Рубрика: Системы снижения токсичности автомобиля

Предельные параметры ОГ для легковых автомобилей с бензиновыми двигателями

Европейские нормы токсичности отработавших газов

На рисунках показаны основные тенденции в отношении предельных значений токсичности ОГ для бензиновых и дизельных двигателей в Европе. Продолжающееся ужесточение требований к токсичности ОГ подчеркивает очевидную важность внедрения систем OBD и обязательного контроля состава ОГ. Предельные значения приведены для автомобилей с бензиновыми или дизельными двигателями, максимальным количеством посадочных мест не более 6 и полной массой до 2500 кг. Рис. Предельные параметры ОГ для легковых автомобилей с бензиновыми двигателями Рис. Предельные параметры ОГ для легковых автомобилей с дизельными двигателями В Германии реализация директивы ЕС о предельном содержании диоксида серы, диоксида азота и оксидов азота, частиц и свинца в воздухе регулируется Постановлением № 22 о реализации Федерального Закона о мерах защиты окружающей среды от 11.09.2002. С 1 января 2005 года вне зависимости от места измерения действует максимально допустимый предел загрязнения воздуха частицами РМ10 50 мкг/м^3 (среднесуточное значение). Это значение не должно превышаться в календарном году более чем 35 раз. Среднегодовое значение при РМ10 не должно превышать 40 мкг/м3. Исследования показали, что доля выхлопов дизельных легковых автомобилей в общем загрязнении воздуха мелкодисперсной пылью составляет около 5%.   Таблица. Предельные уровни токсичности Евро-3 (Директива ЕС 98,69/EG) Таблица. Предельные уровни токсичности Евро-4 (Директива ЕС 98/69/EG) Таблица. Предельные уровни токсичности Евро-5 Таблица. Предельные значения ОГ для серийно выпускаемых тяжелых грузовиков и автобусов: измененные / более жесткие условия испытаний для всех дизельных двигателей дополнительное испытание переходных процессов для дизельных двигателей с системой очистка выхлопа для двигателей, работающих на газе, только испытание переходных процессов только для двигателей, работающих на природном газе только для дизельных двигателей * при Евро-5 (с 2009) снижается только предельное содержание NOx с 3,5 до 2,0 г/км Предельное содержание частиц по массе ESC — European Stationary Cycle (европейский стационарный цикл) ETC — European Transient Cycle (европейский динамический цикл) ELR — European Load Response Test (в перспективе будет упразднен, так как это лишь динамическое дополнение к стационарному испытанию ESC) Без установки очень дорогих накопительных катализаторов или SCR-катализаторов и сажевых фильтров соблюдать новые нормы не удается. А их установка приводит к тому, что автомобили становятся заметно дороже. Отчасти принимаемые меры по сокращению выбросов сажи и окислов азота находятся на грани технически необходимого и экономически целесообразного. Со вступлением в силу стандарта Евро-6 в части токсичности ОГ легковые автомобили больше не будут различаться по типу двигателя — бензиновый/дизельный. Будут действовать единые нормы для легковых автомобилей. С реализацией европейских директив одновременно были приняты постановления по качеству топлива, особенно по содержанию в топливе свинца и серы. Они были закреплены в стандартах DIN EN 228 для бензина и DIN EN 590 для дизтоплива. Дополнительно к предписаниям по токсичности ОГ для легковых и легких грузовых автомобилей ЕС ввел соответствующие ужесточения требований для тяжелых грузовиков. В феврале 2000 года ЕС опубликовал директиву 1999/96/EG. Она предусматривает ужесточение требований для тяжелых грузовиков в три этапа на основании базовой директивы 88/77/EG в редакции 96/1/EG (Евро-2). Кроме того, эта директива предписывает обязательное наличие OBD у тяжелых грузовиков с 2005 года (Евро-4).

Схема рециркуляции отработавших газов дизельного двигателя

Рециркуляция отработавших газов (ОГ)

Рециркуляция отработавших газов (ОГ) заключается в перепуске их части во впускную систему двигателя и последующему возврату в камеры сгорания. Так как ОГ содержат после процесса сгорания очень мало кислорода, максимальные температура и давление при сгорании топлива снижаются. В результате этого уменьшается выброс оксидов азота – NOx. Эффект рециркуляции, снижающий уровень эмиссии NOx, основывается на трех составляющих: снижении концентрации кислоро­да в камере сгорания сокращении расхода ОГ снижении температуры в цилиндре благодаря более высокой теплоемко­сти инертных газов, которые не уча­ствуют в реакции (например, СО2) Количество отработавших газов, участвовавших в рециркуляции, может достигать 20…50% общего расхода, при этом содержание окислов азота снижается до 60%. Увеличение выбросов углеводородов и роста расхода топлива при увеличении неравномерности работы двигателя накладывают ограничения на верхний предел степени рециркуляции отработавших газов. Система рециркуляции выключается при работе двигателя на холостом ходу, потому что образование окислов азота на этом режиме незначительно. На режимах полных нагрузок или близких к ним, рециркуляция осуществляется непродолжительное время, а в режиме частичных нагрузок более длительное время и эффективность действия системы на этом режиме наивысшая. Рециркуляция подразделяется на: внутреннюю внешнюю При внутренней рециркуляции отработавших газов регулирование количества остаточных газов в цилиндрах двигателя производится перестановкой по фазе впускных и выпускных валов. Это создает условия для поступления отработавших газов из выпускных во впускные каналы во время перекрытия фаз газораспределения (т. е. в период одновременного открытия впускного и выпускного клапанов). При этом количество рециркулируемых газов зависит главным образом от продолжительности перекрытия фаз. Для этого впускные клапаны должны открываться задолго до ВМТ, а выпускные – закрываться непосредственно перед ВМТ. В результате оба клапана остаются открытыми одновременно и отработавшие газы перетекают во впускные каналы. К преимуществам внутренней рециркуляции отработавших газов по сравнению с внешней рециркуляцией относятся ускоренная реакция системы и повышенная равномерность распределения рециркулируемых газов по цилиндрам. Схема системы внешней рециркуляции ОГ представлена на рисунке. Принцип работы системы основан на перепуске части ОГ во впускной трубопровод. После этого они, смешиваясь с воздухом или топливовоздушной смесью, повторно участвуют в горении. Определенная часть ОГ, пройдя клапан рециркуляции 3, разбавляет свежую топливоздушную смесь или воздух. Управление клапаном рециркуляции осуществляется с помощью электронного блока управления 4 двигателя как правило, общего с системой питания, АБС и т. д. Рис. Схема рециркуляции отработавших газов дизельного двигателя: 1 – всасываемый воздух; 2 – заслонка впускного коллектора с датчиком положения заслонки и двигателем; 3 – клапан рециркуляции ОГ; 4 – блок управления двигателя; 5 – подводящая магистраль ОГ; 6 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 7 – лямбда-зонд; 8 – выпускной коллектор; 9 –турбонагнетатель; 10 – радиатор охлаждения ОГ; 11 – переключающий клапан радиатора рециркуляции Количество рециркулируемых ОГ зависит от частоты вращения двигателя, количества впрыскиваемого топлива, объема всасываемого воздуха, температуры и давления всасываемого воздуха. Блок управления двигателем определяет с помощью измерителя расхода поступающую в цилиндры массу воздуха и рассчитывает соответствующее ее величине давление во впускном трубопроводе. При рециркуляции ОГ их масса добавляется к массе свежего воздуха и соответственно повышается давление во впускном трубопроводе. Датчик давления во впускном трубопроводе реагирует на это изменением напряжения на его выходе, которое передается на вход блока управления двигателем. По величине этого сигнала определяется суммарное количество воздуха...

Структура металлического и керамического носителей

Конструкция катализаторов

Катализаторы ОГ за последние годы превратились в технически сложные, активные системы очистки отработавших газов. В сочетании с другими системами они обеспечивают максимальное преобразование ядовитых компонентов ОГ в безвредные. Принципиальная конструкция катализаторов с момента их появления почти не изменилась, чего не скажешь о технологиях изготовления. В последние годы особенно сильно были улучшены термические и аэродинамические показатели, что привело к повышению степени нейтрализации и долгосрочной стабильности. Основные детали катализатора: корпус и выпускная система из нержавеющей стали (дорогие материалы); специальные подкладки (защита и фиксация для керамического блока); несущий материал или блок (металл или керамика); промежуточный, фиксирующий слой для благородных металлов; каталитически активный слой (платина, родий, палладий). Корпус из нержавеющей стали Корпус из нержавеющей стали необходим для обеспечения хорошей защиты от коррозии при образовании воды в процессе нейтрализации вредных компонентов. Лишь таким образом можно обеспечить достаточный срок службы систем выпуска ОГ — не менее 3-5 лет. В качестве материала используется хромистая или нихромовая сталь, стойкая к коррозии, кислотам и нагреву. Специальные подкладки Служат для фиксации керамического блока и компенсируют тепловое расширение керамического блока и корпуса из нержавеющей стали. Кроме того, они гасят колебания, принимают на себя механические нагрузки, а также осевые и радиальные ускорения. Подкладки состоят из специальной проволочной сетки или керамического волокна со вставкой из слюдяных пластинок. За счет переплетения слюдяных пластинок подкладки под воздействием температуры расширяются и адаптируются к зазору между блоком и корпусом из нержавеющей стали таким образом, чтобы между ними не было люфта. Керамический блок Экструдированный керамический блок с сотовой структурой, состоящий из магниево-алюминиевого силиката (кордиерита) или карбида кремния, служит носителем катализатора и пронизан тысячами маленьких, параллельно расположенных каналов (65-95 каналов на см2). В одном блоке может быть до 8000 каналов. Это позволяет достичь увеличения общей имеющейся площади контактной поверхности. Толщина стенок у старых систем составляет 0,15 мм. Новая тонкостенная керамика позволяет достичь толщины стенок 0,1-0,05 мм. На поверхность блока наносится промежуточный слой активаторов, так называемый washcoat. Этот промежуточный слой увеличивает имеющуюся поверхность примерно в 7000 раз. Он состоит из оксидов алюминия, оксидов магния и силикатов. В зависимости от общего размера катализатора для отработавших газов получается контактная поверхность 15 000-18000 м2 на литр объема катализатора. Это соответствует размеру одного-двух футбольных полей. Общая площадь поверхности может достигать 70000 м2. На такую огромную поверхность путем конденсации наносят сам каталитический материал — платину (Pt) или палладий (Pd) и родий (Rh). Соотношение платины и родия составляет 5: 1. С начала 90-х годов прогресс в технологии нанесения покрытий позволил использовать также соотношения Pd: Rh (от 5: 1 до 9:1), а также триметаллические катализаторы (Pt: Pd: Rh от 1: 14: 1 до 1: 28: 1). В зависимости от размера катализатора используется 3-7 г платины, 1,5-5 г палладия и 0,8-1,5 г родия. Поскольку здесь речь идет об очень редких и дорогих благородных металлах, доступных лишь в ограниченных количествах, для катализаторов обязательно требуется замкнутый цикл «производство-утилизация-переработка». Металлический блок Металлический блок наматывается из металлической фольги толщиной 0,05 мм с сотовой структурой и спрессовывается в трубу-оболочку. Новые разработки допускают даже толщину фольги 0,03 мм. Добавка иттрия и гафния улучшают каталитические, электрические свойства фольги и ее стойкость к старению. Листы спаиваются...

Окислительный катализатор

Катализаторы для бензиновых двигателей

Окислительный катализатор Рис. Окислительный катализатор Окислительные катализаторы используются с двухтактными бензиновыми двигателями, дизельными двигателями и в качестве пусковых катализаторов. В них нейтрализуются только СО и углеводороды. Оксиды азота не нейтрализуются. В сочетании с сажевым фильтром они служат для окисления NO до NOx реагирующим в фильтре с сажей. Будучи металлическими катализаторами, они устанавливаются в качестве предварительных или пусковых катализаторов в сочетании с катализатором тройного действия. В этом случае они находятся прямо на выпускном коллекторе или внутри него, при необходимости обогреваются и в фазе пуска и прогрева могут значительно снизить долю несгоревших углеводородов и оксида углерода. Возможно сочетание с системой впуска добавочного воздуха. Оксиды азота почти не образуются в фазе холодного пуска и поэтому их нейтрализация не требуется. Из-за монтажа рядом с двигателем предпочтительным является металлический катализатор. Трехкомпонентный катализатор (тройного действия) Рис. Катализатор тройного действия Регулируемый катализатор тройного действия соответствует современному состоянию техники и постоянно совершенствуется. Высочайшей степени нейтрализации катализатор достигает для всех вредных компонентов в пределах лямбда-диапазона при коэффициенте избытка воздуха Л = 1 ± 0,005. У V-образных двигателей, как правило, работает по одному основному катализатору на каждом ряду цилиндров. Раньше использовались также системы без лямбда-регулирования в качестве нерегулируемого катализатора. При этом степень нейтрализации составляла лишь 50-60%. При определенных условиях испытаний европейского цикла (NEDC) двигатель объемом 2 литра, с расходом топлива около 9 л на 100 км и соотношением «топливо-воздух» X = 1 выбрасывает на один километр следующие объемы вредных веществ: СН — около 1,20 г СО — около 6,70 г NOx — около 3,01 г СO2 — около 202 г Это количество вредных веществ катализатор должен превратить в неядовитые компоненты. Чтобы соблюсти требования нормы Евро-3 (СО = 1,5 г/км, СН = 0,2 г/км и NOx = 0,15 г/км), нужно было достичь степени нейтрализации не менее 85% по СО и более 90% по СН и NOx. С появлением норм Евро-4 и Евро-5 требуется еще более высокая степень нейтрализации. Пределы использования катализаторов тройного действия возникают при отклонении от стехиометрического состава смеси во время работы двигателя (двигатели, работающие на бедной смеси). В этом случае восстановление оксида азота стремится к нулю. Требования к новым концепциям катализаторов Для соблюдения новых норм токсичности ОГ были разработаны новые концепции с особенно эффективной нейтрализацией СО и СН при холодном пуске и прогреве. Как показали испытания, в течение первых трех минут после холодного пуска выбрасывается наибольшее количество СО и СН. Катализатор не успевает прогреться до температуры Light-off, и нейтрализация СО и СН почти не происходит. Новые концепции предлагают, к примеру, расположение катализатора ближе к двигателю или комбинации из предварительного и основного катализаторов. Все больше применяется подача добавочного воздуха. Впуск добавочного воздуха перед катализатором приводит к дожигу (дополнительному окислению СО и СН в СO2 и Н2О в катализаторе). Кроме того, катализатор нагревается в результате химических реакций, что становится особенно заметно в фазе прогрева двигателя с быстрым достижением рабочей температуры. Самый большой потенциал улучшения катализаторов кроется в значительном сокращении времени на достижение точки начала температурного скачка. Не позднее, чем через 15 секунд после холодного пуска катализатор должен быть готов к работе. При этом важную роль играют также пассивные (например, изоляция выпускного...

Применение кислородного датчика в дизельной системе

Лямбда-датчик для дизеля компании Bosch

Измерение значения лямбда теперь также применимо к дизельным двигателям. Эта новая технология позволяет сделать автомобили более чистыми и экономичными. В концепции управления с замкнутым контуром для дизельных двигателей Bosch теперь также применяет кислородный датчик. Рис. Применение кислородного датчика в дизельной системе (Источник: Bosch Press): 1 — Дизель; 2 — Инжектор; 3 — Дроссельная заслонка; 4 — Массовый расходомер воздуха с пленочным термоанемометром; 5 — Турбокомпрессор; 6 — ЭБУ двигателя; 7 — Широкополосный кислородный датчик (Х-зонд); 8 — Клапан системы рециркуляции ОГ. Новая система позволяет произвести точную настройку предварительного впрыска необогащенной смеси и параметров двигателя. Это уменьшает потребление топлива и загрязнения от дизельных двигателей. В отличие от предыдущей концепции контроль на основе лямбда-показателя теперь оптимизирует качество выхлопного газа через рециркуляцию выхлопного газа, давление подаваемого воздуха и начало впрыска. Эти параметры существенно влияют на выбросы дизельных двигателей. Широко-диапазонный лямбда-датчик измеряет содержание кислорода в выхлопном газе и дает важную информацию относительно процесса сгорания в двигателе, которая может использоваться для управления двигателем. По сравнению со стандартным управлением дизелем, новая система Bosch позволяет осуществить более строгое соблюдение низких значений выбросов. Благодаря новой системе двигатели лучше защищены от дефектов. Например, может быть обнаружено и скорректировано неправильное сгорание в автомобилях, работающих в режиме предельных оборотов двигателя. В двигателях, работающих с предельной нагрузкой, система обеспечивает более эффективное подавление дыма. Кислородный датчик будет также контролировать каталитические конвертеры, аккумулирующие NOx (будущие системы очистки продуктов выхлопа). Датчик выдает данные для управления каталитическим конвертером, который должен очищаться через регулярный интервал времени, чтобы восстановить его способности по предохранению от выбросов.

Схема системы улавливания топливных испарений

Система вентиляции топливного бака

Наибольшее количество топливных испарений идет от топливного бака. На показатели топливных потерь из бензобаков существенное влияние оказывают конструктивные факторы, которые определяют температуру топлива в баке, свободную поверхность испарения, ограничение переме­шивания топлива при движении автомобиля. Поэтому для снижения топ­ливных потерь из бензобаков автомобилей по возможности устраняется нагрев баков от выпускной системы автомобиля, а также от солнечных лучей. Хорошие результаты дают термоизоляция баков, уменьшение отно­шения площади поверхности испарения топлива к объему бака, устройство в баке перегородок, уменьшающих возможность перемешивания топлива. Для улавливания топливных испаре­ний из топливного бака разработаны специальные системы, которые не ухудшают мощностных, экономических и токсических характеристик автомобилей. Рис. Схема системы улавливания топливных испарений: 1 – блок управления двигателем; 2 – топливный бак; 3 – адсорбер с активированным углем; 4 – электромагнитный клапан продувки адсорбера; 5 – форсунка впрыска; 6 – впускной трубопровод; 7 – датчик частоты вращения коленчатого вала; 8 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 9 – блок управления дроссельной заслонкой; 10 – датчики кислорода; 11 – измеритель массового расхода воздуха с датчиком температуры воздуха на впуске в двигатель Основными входными сигналами, поступающими на блок управления двигателем для регулирования системы вентиляции топливного бака, являются: частота вращения коленчатого вала сигнал измерителя массового расхода воздуха, соответствующий нагрузке двигателя температура двигателя сигналы датчиков кислорода сигналы с блоков управления дроссельными заслонками Пары топлива удерживаются в адсорбере 3. Он представляет собой емкость с подсоединенными патруб­ками, заполняемую поверхностно-активным веществом – адсорбентом. Адсорбенты, помимо высокой поглощающей способности, должны отли­чаться стабильными характеристиками при изменении температуры окру­жающей среды, эффективной десорбцией (освобождением накопленных паров) и стабильностью при многократном повторении циклов адсорбция-десорбция, невосприимчивостью к атмосферной влаге, высокой механи­ческой прочностью во избежание их истирания в процессе эксплуатации автомобиля. Наиболее приемлемым адсорбентом является активирован­ный уголь АГ-3, получаемый из каменного угля и полукокса. После обработки входных сигналов блок управления двигателем выдает команду на открытие электромагнитного клапана 4. В результате накопленные в адсорбере пары топлива отводятся во впускной трубопровод 6 двигателя и затем сжигаются в его цилиндрах. При этом кратковременно изменяется соотношение топлива и воздуха в смеси. Это изменение смеси регистрируется датчиками кислорода 10, по сигналам которых система регулирования производит необходимую ее коррекцию.

Способ измерения концентрации окиси углерода (СО)

Измерение состава выхлопных газов

Теперь стало стандартом измерять четыре основные составляющие выхлопного газа, а именно: угарный газ (СО) углекислый газ (СO2) углеводороды (СН) кислород (O2) Модуль проверки выхлопных газов обычно оснащен своим собственным дисплеем, но может быть связан и с главным дисплеем анализатора. Как правило, в дополнение к информации о четырех газах на дисплей выводятся значения лямбда-фактора и качества смеси (отношение воздуха к топливу). Греческая буква «лямбда» обозначает идеальное отношение массовых частей воздуха и топлива (air to fuel ratio — AFR)- 14,7:1. Другими словами, только правильное количество воздуха обеспечивает сгорание всего топлива. В таблице ниже приведены типичный состав газов, лямбда и качества смеси для системы управления с обратной связью по лямбда- показателю, взятому до каталитического конвертера (или вообще без него) и после каталитического конвертера. Эти показатели приведены для современного двигателя, находящегося в превосходном состоянии (и используются в качестве примеров для контроля текущих данных). Таблица. Показатели состава выхлопных газов, лямбда-фактора и качества смеси Показание CO, % CH, ppm CO2, % O2, % Лямбда Отношение смеси воздух-топливо Перед катализатором 0,6 120 14,7 0,7 1 14,7 После катализатора 0,2 12 15,3 0,1 1 14,7 Состав выхлопных газов — весьма критичное измерение и, следовательно, требует достаточной степени точности. С этой точки зрения для измерений СО, СО2 и СН наиболее пригодна инфракрасная измерительная техника. Каждый газ обладает только ему присущим поглощением инфракрасного излучения. Содержание кислорода измеряется электрохимическими средствами, аналогичными лямбда-датчику в автомобиле. Рис. Способ измерения концентрации окиси углерода (СО) СО измеряется так, как показано рисунке. Излучающий элемент, нагреваемый приблизительно до 700 «С при помощи отражателя создает пучок инфракрасного света. Этот пучок направляется сквозь диск-обтюратор и через ячейку с измеряемым газом к приемной камере. Эта герметично закрытая камера содержит газ определенной концентрации (в данном случае СО). Газ поглощает некоторую часть теплового излучения, и его температура увеличивается. Это вызывает увеличение объема таза и, следовательно, поток газа от камеры 1 к камере 2. Поток обнаруживается датчиком потока, который дает на выходе сигнал переменного тока. Выходной сигнал преобразуется и калибруется как нулевой уровень СО. Сигнал переменного токи возникает из-за прерывания инфракрасного излучения диском-обтюратором. Если бы диск не использовался, то поток от камеры 1 к камере 2 имел бы место только в тот момент, когда двигатель включался или выключался. Если угарный газ, концентрация которого должна быть измерена, теперь прокачивать через ячейку определенных размеров, часть инфракрасного излучения будет поглощена прежде, чем оно достигает камеры приемника. Это изменит нагрев окиси углерода контрольного образца и, следовательно, измеряемый поток между камерами 1 и 2 изменится. Изменится сигнал датчика потока, и результат после преобразования будет отображен на дисплее. Аналогичный технический прием используется для измерения CO2 и СН. Пока без лабораторного оборудования и весьма тонких методов анализа невозможно измерить окислы азота (NOx), но разработка новых методов идет непрерывно. Хорошие четырехгазовые анализаторы, как правило, обладают следующими особенностями: автономная установка, независимая от другого оборудования графические изображения одновременно до четырех значений, порядок индикации выбирается пользователем. Выбор для графического представления из набора СН, СО, СO2, O2 и скорости вращения (об/мин) пользователь может создать персонифицированные фирменные бланки для распечаток экрана используется недисперсионный инфракрасный метод (non-disopersiv infrared — NDIR) обнаружения (каждый газ характеризуется индивидуальной степенью поглощения...

Схема системы подачи дополнительного воздуха

Система подачи дополнительного воздуха

Токсичные продукты неполного сгорания топлива в цилиндрах двигателя на отдельных режимах его работы можно нейтрализовать в выпускном трубопроводе путем дожигания с помощью подачи дополнительного воздуха. Система подачи дополнительного воздуха обеспечивает снижение выброса токсичных веществ с ОГ после пуска холодного двигателя. При прогреве двигателя ОГ содержат повышенное количество несгоревших углеводородов. Непрогретый нейтрализатор не способен их переработать, так как его температура еще не достигла рабочих значений. Подача дополнительного воздуха в выпускной трубопровод как можно ближе к тарелке выпускного клапана обогащает ОГ кислородом. В результате этого создаются условия для дожигания их несгоревших компонентов. Выделяющееся при этом тепло ускоряет разогрев нейтрализатора до рабочих температур. Подача дополнительного воздуха является дополнительной мерой снижения токсичности ОГ и входит в комплекс общих мер снижения токсичности ОГ. Схема системы подачи дополнительного воздуха показана на рисунке. Рис. Схема системы подачи дополнительного воздуха: 1 – блок управления двигателем; 2 – измеритель массового расхода воздуха с датчиком температуры воздуха на впуске в двигатель; 3 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 4 – датчик частоты вращения коленчатого вала; 5 – реле насоса дополнительного воздуха; 6 – клапан управления подачей дополнительного воздуха; 7 – насос дополнительного воздуха; 8 – комбинированный клапан; 9 – подача дополнительного воздуха; 10 – нейтрализатор; 11 – датчик кислорода, устанавливаемый перед нейтрализатором; 12 – выпуск отработавших газов; 13 – датчик кислорода, устанавливаемый после нейтрализатора Основными входными сигналами, поступающими на блок управления двигателем являются: сигналы датчиков кислорода установленных после нейтрализатора 13 (сигналы датчиков 11, установленных перед нейтрализаторами, используются только для диагностики системы) температура охлаждающей жидкости сигналы измерителя массового расхода воздуха, соответствующие нагрузке двигателя В соответствии с поступающими на вход сигналами, блок управления двигателем вырабатывают команды на включение насоса дополнительного воздуха 7 через реле 5 и открытие электромагнитного клапана управления подачей дополнительного воздуха 6. Распространяющееся через клапан управления разрежение приводит в действие комбинированный клапан 8, через который производится кратковременная подача подаваемого насосом воздуха в поток отработавших газов за выпускными клапанами. Помимо этого комбинированные клапаны предотвращают проникновение горячих ОГ в насосы дополнительного воздуха. Система подачи дополнительного воздуха отключается при увеличении нагрузки двигателя.

Мировая практика регулирования токсичности отработавших газов

Мировая практика регулирования токсичности отработавших газов

Уже с появлением первых автомобилей выяснилось, что выхлопные газы распространяют неприятный запах. Чтобы уменьшить этот запах, в выхлоп стали добавлять ароматизаторы. В 1942 году в Калифорнии (где в то время на 7 млн жителей приходилось 3 млн автомобилей) впервые был зарегистрирован смог. С тех пор было многое сделано в плане снижения вредных выбросов. Сегодня в выхлопе 20 автомобилей содержится меньше вредных веществ, чем в выхлопе одного автомобиля сорок лет назад. У автомобиля, выполняющего нормы Евро-5, выхлоп в некоторых аспектах оказывается даже чище всасываемого воздуха. Между тем, ряд автомобильных двигателей уже отвечает нормам Евро-6. В ряде стран созданы регулирующие органы, устанавливающие предельные параметры отработавших газов: в Европе это European Commission (ЕС, Еврокомиссия), в Японии — Ministry of Transport (MIT, Министерство транспорта), в США — Environmental Protection Agency (ЕРА, Министерство охраны окружающей среды), а в штате Калифорния — свой «собственный» орган California Air Resources Board (CARB, Отдел надзора за воздушными ресурсами). Другие страны при регламентировании параметров отработавших газов чаще всего берут за основу либо полностью перенимают законодательство этих стран. При этом в некоторых странах используются откровенно старые данные из тех лет, когда были приняты первые законодательные акты 8 области регламентирования токсичности ОГ. Европейское законодательство В 1972 году в странах Западной Европы впервые были утверждены предельные значения для автомобильных выхлопных газов на базе городского цикла (ЕСЕ 15/01). Эти предельные значения постепенно ужесточались до вступления в силу в 1982 году директивы ЕСЕ 1504. В 1992 году была введена ступень Евро-1 и стала обязательной установка на автомобили каталитических нейтрализаторов (катализаторов). Одновременно был принят и новый испытательный цикл движения для легковых автомобилей, так называемый европейский (Neue Europaische Fahrzyklus, NEFZ). Он состоит из городского и загородного циклов. Норма Евро-3 ужесточила предельные количества вредных веществ и требования к испытаниям. Действовавшая ранее 40-секундная фаза холостого хода была упразднена. Теперь проба отработавших газов берется и анализируется сразу после пуска двигателя. Норма Евро-4 начала действовать с 1 января 2005 года для новых типов автомобилей и с 1 января 2006 года для всех новых автомобилей. На сегодняшний день в Евросоюзе действует сертификат Евро-5. Этот стандарт для грузовых автомобилей начал действовать с 1.10.2008 года, а для легковых автомобилей — с 1.09.2009 года. Сертификат Евро-5 был принят в большинстве странах Европейского союза. Евросоюз планирует принять новый сертификат Евро-6 и еще больше повысить экологические требования. После того, как новый стандарт вступит в силу, все государства-члены ЕС должны отказаться от продаж, регистрации и утверждения автомобилей, которые не соответствуют нормам принятого стандарта. Отсрочку сроком на одим год предусмотрено для транспортных средств, которые удовлетворяют социальные потребности, а также для транспортных средств категории N1 и N2. Законодательство в области токсичности ОГ в США и Калифорнии В 1966 году в Калифорнии начали действовать первые в мире ограничения концентрации вредных веществ в выхлопных газах. Содержание углеводородов в те времена превышало сегодняшний уровень в 20 раз, оксида углерода (СО) — в 30 раз, а окислов азота — в 5 раз. С 1975 года они ужесточились до уровня, при котором стала обязательной установка катализаторов двойного действия. Необходимым условием для этого было использование неэтилированного топлива. С 1978 года для соблюдения постепенно ужесточавшихся требований законодательства...

Принцип работы двухкамерного датчика

Датчик оксидов азота или двухкамерный датчик

Рис. Принцип работы двухкамерного датчика: Барьер 1 Барьер 2 Твердый электролит Подача напряжения для удаления О2 Токпропорциональный NОx Двухкамерные датчики служат для того, чтобы распознавать концентрацию оксидов азота в выхлопе и передавать измеренные значения для восстановления катализаторов оксидов азота. Различные изготовители используют накопительные катализаторы, удерживающие NOx до тех пор, пока не заполнится накопитель. Когда накопитель «заполняется», система управления двигателем обогащает топливовоздушную смесь. Более высокая доля топлива приводит к увеличению концентрации СН, СО и Н2 в выхлопе. Газы обеспечивают преобразование оксидов азота в накопительном катализаторе в безопасные N2, Н2O и СO2. Для этого требуется два датчика: традиционный лямбда-зонд для определения концентрации кислорода в выхлопе перед накопительным катализатором двухкамерный датчик после катализатора для измерения значения Л и концентрации оксидов азота Сильное повышение концентрации оксида азота в выхлопе указывает на то, что накопительный катализатор заполнен и больше не может принимать оксиды азота. Содержащаяся в ОГ смесь из NOx и O2 после катализатора проходит систему из двух камер. Поскольку кислород отрицательно сказывается на измерении концентрации NOx, нужно сначала удалить кислород. Это достигается путем подачи напряжения на первую камеру. Напряжение разлагает молекулы кислорода на ионы, которые вытесняют полупроводниковый электролит из оксида циркония. Во второй камере остающийся оксид азота электрически расщепляется на N2 и O2. При этом протекает ток, пропорциональный концентрации NOx в выхлопе. Точность измерения составляет порядка 100 промилле. Поскольку накапливающая способность катализатора известна, то можно определить момент, при котором необходимо начать восстановление катализатора.

Нормирование выбросов токсичных веществ и шума

Нормирование выбросов токсичных веществ и шума

По мере роста автомобильного парка стандарты на ограничение вы­бросов токсичных веществ введены во многих странах мира, в зависимо­сти от концентрации автомобилей, климатических, рельефных условий и других факторов. Под токсичностью выбросов двигателя автомобиля (токсичностью дви­гателя) — это способность выбросов двигателя оказывать токсическое воздействие на людей, животный мир, что определяется сле­дующими факторами: составом токсичных веществ абсолютным количе­ством выбросов токсичных веществ в единицу времени (или на единицу пути, пройденного автомобилем) физико-химическими законам превращения химических соединений в атмосфере геофизическими законами распространения токсичных веществ чувствительностью живых орга­низмов В настоящее время стандартами всех стран мира регламентируются выбросы токсичных компонентов на определенных, наиболее характерных режимах работы двигателя (стандарты первого рода) или на совокупности режимов, имитирующих действительные условия эксплуа­тации (стандарты второго рода). В нашей стране нормирование токсичных веществ по совокупности режимов применяется для новых двигателей и автомобилей, т.е. в целях контроля продукции моторных и автомобильных заводов. В условиях эксплуатации проверка автомобилей по совокупности режимов в настоящее время представляет определенные трудности. По­этому нормирование выбросов токсичных веществ для автомобилей, находящихся в эксплуатации, производится только на режимах холостого хода и разгона двигателя. Для автомобилей с бензиновыми двигателями вновь изготавливаемыми и находящимися в экс­плуатации в большинстве стран, бывшего СССР, в том числе и в Беларуси, действует ГОСТ 17.2.2.03-87 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерения содержания оксида углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. Требова­ния безопасност с изменением №1». Стандарт не распространяется на автомобили, полная масса которых менее 400 кг или максимальная скорость не превышает 50 км/ч, на автомобили с двухтактными и роторными двигателями. При испытании на токсичность отработавших газов двигатель прогре­вается до рабочей температуры, воздушная заслонка полностью открыва­ется. В выхлопную трубу на глубину не менее 300 мм от среза вставляет­ся зонд. Устанавливается повышенная частота вращения коленчатого ва­ла двигателя. После работы на этом режиме не менее 15 с частота вра­щения снижается до минимальной пмин и не ранее чем через 20 с измеря­ется содержание оксида углерода и углеводородов. Затем устанавлива­ется повышенная частота вращения коленчатого вала двигателя nпов и не ранее чем через 30 с повторно изме­ряется содержание оксида углерода и углеводородов. Проверку на повышенной частоте вращения коленчатого вала проводят только на автомобилях, имеющих карбюратор. Минимальная и максимальная частоты устанавливаются в технических условиях и инструкции по эксплуатации автомобилей. Если эти значения не установлены, при проверке принимают nмин = (800±50) мин-1, nпов = (3000±100) мин-1. При наличии в ав­томобиле раздельных выпускных систем измерение производят отдельно для каждой из них. Показателем токсичности служат максимальные кон­центрации оксида углерода. Содержание оксида углерода в % и углеводо­родов в млн-1 в отработавших газах по ГОСТ 17.2.2.03-87 для России с изменением №1 не должно превышать норм, приведенных в табл. Содержание углеводородов указываются в млн-1 по принятому международному обозначению, при этом 1% углеводородов соответствует 10000 млн-1. Такое обозначение принято в связи с тем, что при считывании показаний приборов трудно оценивать малые показания процентов содержания углеводородов, например 0,1 или 0,01, в тоже время 100 или 1000 млн-1 более наглядно показывают динамику имения показаний приборов. Табл. Предельно допустимое содержание токсичных компонентов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями (Россия) Частота вращения кол. вала мин-1 Предельно допустимое содержание оксида углерода, объемная доля,...

Система рециркуляции выхлопного газа

Контроль вредных выбросов автомобиля

Конструкция двигателя Многие детали конструкции двигателя оказывают заметное влияние на образование выбросов. Ясно, что финальный проект двигателя будущего станет компромиссом между противоречивыми интересами. Конструкция камеры сгорания Главный источник эмиссии углеводорода — несгоревшее топливо, которое находится в контакте со стенками камеры сгорания. По этой причине область стенок должна обладать как можно меньшей поверхностью и самой простой фирмой. Теоретический идеал — сфера, но сфера не совсем практична. Важно хорошее перемешивание порции и смеси в цилиндре, поскольку это способствует более качественному и быстрому горению. Возможно, еще важнее гарантированно хорошее перемешивание в области свечи зажигания. Это улучшает воспламенение. Лучше всего помещать свечу зажигания в центр камеры сгорания, поскольку это уменьшает вероятность взрывного сгорании за счет сокращения расстояния которое должен пройти фронт пламени. Степень сжатия Чем выше степень сжатия, тем, вообще говоря, выше тепловая эффективность двигателя, и, следовательно, лучше качество его работы и меньше расход топлива. Существует два главных препятствия на пути к более высоким степеням сжатия — увеличение эмиссии и тенденция к детонации. Проблема с эмиссией возникает из-за высокой температуры, которая, в свою очередь, вызывает большее образование окислов NOx. Увеличение температуры делает топливо-воздушную смесь более склонной к самовозгоранию и, следовательно, создает высокий риск взрывного сгорания. Страны, в которых в течение некоторого времени действовали строгие инструкции регулирования эмиссии, например США и Япония, стремились развивать двигатели с более низкими степенями сжатия. Однако благодаря изменениям в конструкции камеры сгорания и более широкому распространению цилиндров с четырьмя клапанами вкупе с развитием систем электронного управления и другими методами снижения уровня эмиссии, степень сжатия за прошедшие годы возросла. Выбор момента и длительности открытия клапана Влияние момента срабатывания клапана на состав выхлопа может быть весьма значительным. Один из главных факторов — продолжительность перекрытия клапанов. Это время, в течение которого впускной клапан уже открыт, но выпускной клапан еще не закрыт. Продолжительность этой фазы определяет количество выхлопного газа, остающегося в цилиндре, когда выпускной клапан наконец закрывается. Этот газ оказывает существенное влияние на температуру реакции (больше выхлопного газа — ниже температура), и, следовательно, на эмиссию NOx. Главное противоречие здесь в том, что на более высоких скоростях увеличение фазы впуска увеличивает развиваемую мощность. С другой стороны, это вызывает большее перекрытие клапанов и на холостом ходу, что может значительно увеличивать эмиссию углеводородов. Это противоречие привело к введению электронных систем управления моментом и продолжительностью открытия клапанов. Конструкции коллекторов Газовый поток в зоне входных и выпускных коллекторов — очень сложный для изучения объект. Главная причина этой сложности — изменения характеристик потока, обусловленные не только изменениями в скорости двигателя, но также действием цилиндров как насосов. Это насосное действие цилиндров вызывает колебания давления в коллекторах. Если коллекторы и системы впуска и выпуска разработаны так, чтобы в соответствующий момент времени отразить назад волну давления, можно улучшить объемную эффективность работ коллекторов. Многие транспортные средства теперь оснащены трактами впуска регулируемой длины. Длинные тракты используются при низких скоростях вращения, а укороченные — при высоких. Стратификация дозы топлива Если порция смеси может быть введена в цилиндр таким способом, чтобы более богатая смесь находилась вблизи свечи зажигания, то в среднем по цилиндру смесь может быть намного более бедной. Эта идея может обеспечить большие преимущества в потреблении топлива, но...

✪Устройство автомобиля Авто⚡сайт №❶