Снижение выброса токсичных веществ с отработавшими газами

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)
Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]

4786 0

Рост моторизации приносит с собой необходимость проведения мер по охране окружающей среды. Воздух в городах все более загрязняется веществами, вредными для здоровья человека, особенно окисью углерода, несгоревшими углеводородами, окислами азота, соединениями свинца, серы и т. д. В значительной мере это продукты неполного сгорания топлив, применяемых на предприятиях, в быту, а также в автомобильных двигателях.

Наряду с токсичными веществами при эксплуатации автомобилей вредное воздействие на население оказывает и их шум. За последнее время в городах уровень шума возрастал ежегодно на 1 дБ, поэтому необходимо не только приостановить возрастание общего уровня шума, но и добиться его снижения. Постоянное воздействие шума вызывает нервные заболевания, снижает трудоспособность людей, особенно занятых умственной деятельностью. Моторизация приносит шум в ранее тихие отдаленные места. Снижению шума, создаваемого деревообрабатывающими и сельскохозяйственными машинами, к сожалению, до сих пор не уделяется должного внимания. Цепная бензопила создает шум в значительной части леса, что вызывает изменения условий жизни животных и нередко бывает причиной исчезновения их отдельных видов.

Наиболее часто, однако, вызывает нарекания загрязнение атмосферы отработавшими газами автомобилей.

При оживленном движении отработавшие газы скапливаются у поверхности почвы и при наличии солнечной радиации, особенно в промышленных городах, расположенных в плохо проветриваемых котловинах, образуется так называемый смог [2]. Атмосфера загрязняется в такой степени, что пребывание в ней вредит здоровью. Сотрудники дорожной службы, стоящие на некоторых оживленных перекрестках, в целях сохранения своего здоровья применяют кислородные маски. Особенно вредна располагающаяся вблизи земной поверхности относительно тяжелая окись углерода, проникающая в нижние этажи зданий, гаражи и уже не однажды приводившая к смертельным случаям.

Законодательные предприятия ограничивают содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей, причем они постоянно ужесточаются (табл. 1).

Предписания приносят изготовителям автомобилей большие заботы; они также косвенно влияют и на эффективность автомобильного транспорта.

Для полного сгорания топлива можно допустить некоторый избыток воздуха с тем, чтобы обеспечить хорошее смещение с ним топлива. Необходимый избыток воздуха зависит от степени перемешивания топлива с воздухом. В карбюраторных двигателях на этот процесс отводится значительное время, поскольку путь топлива от смесеобразующего устройства до свечи зажигания достаточно большой.

Современный карбюратор позволяет образовать различные виды смеси. Наиболее богатая смесь нужна для холодного пуска двигателя, так как значительная доля топлива конденсируется на стенках впускного трубопровода и сразу в цилиндр не попадает. Испаряется при этом лишь небольшая часть легких фракций топлива. При прогреве двигателя также требуется смесь богатого состава.

При движении автомобиля состав топливовоздушной смеси должен быть бедным, что обеспечит хороший КПД и небольшой удельный расход топлива. Для достижения максимальной мощности двигателя нужно иметь богатую смесь, чтобы полностью использовать всю массу поступившего в цилиндр воздуха. Для обеспечения хороших динамических качеств двигателя при быстром открывании дроссельной заслонки необходимо дополнительно подать во впускной трубопровод некоторое количество топлива, что компенсирует топливо, осевшее и сконденсированное на стенках трубопровода в результате повышения в нем давления.

Для хорошего перемешивания топлива с воздухом следует создать высокую скорость воздуха и его вращение. Если сечение диффузора карбюратора постоянно, то при низких частотах вращения двигателя для хорошего смесеобразования скорость воздуха в нем мала, а при высоких — сопротивление диффузора приводит к уменьшению массы поступающего в двигатель воздуха. Этот недостаток можно устранить, используя карбюратор с переменным сечением диффузора или впрыск топлива во впускной трубопровод.

Существует несколько типов систем впрыска бензина во впускной трубопровод. В наиболее часто применяемых системах топливо подается через отдельную для каждого цилиндра форсунку, благодаря чему достигается равномерное распределение топлива между цилиндрами, устраняется оседание и конденсация топлива на холодных стенках впускного трубопровода. Количество впрыскиваемого топлива легче приблизить к оптимальному, требуемому двигателем в данный момент. Отпадает необходимость в диффузоре, исключаются возникающие при его прохождении воздухом потери энергии. В качестве примера такой системы подачи топлива можно привести часто используемую систему впрыска типа «Бош К-Джетроник», применяющуюся на двигателях с турбонаддувом.

Схема этой системы представлена на рис. 1. Конический патрубок 1, в котором перемещается качающийся на рычаге 2 клапан 3, выполнен так, что подъем клапана пропорционален массовому расходу воздуха. Окна 5 для прохода топлива открываются золотником 6 в корпусе регулятора при перемещении рычага под воздействием поступающего потока воздуха. Необходимые изменения состава смеси в соответствии с индивидуальными особенностями двигателя достигаются формой конического патрубка. Рычаг с клапаном уравновешен противовесом, силы инерции при колебаниях автомобиля не влияют на клапан.

Рис. 1. Система впрыска бензина «Бош К-Джетроник»:
1 — впускной патрубок; 2 — рычаг воздушного пластинчатого клапана; 3 — воздушный пластинчатый клапан; 4 — дроссельная заслонка; 5 — окна; 6 — дозирующий золотник; 7 — регулировочный винт; 8 — топливная форсунка; 9 — нижняя камера регулятора; 10 — распределительный клапан; 11 — стальная мембрана; 12 — седло клапана; 13 — пружина распределительного клапана; 14 — редукционный клапан; 15 — топливный насос; 16 — топливный бак; 17 — топливный фильтр; 18 — регулятор давления топлива; 19 — регулятор подачи дополнительного воздуха; 20 — перепускной клапан топлива; 21 — топливная форсунка холодного пуска; 22 — термостатный датчик температуры воды.

Расход воздуха, поступающего в двигатель, регулируется дроссельной заслонкой 4. Демпфирование колебаний клапана, а с ним и золотника, возникающих при низких частотах вращения двигателя вследствие пульсаций давления воздуха во впускном трубопроводе, достигается жиклерами в топливной системе. Для регулирования количества подаваемого топлива служит также винт 7, расположенный в рычаге клапана.

Между окном 5 и форсункой 8 размещен распределительный клапан 10, поддерживающий с помощью пружины 13 и седла 12, опирающегося на мембрану 11, постоянное давление впрыска в распылителе форсунки 0,33 МПа при давлении перед клапаном 0,47 МПа.

Топливо из бака 16 подается электрическим бензонасосом 15 через регулятор давления 18 и топливный фильтр 17 в нижнюю камеру 9 корпуса регулятора. Постоянное давление топлива в регуляторе поддерживается редукционным клапаном 14. Мембранный регулятор 18 предназначен для сохранения давления топлива при неработающем двигателе. Это предотвращает образование воздушных пробок и обеспечивает хороший пуск горячего двигателя. Регулятор также замедляет рост давления топлива при пуске двигателя и гасит его колебания в трубопроводе.

Холодный пуск двигателя облегчают несколько устройств. Перепускной клапан 20, управляемый биметаллической пружиной, открывает при холодном пуске сливную магистраль в топливный бак, что снижает давление топлива на торец золотника. Этим нарушается равновесие рычага и одному и тому же количеству поступающего воздуха будет соответствовать больший объем впрыскиваемого топлива. Другим устройством является регулятор подачи дополнительного воздуха 19, диафрагму которого также открывает биметаллическая пружина. Дополнительный воздух необходим для преодоления повышенного сопротивления трения холодного двигателя. Третье устройство – это топливная форсунка 21 холодного пуска, управляемая термостатом 22 в водяной рубашке двигателя, который держит форсунку открытой, пока охлаждающая двигатель жидкость не достигнет заданной температуры.

Оснащение электроникой рассмотренной системы впрыска бензина ограничено минимумом. Электрический бензонасос при остановленном двигателе выключен и, меньшее количество избыточного воздуха, чем при непосредственном впрыске топлива, однако большая охлаждающая поверхность стенок приводит к большим потерям теплоты, что вызывает падение индикаторного КПД.

Образование окиси углерода CO и углеводородов CH_x

При сгорании смеси стехиометрического состава должны образоваться безвредные двуокись углерода CO₂ и водяной пар, а при нехватке воздуха вследствие того, что часть топлива сгорает неполностью, – дополнительно токсичные окись углерода CO и несгоревшие углеводороды CH_x.

Эти вредные для здоровья компоненты отработавших газов можно дожечь и обезвредить. С этой целью необходимо специальным компрессором K (рис. 2) подавать свежий воздух в такое место выпускного трубопровода, где вредные продукты неполного сгорания можно сжечь. Иногда для этого воздух подают непосредственно на горячий выпускной клапан.

Рис. 2. Термический реактор:
M — вход отработавших газов из Двигателя; K — компрессор для подачи дополнительного воздуха; V — выход газов; I — теплоизоляция.

Как правило, термический реактор для дожигания CO и CH_x размещают сразу за двигателем непосредственно на выходе из него отработавших газов. Отработавшие газы M подводятся в центр реактора, а отводятся с его периферии в выпускной трубопровод V. Внешняя поверхность реактора имеет теплоизоляцию I.

В наиболее нагретой центральной части реактора размещена жаровая камера, нагретая отработавшими газами, где дожигаются продукты неполного сгорания топлива. При этом высвобождается теплота, поддерживающая высокую температуру реактора.

Несгоревшие компоненты в отработавших газах можно окислить и без горения при помощи катализатора. Для этого к отработавшим газам необходимо добавить вторичный воздух, нужный для окисления, химическую реакцию которого проведет катализатор. При этом также высвобождается теплота. Катализатором служат обычно редкие и драгоценные металлы, поэтому он весьма дорог.

Катализаторы можно применить в любом типе двигателя, однако они имеют относительно небольшой срок службы. Если в топливе присутствует свинец, то поверхность катализатора быстро отравляется, и он приходит в негодность. Получение высокооктанового бензина без свинцовистых антидетонаторов является достаточно сложным процессом, при котором расходуется много нефти, что при ее дефиците экономически нецелесообразно. Ясно, что дожигание топлива в тепловом реакторе ведет к энергетическим потерям, хотя при сгорании выделяется тепло, которое можно утилизировать. Целесообразно поэтому так организовать процесс в двигателе, чтобы при сгорании в нем топлива образовывалось минимальное количество вредных веществ. В то же время необходимо заметить, что для выполнения перспективных законодательных предписаний применение катализаторов будет неизбежным.

Образование окислов азота NO_x

Вредные для здоровья окислы азота образуются при высокой температуре горения в условиях стехиометрического состава смеси. Уменьшение выброса соединений азота связано с определенными трудностями, так как условия их снижения совпадают с условиями образования вредных продуктов неполного сгорания и наоборот. В то же время температуру сгорания удается снизить введением в смесь какого-либо инертного газа или водяного пара.

Для этой цели целесообразно рециркулировать во впускной трубопровод охлажденные отработавшие газы. Уменьшающаяся вследствие этого мощность требует обогащения смеси, большего открытия дроссельной заслонки, что увеличивает общий выброс вредных CO и CH_x с отработавшими газами.

Рециркуляция отработавших газов совместно с уменьшением степени сжатия, изменением фаз газораспределения и более поздним зажиганием может снизить содержание NO_x на 80 %.

Рис. 3. Схема двухкомпонентной системы каталитической нейтрализации отработавших газов:
S — впускной трубопровод; M — двигатель; K — компрессор для подачи дополнительного воздуха; V — выпускной трубопровод; NOx — восстановительный катализатор для нейтрализации окислов азота; CHx + CO — окислительный катализатор для нейтрализации углеводородов н окиси углерода.

Окислы азота устраняют из отработавших газов, используя также и каталитические методы. В этом случае отработавшие газы вначале пропускаются через восстановительный катализатор,в котором происходит снижение содержания NO_x, а затем вместе с добавочным воздухом – через окислительный катализатор, где устраняются CO и CH_x. Схема такой двухкомпонентной системы [3] дана на рис. 3.

Для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах применяют так называемые α-зонды, которые могут быть также использованы совместно с двухкомпонентным катализатором. Особенность системы с α-зондом состоит в том, что добавочный воздух для окисления не подается к катализатору, но α-зонд постоянно следит за содержанием кислорода в отработавших газах и управляет подачей топлива таким образом, чтобы состав смеси всегда соответствовал стехиометрическому. В этом случае CO, CH_x и NO_x будут присутствовать в отработавших газах в минимальных количествах.

Принцип работы α-зонда заключается в том, что в узком диапазоне вблизи стехиометрического состава смеси α = 1 напряжение между внутренней и внешней поверхностью зонда резко меняется, что служит управляющим импульсом для устройства, регулирующего подачу топлива. Чувствительный элемент 1 зонда выполнен из двуокиси циркония, а его поверхности 2 покрыты слоем платины. Характеристика напряжения U, между внутренней и внешней поверхностями чувствительного элемента показаны на рис. 4.

Рис. 4. Схема и характеристика датчика состава смеси (α-зонда):
1 — корпус; 2 — слой платины.

Другие токсичные вещества

Для увеличения октанового числа топлива обычно применяют антидетонаторы, например тетраэтилсвинец. Чтобы соединения свинца не оседали на стенках камеры сгорания и клапанах, используют так называемые выносители, в частности, дибромэтил.

Эти соединения поступают в атмосферу с отработавшими газами и загрязняют растительность вдоль дорог. Попадая с пищей в организм человека, соединения свинца вредно влияют на его здоровье. Об осаждении свинца в катализаторах отработавших газов уже упоминалось. В этой связи важной задачей в настоящее время является удаление свинца из бензина.

В бензине содержатся, кроме того, и другие вредные для здоровья человека примеси, например сера. Сернистые соединения, выбрасываемые с отработавшими газами, раздражают органы дыхания и зрения.

Масло, проникающее в камеру сгорания, полностью не сгорает, и в выхлопных газах повышается содержание CO и CH_x. Для исключения этого явления необходимы высокая герметичность поршневых колец и поддержание хорошего технического состояния двигателя.

Сгорание большого количества масла особенно характерно для двухтактных двигателей, у которых оно добавляется к топливу. Отрицательные последствия применения бензомасляных смесей частично смягчаются дозированием масла специальным насосом в соответствии с нагрузкой двигателя. Аналогичные трудности существуют и при применении двигателя Ванкеля.

Вредное воздействие на здоровье человека оказывают и пары бензина. Поэтому вентиляцию картера необходимо осуществлять таким образом, чтобы газы и пары, проникающие в картер из-за плохой герметичности, не поступали в атмосферу. Утечку паров бензина из топливного бака можно предотвратить адсорбцией и отсасыванием паров во впускную систему. Утечка масла из двигателя и коробки передач, загрязнение автомобиля вследствие этого маслами также запрещены в целях сохранения чистоты окружающей среды.

Уменьшение расхода масла с экономической точки зрения столь же важно, как и экономия топлива, поскольку масла значительно дороже топлива. Проведение регулярного контроля и технического обслуживания сокращают расход масла из-за возникновения неисправностей двигателя. Течи масла в двигателе могут наблюдаться, например, вследствие плохой герметичности крышки головки блока цилиндров. Из-за утечки масла загрязняется двигатель, что бывает причиной пожара.

Небезопасна утечка масла и вследствие низкой герметичности уплотнения коленчатого вала. Расход масла в этом случае заметно возрастает, и автомобиль оставляет грязные следы на дороге.

Загрязнение автомобиля маслом весьма опасно, и масляные пятна под автомобилем служат поводом для запрещения его эксплуатации.

Масло, вытекающее через уплотнение коленчатого вала, может попасть в сцепление и вызвать его пробуксовку. Однако более негативные последствия вызывает, попадание масла в камеру сгорания. И хотя расход масла при этом относительно невелик, но неполное его сгорание увеличивает выброс вредных составляющих с отработавшими газами. Горение масла проявляется в излишнем дымлении автомобиля, что типично для двухтактных, а также значительно изношенных четырехтактных двигателей.

В четырехтактных двигателях масло проникает в камеру сгорания через поршневые кольца, что особенно заметно при большом износе их и цилиндра. Основная причина проникновения масла в камеру сгорания состоит в неравномерности прилегания компрессионных колец к окружности цилиндра. Отвод масла со стенок цилиндра осуществляется через прорези маслосъемного кольца и отверстия в его канавке.

Через зазор между стержнем и направляющей впускного клапана масло легко проникает во впускной трубопровод, где имеется разрежение. Это особенно часто наблюдается при использовании масел с малой вязкостью. Предотвратить расход масла через этот узел можно применением резинового сальника на торце направляющей клапана.

Картерные газы двигателя, содержащие много вредных веществ, обычно отводятся специальным трубопроводом во впускную систему. Поступая из нее в цилиндр, картерные газы сгорают вместе с топливовоздушной смесью.

Маловязкие масла снижают потери на трение, улучшают механический КПД двигателя и уменьшают расход топлива. Однако не рекомендуется применять масла с вязкостью меньшей, чем предписано нормами. Это может вызвать повышенный расход масла и большой износ двигателя.

Вследствие необходимости экономии нефти сбор и использование отработанного масла становятся все более важными проблемами. Путем регенерации старых масел можно получить значительное количество качественных жидких смазывающих веществ и одновременно предотвратить загрязнение окружающей среды, прекратив сброс отработанных масел в водные потоки.

Определение допустимого количества вредных веществ

Устранение вредных веществ из отработавших газо — достаточно сложная задача. В больших концентрациях эти компоненты весьма вредны для здоровья. Конечно, невозможно сразу изменить создавшееся положение, особенно в отношении эксплуатируемого парка автомобилей. Поэтому законодательные предписания по контролю за содержанием вредных веществ в отработавших газах рассчитаны на производимые новые автомобили. Эти предписания будут постепенно совершенствоваться с учетом новых достижений науки и техники.

Очистка отработавших газов связана с увеличением расхода топлива почти на 10 %, снижением мощности двигателя и ростом стоимости автомобиля. Возрастает при этом и стоимость технического обслуживания автомобиля. Катализаторы также стоят дорого, так как их компоненты состоят из редких металлов. Срок службы должен быть рассчитан на 80000 км пробега автомобиля, однако сейчас он еще не достигнут. Используемые в настоящее время катализаторы служат около 40000 км пробега, и при этом применяется бензин без примесей свинца.

Сложившаяся ситуация ставит под сомнение эффективность жестких предписаний по содержанию вредных примесей, поскольку это вызывает значительный рост стоимости автомобиля и его эксплуатации, а также приводит в итоге к повышенному потреблению нефти.

Выполнение выдвигаемых на перспективу жестких требований к чистоте отработавших газов при современном состоянии бензиновых и дизельных двигателей пока не представляется возможным [4]. Поэтому целесообразно уделять внимание радикальному изменению силовой установки механических транспортных средств.

Сноски

1. ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. - М.: Машиностроение, 1987. - 320 с.: ил.//Стр. 22 - 23 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru
2. ↺ Выражение «смог» возникло из сочетания английских слов smoke – дым и fog – туман. – Примеч. авт.
3. ↺ В отечественной терминологии каталитические системы нейтрализации NO_x, CO и CH_x называются трехкомпонентными. – Примеч. ред.
4. ↺ Всё не так плохо. Совершенствование двигателя внутреннего сгорания продолжается, что позволяет ему удовлетворять современным экологическим нормам. – Прим. icarbio.ru

Комментарии

Ваше имя:
Ваш e-mail:		необязательное поле
Мы будем рады, если Вы оставите свой комментарий.
Кто Вы?	Человек Робот