных видах импульсных высоковольтных электрических разрядов (коронный, барьерный и др.), а также из нейтральных атомов и

молекул.

 

Принципиальная схема  одного из вариантов разрядного устройства показана на рис.15. Оно включает узел подвода отработавшего газа и масла 1, кварцевую стеклянную или керамическую трубку 2, используемую в качестве диэлектрического барьера, и два электрода – центральный 3 и внешний 4 – в виде металлической сетки из нержавеющей стали. В разрядное устройство подается ток от источника, формирующего импульс напряжения длительностью 250–350 мкс. Барьерный разряд возникает при электрическом напряжении 0,5–35 кВ и частоте следования импульсов 50–2000 Гц.