Экологическая система автомобиля с нейтрализацией отработавших газов
Д.Соснин
В последние годы значительно возросли требования к очистке выхлопных отработавших газов автомобиля от токсичных компонентов. Наряду с этим стали нормироваться допуски и на испаряемость бензина из бензобака. Это привело к необходимости установки на современных легковых автомобилях специальных экологических систем, которые работают совместно с системой впрыска топлива
Современные легковые автомобили оборудуются системами экологической защиты окружающей среды в обязательном порядке. Есть несколько способов понижения концентрации вредных веществ (токсиногенов), попадающих в атмосферу и окружающую среду при работе автомобиля. Основные из них следующие.
1. Экологическая система автомобиля с кислородным датчиком (система ЭСК)
Система ЭСК предназначена для работы совместно с электронным карбюратором, либо в составе любой системы впрыска топлива, где она корректирует состав ТВ-смеси при изменении процентного содержания кислорода в выхлопных отработавших газах. При этом в систему впрыска добавляются:
1) кислородный датчик (КД), установленный в выпускном канале ДВС в потоке ОГ;
2) авторегулятор (блок РЭС), выполненный в виде электронной схемы, помещенной в корпус обычного реле или интегрированной в ЭБУ системы впрыска;
3) тактовый электробензоклапан (ТЭК), установленный между топливоподающей и обратной бензомагистралями и работающий по импульсным сигналам от блока РЭС;
4) термовыключатель (ТВК), установленный в системе жидкостного охлаждения ДВС (только для механических систем впрыска), или датчик температуры ДВС (для систем впрыска с электронным управлением).
Функциональная схема экологической системы ЭСК, которая включена в состав системы впрыска «К-Jetronic», показана на рис. 2.
Такая система работает следующим образом.
Пока двигатель холодный, термовыключатель ТВК 7 разомкнут, и система ЭСК не функционирует. Система впрыска в это время работает без коррекции состава ТВ-смеси по содержанию кислорода в ОГ, т.е. в обычном режиме обогащения ТВ-смеси для холодного двигателя.
После прогрева ДВС до определенной температуры (55. 60°С) термовыключатель 7 замыкается, и напряжение от бортсети автомобиля (по массе) подается на авторегулятор РЭC 2. С этого момента авторегулятор РЭС начинает реагировать на сигналы кислородного датчика 9, который к этому времени сам прогревается до рабочей температуры +300°С, так как установлен в выпускном коллекторе 10. Электронная схема авторегулятора (блок РЭC 2) представляет собой генератор электрических импульсов с постоянной длительностью, но с управляемой частотой следования. Частота следования управляется аналоговым сигналом Ед от кислородного датчика КД 9. В РЭC сигнал предварительно обрабатывается и преобразуется с помощью пороговой электрической схемы в последователь ность импульсов для управления тактовым электробензоклапаном ТЭК 3.
Таким образом концентрация кислорода в ОГ определяет периодичность следования импульсов, поступающих на тактовый клапан 3 от РЭC 2. Когда на тактовый клапан поступает электрический импульс, он открывается. При отсутствии импульсов тактовый клапан закрыт.
При открытии тактового клапана рабочее давление в главной топливной магистали ПБМ падает и топливовоздушная смесь обогащается, так как мембрана 6 дифференциального клапана в дозаторераспределителе 4 больше прогибается вниз, и топлива к форсункам поступает больше. Если тактовый клапан закрывается, то мембрана дифференциального клапана больше прогибается вверх, и смесь обедняется.
Система ЭСК регулирует коэффициент избытка воздуха а таким образом, чтобы он все время был близким к единице. Как следствие, концентрация окиси углерода СО и углеводородов СН в ОГ поддерживается на низком уровне. Однако, ЭСК не позволяет понизить концентрацию оксидов азота NOx, так как они образуются под большим давлением и особенно под действием высокой температуры и мало влияют на концентрацию кислорода в ОГ.
В тех случаях, когда применяется этилированный бензин, система ЭСК может быстро выйти из строя за счет оседания тяжелых соединений свинца на наружной платиновой поверхности кислородного датчика. Чувствительность активного катализатора из благородного металла резко падает. Датчик при этом перестает функционировать. Чтобы этого не происходило, кислородный датчик заменяется пробкой-заглушкой, а остальные компоненты системы ЭСК остаются на автомобиле. Система без кислородного датчика продолжает функционировать, но уже не в режиме регулирования частоты срабатывания тактового клапана, а в режиме подачи на него последовательности импульсов с постоянной скважностью 0,5. При этом 50% времени тактовый клапан открыт, а 50% закрыт. Частота следования импульсов достаточно высокая (50. 60 Гц) для того, чтобы в главной топливной магистрали рабочее давление не успевало изменяться от импульса к импульсу. При этом рабочее давление устанавливается на таком среднем уровне,при котором состав рабочей смеси может регулироваться обычным способом (штатными режимами работы системы впрыска).
Если автомобиль переведен обратно на эксплуатацию с неэтилированным бензином, то система ЭСК может быть быстро приведена в действие путем установки кислородного датчика вместо пробкизаглушки и его подключением к блоку РЭС.
2. Экологическая система автомобиля с рециркуляцией отработавших газов (система ЭСР)
Система ЭСР (в зарубежной литературе — система EGR) относится к таким системам, в которых имеет место воздействие на процесс горения ТВ-смеси в камере сгорания с целью понижения токсичности отработавших газов (ОГ).
Система ЭСР работает по принципу понижения температуры в цилиндре на режимах средних (самых распространенных) нагрузок ДВС. При этом интенсивность образования оксидов азота NOx значительно понижается.
Понижение температуры горения в цилиндре достигается путем введения в него части ОГ из выпускного коллектора через впускной коллектор, т.е. путем рециркуляции продуктов сгорания. Так как ТВ-смесь при этом разбавляется пассивными выхлопными газами, то рабочее соотношение «бензин-воздух» в смеси остается неизменным, но температура горения понижается.
Для реализации системы ЭСР в систему впрыска бензина добавляются следующие устройства:
1) клапан КР рециркуляции отработавших газов с управлением от разрежения в близкой преддроссельной зоне впускного коллектора (в системах группы К), либо с управлением от ЭБУ-впрыска (в системах группы L);
2) термопневмоклапан ТПК (в системах группы К), или датчик температуры двигателя (в системах группы L), которые устанавливаются в потоке охлаждающей жидкости ДВС и разрешают работу клапана рециркуляции после прогрева двигателя.
На рис. 3 представлена функциональная схема экологической системы с рециркуляцией которой оснащена система «K-Jetronic». Система ЭСР работает следующим образом.
При температуре охлаждающей жидкости ДВС ниже 45°С термопневмоклапан ТПК 16 закрыт, и рециркуляция не имеет места, так как пневматический канал к клапану рециркуляции КР перекрыт (рис. 4). При температуре выше 60°С клапан ТПК открывается за счет прогиба биметаллической диафрагмы 9 в сторону охлаждающей жидкости 10, и с этого момента разрешается работа пневмоклапана рециркуляции КР. Таким образом, как и в системе ЭСК, работа системы ЭСР начинается после прогрева ДВС.
Система рециркуляции ЭСР в системах впрыска группы К работает только на режимах частичных нагрузок. Как видно из рис. 4 а,
это имеет место потому, что вакуумный канал 2 клапана рециркуляции КР выведен не в задроссельную, а в ближнюю преддроссельную зону впускного коллектора (чуть выше края дроссельной заслонки 1). При таком положении вакуумного канала дроссельная заслонка может управлять степенью разрежения в клапане рециркуляции только в начале своего открытия, когда разрежение в канале достаточно высокое. Когда в режиме ХХ дроссельная заслонка закрыта (рис. 4 а), канал к клапану рециркуляции находится в зоне атмосферного давления и клапан КР тоже закрыт. На всех остальных (после ХХ) режимах работы ДВС (на частичных нагрузках) клапан КР открыт (см. рис. 4 б). Но как только дроссельная заслонка открывается более чем на 70 угловых градусов, разрежение в вакуумном канале начинает падать (переход на режим полной нагрузки) и под действием возвратной пружины клапан рециркуляции КР снова закрывается (см. рис. 4 в).
Следует отметить, что в некоторых вариантах систем ЭСР термопневмоклапан ТПК 4 (рис. 4 г) отсутствует. И тогда вакуумный канал несколько измененного по конструкции клапана рециркуляции КР подключается непосредственно к впускному коллектору. В системах впрыска с электронным управлением клапан рециркуляции управляется электрически от ЭБУ впрыска.
Вышеописанный процесс рециркуляции отработавших газов с помощью наружного пневматического клапана рециркуляции называется внешней рециркуляцией. Но рециркуляция отработавших газов может иметь место также непосредственно в камерах сгорания двигателя, механизм газораспределения которого работает со значительным смещением фазы перекрытия клапанов в сторону впуска. Такая рециркуляция называется внутренней. Предполагается, что на двигателях следующего поколения, когда станет возможным электронное управление клапанами в газораспределительном механизме, необходимость во внешней рециркуляции отпадет.
3. Экологические системы автомобиля с нейтрализацией отработавших газов в выпускном тракте (система ЭСН)
Нейтрализацию токсичных веществ в выпускном канале после их эвакуации из цилиндров можно реализовать с помощью различных газонейтрализаторов.
На современных легковых автомобилях самыми распространенными являются комбинированные каталитические газонейтрализаторы (КГН).
На рис. 5 а показан комбинированный трехкомпонентный
двухсекционный каталитический газонейтрализатор (КГН), состоящий из двух последовательно соединенных нейтрализаторов — восстановительного (ВГН) и окислительного (ОГН). В обоих случаях катализатором являются тонкие платино-родиевые пленки, нанесенные на внутреннюю поверхность сотовой керамики 2. Отработавшие газы пропускаются через соты. Сотовое тело комбинированного газонейтрализатора разделено на две секции. Конструкция сот и линейные размеры секций несколько различны. Ряд КГН изготавливается с применением керамических гранул вместо сотовых секций. Но гранулы, как и соты, покрываются тонкой пленкой катализатора из благородного металла. Первая секция (по направлению движения отработавших газов) выполняет функции однокомпонентного высокотемпературного (600. 700°С) восстановительного нейтрализатора для оксидов азота NOx. Здесь протекает химическая реакция 2NO + 2CO = N2 + 2СО2, из которой видно, что восстановление азота N2 из моноокиси азота NO происходит при наличии некоторого избытка угарного газа СО, который в данном случае является восстановительной средой. Таким образом, нейтрализация окиси азота NO протекает более эффективно, если двигатель работает на несколько обогащенной ТВ-смеси (а = 0,95), и восстановительный нейтрализатор установлен до окислительного. Для более эффективной работы в некоторых конструкциях КГН (для мощных ДВС с большим объемом цилиндров) предусматривается подача дополнительного воздуха в сек¬цию окислительного нейтрализатора через специальный штуцер.
При сгорании более богатых ТВ-смесей (а 
бензина для двигателей, оборудованных электронным управлением от ЭБУ. Испарение бензина значительно увеличивается при температуре выше 25°С и герметичный бензобак оказывается под излишним внутренним давлением Рп. Под напором внутреннего давления пары бензина перепускаются по соединительному шлангу 17 в замкнутый объем угольного фильтра 16, где адсорбируются на гигроскопичных гранулах активированного угля 14. Активированный уголь обладает свойством легко накапливать в своих порах бензин и также легко отдавать его в поток 18 продувочного воздуха.
Поток продувочного воздуха (через угольный фильтр) формируется поршневым всасыванием при работе двигателя. Для этой цели воздушный шланг от входного штуцера 12 на угольном фильтре подведен к специ¬альному штуцеру на воздушном фильтре. Но перепускать пары бензина во впускной коллектор сразу после запуска двигателя нерационально, так как при пуске и прогреве ТВ-смесь обогащается по специальной программе, заложенной в памяти электронного блока управления (ЭБУ) впрыском. Поэтому в разрыв воздушного соединительного шланга 7 между угольным фильтром и двигателем устанавливается запорный пневмоклапан (ЗПК) 6 с электрическим управлением от ЭБУ 11. Этот клапан открывается только после прогрева и при таком режиме работы двигателя, при котором требуется обогащенная ТВ-смесь (например, при разгоне и полной нагрузке).
Если концентрация паров бензина в продувочном потоке воздуха через угольный фильтр составляет 1%, то обогащение ТВ-смеси во впускном коллекторе увеличивается на 20%. Чтобы не происходило более значительного обогащения, клапан ЗПК работает в тактовом режиме от импульсного сигнала ЭБУ. Программа управления тактовым клапаном ЗПК заложена в ЭБУ впрыска и обычно адаптирована под температуру Тд двигателя (датчик 8) и концентрацию кислорода в выхлопных отработавших газах (датчик 10).
Нейтрализация картерных газов, концентрация токсичных химических соединений в которых значительно выше концентрации в отработавших газах, на современных двигателях реализуется с помощью обычной подсистемы вентиляции картера.
В заключение следует подчеркнуть, что из всех проблем современного автомобильного двигателестроения нейтрализация выхлопных отработавших газов самая злободневная.
РЕМОНТ&СЕРВИС-12’2000
Системы нейтрализации выхлопных газов машины
Статья о нейтрализации выхлопов на бензине и дизеле: состав выхлопных газов, системы нейтрализации. В конце статьи — видео о том, что делать с запахом выхлопа в салоне.
Содержание статьи:
- Выхлопные газы
- Решение для бензиновых двигателей
- Решение для дизельных двигателей
- Проблемы системы нейтрализации выхлопных газов
- Видео о том, что делать с запахом выхлопа в салоне
Проблема загрязнения воздуха и окружающей среды не нова – первые серьезные изменения были отмечены еще в 70-х годах прошлого века. Однако сегодня, спустя почти полвека, ситуация значительно усугубилась: автомобильного транспорта стало значительно больше, вместе с ним возросла концентрация вредных веществ и соединений, попадающих в атмосферу мегаполиса и вызывающих у сограждан серьезные нарушения здоровья.
Борьба за чистоту воздуха привела к созданию так называемых нейтрализаторов для двигателей бензинового и дизельного типа. Сегодня такие системы часто интегрированы в бортовую электронику транспортного средства. Что это за системы и как они работают? Рассмотрим детально.
Выхлопные газы
Во время работы различные системы автомобиля (ДВС, топливная, вентиляционная, а также ходовая часть) выделяют вредные вещества в виде газа и мелкодисперсной пыли. Часть из них – неядовитые соединения, которые содержатся в обычном воздухе. Другая часть является ядовитыми, токсичными и канцерогенными веществами, которые не только негативно влияют на окружающую среду, но и разрушают здоровье человека. Основные загрязнители:
- СО (он же – оксид углерода, или угарный газ) не имеет цвета и запаха, однако приводит к патологии ЦНС, угнетению сердечно-сосудистой и дыхательной системы, и в концентрации 0,3% от объема воздуха приводит к летальному исходу. Возникает он в результате неполного сгорания топлива.
СН (углеводороды) – обширная группа соединений с общей структурой, которые возникают при неполном или недостаточно быстром сгорании топлива. К ним относятся парафин, олефин, альдегид, формальдегид, бензол, толуол, ксилол и прочие полициклические соединения. Эти мутагены и канцерогены разрушают органы дыхания и способствуют росту и развитию раковых клеток, в том числе рака крови – лейкемии.
NОх (окислы азота) – основная причина возникновения кислотных дождей, так как при соединении с водой образуются азотная и азотистая кислоты. Это один из серьезных канцерогенов, вызывающих раковые опухоли. Ядовитый газ разрушает органы дыхания и накапливается в крови. Образуется в момент сгорания топлива.
SОх (оксиды серы) аналогично предыдущему химическому элементу. При контакте с водой образуют серную и сернистую кислоты. В состоянии газа вызывает патологию органов зрения и дыхания.
Н2S (сероводород) — вызывает общее отравление организма, возникает при использовании низкокачественного топлива с высоким содержанием серы.
NH3 – аммиак – вызывает слепоту и ожоги верхних дыхательных путей.
Частицы сажи – продукт неполного сгорания топлива и масла. В основном, проблема возникновения канцерогена характерна для дизельных двигателей.
Мелкодисперсные частицы пыли углеводорода, серы, тяжелых металлов менее опасны, так как способны отфильтровываться непосредственно организмом.
Дым синего или белого цвета – продукт испарения масла дизельных двигателей.
СО2 – углекислый газ – вызывает угнетение ЦНС, сердечно-сосудистой системы и органов дыхания, при содержании в атмосфере 6% от общего объема воздуха приводит к летальному исходу.
В современном законодательстве проблема экологии и нормы предельно допустимых выхлопных газов для автотранспортных средств регулируются техрегламентом Таможенного союза ТР ТС 018/2011 в поправке от 11.07.2016. Однако с 11 ноября 2018 и в него будут внесены поправки, ну а пока допускаются следующие предельные показатели: СО — 85 г/кВт•ч, НС — 5 г/кВт•ч, NO — 17 г/кВт•ч.
А к обязательным компонентам автомобилей относятся системы нейтрализации отработавших газов, в том числе сменные каталитические нейтрализаторы (за исключением систем нейтрализации на основе мочевины).
Решение для бензиновых двигателей
Системы нейтрализации выхлопных газов автомобиля бывают двухкомпонентными и трехкомпонентными, причем последние появились сравнительно недавно. Как устроена и работает данная система?
Принцип действия
Работа нейтрализатора заключается в окислении токсичных веществ при помощи катализаторов, в результате чего продукты неполного сгорания топлива дожигаются или разлагаются на безвредные химические элементы и вещества.
Активными компонентами (катализаторами) выступают драгоценные металлы — палладий, платина. Популярны и менее затратны катализаторы на основе оксида меди, кобальта, никеля, ванадия, марганца, железа, алюминия. Нередки катализаторы на основе сплавов стали нержавеющей или легированной, бронзы или латуни.
Конструкция
Основные элементы нейтрализатора – корпус из нержавеющей жаропрочной стали, внутренняя поверхность которой выстлана терморасширительной прокладкой. Внутри бака — газоподводящий и отводящий цилиндр и ячеистые соты, на которые нанесен слой вещества — катализатора.
- Ячеистые соты, на которые наносится катализирующий состав, могут быть выполнены из керамики. Такие нейтрализаторы в качестве катализатора используют тонкий слой из драгоценных редких металлов. Это самый дорогостоящий вид систем нейтрализации отработанных газов.
Устройство в автомобильных системах и порядок работы
Системы нейтрализации выхлопных газов располагаются в непосредственной близости от ДВС, под днищем транспортного средства. Через шарнирное соединение нейтрализатор подсоединяется к выпускному коллектору с одной стороны, и выхлопной системе – с другой.
Для обеспечения качественной химической реакции с участием кислорода системы нейтрализации используют воздушные насосы или виброклапаны. При разогреве системы нейтрализации до 400-800 градусов CO (оксид углерода) и CH (углеводороды) под действием катализаторов превращаются в углекислый газ и воду. Близкое расположение нейтрализаторов к ДВС позволяет снизить количество NОх (окисла азота) сразу после запуска двигателя.
Обратную связь с блоком управления автомобиля нейтрализатору обеспечивают лямбда-зонды, специальные кислородные датчики, или четырехгазовые анализаторы, которые на входе и выходе из системы определяют уровень кислорода и качество очистки выхлопных газов.
Решение для дизельных двигателей
Аналогично бензиновым двигателям, дизели имеют системы нейтрализации выхлопных газов. Однако главной проблемой остается сажа: не до конца сгоревшее топливо под действием химических процессов превращается в твердые мелкодисперсные частицы — канцерогены.
Нейтрализаторы решить эту проблему не способны. Поэтому перед тем, как выхлопной газ попадет в систему нейтрализации, он проходит очистку сажевым фильтром.
Конструкция
Аналогично нейтрализатору, фильтр имеет ячеистые соты, которые в шахматном порядке закрыты накопительными перегородками-фильтрами частиц. Для каждого производителя автомобиля с дизельным двигателем используется своя система контроля данного параметра. Среди видов таких фильтров можно выделить:
- DPF – накопительные фильтры;
- DPNR – фильтры, дожигающие твердые частицы;
- FAP – фильтры с цериевыми присадками для очистки от сажи;
- DPF или SCR – фильтры с присадкой AdBlue, разлагающие NOx (окислы азота) на безвредный азот и водяной пар.
Проблемы системы нейтрализации выхлопных газов
Все вышеописаные системы характерны для автомобилей импортного производства и моделей последнего поколения. Для отечественного автопрома с карбюраторами установка нейтрализатора не популярна, не пользуется спросом, а также может быть весьма накладна.
Существенная стоимость систем нейтрализации выхлопных газов при их выходе из строя на импортных автомобилях чаще всего приводит к попытке избавиться от такой «нужной» детали. А выйти из строя он может по ряду причин:
- Использование некачественного или «улучшенного» присадками топлива;
- Попадание в рабочую полость топлива или масла;
- Нестабильная работа двигателя;
- Механические повреждения корпуса;
- Резкий перепад температур на корпусе.
Предугадать точный пробег нейтрализатора невозможно: на одних машинах он едва ли переваливает за 100 тыс. км, на других отлично ведет себя при пересечении отметки в 200 тысяч.
Как решить проблему системы нейтрализации выхлопных газов? Не стоит спешить и демонтировать нейтрализаторы, ведь борьба за экологию только началась. Кроме того, что могут возникнуть непредвиденные поломки, которые не сможет диагностировать «обманутая» электроника, требования к выхлопам при прохождении ТО ужесточаются, а значит, не все владельцы смогут его пройти. Да и токсичные выхлопы и канцерогены смогут в большой концентрации попасть в салон и нанести непоправимый вред здоровью водителя и пассажиров.
Гораздо целесообразнее проводить своевременную профилактическую проверку состояния нейтрализатора и сажевого фильтра и при возникновении критической для работы поломки или неисправности – заменить на новый. Ведь суммарная стоимость устранения возникших по причине отсутствия этого важного элемента неполадок может быть существенно выше.
Видео о том, что делать с запахом выхлопа в салоне: