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 эмиссия окислов NOx все еще может оставаться проблемой. Многие двигатели обедненного горения используют тот или иной способ стратификации топлива, чтобы уменьшить возможность осечки зажигания и неровной работы двигателя.

Время прогрева

Основные выбросы, создаваемые средним автомобилем, возникают в процессе прогрева двигателя. Применение подходящих материалов и тщательная проработка системы охлаждения могут уменьшить эту проблему. Некоторые системы управления даже заставляют двигатель во время прогрева работать при слегка задержанном зажигании, чтобы он быстрее прогрелся.

Рециркуляция выхлопного газа

Рис. Система рециркуляции выхлопного газа

Эта методика используется, прежде всего, для того, чтобы уменьшить пиковые температуры сгорания и следовательно, образование окислов азота (NOx). Рециркуляция выхлопного газа (exnfcust gas recirculation — EGR) может быть или внутренняя, за счет перекрытия клапанов, или же внешняя, через обычные трубы и клапан. Определенная порция выхлопного газа просто возвращается к впускному коллектору двигателя.

Рециркуляцией управляют с помощью электроники по установкам в постоянной памяти блока управления двигателем. Это гарантирует, что не будут затронуты ходовые качества автомобиля, а также, что доля рециркуляции будет контролироваться. Если эта доля слишком велика, увеличивается эмиссия углеводородов. На рисунке показано влияние доли рециркуляции на выхлоп и расход топлива.

Рис. Влияние доли рециркуляции на состав выхлопа и расход топлива

Один из недостатков систем EGR заключается в том, что клапаны через некоторый период времени могут забиваться продуктами выхлопа и, таким образом, изменять фактический процент рециркуляции. Однако теперь имеются клапаны, которые уменьшают эту проблему.

Система зажигания

Система зажигания может воздействовать на выхлопную эмиссию двумя способами:

• во-первых, за счет качества произведенной искры
• во-вторых, выбором момента образования искры

Качество искры будет определять ее способность зажечь смесь. Продолжительность искры, в частности, существенна при воспламенении более бедных смесей. Более сильная искра уменьшает вероятность осечек, которые могут привести к увеличению выброса углеводородов.

Рис. Влияние времени зажигания на эмиссию выбросов и потребление топлива

Понятно, что выбор момента зажигания является критическим фактором, и как всегда этот выбор является компромиссом между мощностью, ходовыми качествами автомобиля, потреблением топлива и эмиссией. На рисунке приведен график, показывающий влияние выбора момента зажигания на эмиссию и потребление топлива. Образование угарного газа зависит практически практически только от состава топливной смеси и лишь незначительно от выбора момента зажигания. Электронные и программные системы зажигания внесли существенный вклад на пути к достижению уровней эмиссии сегодняшних двигателей.

Термическое дожигание топлива

Чтобы уменьшить долю углеводородов в выхлопе, задолго до широкого распространения каталитических конвертеров использовалось термическое дожигание топлива. Углеводороды действительно продолжают гореть в выпускном коллекторе, а недавнее исследование показало, что выбор материала используемого коллектора, например чугуна или нержавеющей стали, может иметь значимое воздействие на сокращение выбросов НС. При температурах приблизительно 600 «С, НС и СО сгорают или окисляются в Н2О и СО2. Если вводить в выпускной коллектор после клапанов воздух, то можно стимулировать процесс дожигания топлива.

Каталитические конвертеры

Строгие требования по регулированию выбросов в большинстве частей света сделали использование каталитического конвертера почти обязательным. Катализатор с тремя реакциями (three-way catalyst — TWC) с огромным эффектом используется большинством автопроизводителей. Это очень простое устройство, и выглядит оно подобно стандартной коробке выхлопного фильтра. Отметим, однако, что для того, чтобы конвертер работал правильно, рабочая смесь в двигателе должна быть очень близкой к стехиометрическому отношению. Необходимо гарантировать доступность для катализатора правильных «ингредиентов», чтобы он выполнил свою функцию.

Рис. Каталитический конвертер

На рисунке показана внутренняя часть каталитического конвертера. Существует много видов углеводородов, но следующий пример иллюстрирует главную реакцию. Отметим, что реакции предполагается осуществлять с участием некоторого количества СО, производимого двигателем, чтобы уменьшить NOx. В этом одна из причин того, что изготовители были вынуждены заставлять двигатели работать на стехиометрической смеси. Это же обстоятельство сдерживает развитие методов обедненного горения. Таким образом, даже мелкие детали инструкций по регулированию эмиссии могут в действительности иметь очень серьезное влияние на выбор используемых методов сокращения эмиссии. Главные реакции следующие:

• 2СО + О2 -> 2СО2
• 2С2H6 / 2СО -> 4С02 / 6H2O
• 2NO + 2СО -> N2 + 2СО2

Керамическая монолитная основа, используемая как материал катализатора, является алюмомагниевым силикатом и благодаря многим тысячам мельчайших каналов обеспечивает большую площадь поверхности. Эта поверхность покрыта тончайшей пленкой окиси алюминия, которая дополнительно увеличивает эффективную поверхность приблизительно в семь тысяч раз. Для катализаторов используются благородные металлы. Платина способствует окислению HС и СО, а родий помогает сокращению NOx. Представленный конвертер — самый современный вид с металлическим основанием и встроенным коллектором. Только один такой каталитический конвертер, поддерживающий три упомянутые реакции, содержит приблизительно 3-4 г драгоценных металлов.

Идеальный диапазон рабочих температур конвертера — от 400 до 800 °С. Часто встречающаяся серьезная проблема — задержка достижения катализатором этой температуры с момента начала работы двигателя. Она известна как «время выбега катализатора». Используются различные методы, уменьшающие это время, поскольку пока катализатор не нагреется, идет выброс вредных продуктов сгорания. Возможные решения — электрический подогрев или горелка, которая вводит в конвертер легкое топливо. Другая возможность — размещение конвертера между выпускным коллектором и трубопроводом глушителя. Это значительно уменьшает «время выбега», но газовый поток, вибрация и чрезмерные перепады температуры могут уменьшить срок службы катализатора.

Каталитическим конвертерам угрожают два вида повреждений. Первый — использование этилированного топлива, которое приводит к отложению составляющих свинца на активных поверхностях и, таким образом, уменьшает эффективную поверхность катализатора. Второй — вследствие осечек зажигания несгоревшее в цилиндрах топливо будет догорать в катализаторе и вызовет его перегрев. Компания BMW, например, использует на некоторых транспортных средствах систему, где датчик контролирует высоковольтный выход системы зажигания, и если не образуется искры, система в дальнейшем не подает топливо в «сбойный» цилиндр.

Еще один возможный технический прием для снижения эмиссии в период разогрева катализатора заключается в использовании электрически нагреваемого предварительного конвертера малого размера, как показано на рисунке. Первые испытания этой системы показывают, что эмиссия углеводородов в течение фазы разогрева может быть значительно уменьшена. Нерешенная пока проблема состоит в том, что для нагрева предварительного конвертера в течение первых 30 с необходимо иметь примерно 30 кВт тепловой мощности. Это потребует ток порядка 250 А. Одним из решений проблемы может быть установка дополнительной батареи.

Рис. Электрически подогреваемый предварительный конвертер

Для каталитического конвертера, способного с оптимальной скоростью окислять СО и НС при одновременном сокращении окислов NOx, существенно состояние смеси в пределах узкой полосы в 0,5% от лямбда-значения. Используемые в настоящее время кислородные датчики могут обеспечить точность в пределах приблизительно 3% от указанного значения лямбда-показателя. Когда каталитический конвертер находится в хорошем состоянии, это не представляет проблемы благодаря накопительной способности конвертера в отношении СО и О2. Поврежденные конвертеры, однако, не могут хранить достаточное количество этих газов и, следовательно, становятся менее эффективными. Повреждение конвертера может произойти из-за перегрева или из-за «отравления» свинцом или даже кремнием. Если состав топливной смеси может поддерживаться в пределах 0,5% от стехиометрического лямбда-показателя, конвертер останется эффективным, даже если он до некоторой степени поврежден. Сейчас становятся доступными датчики, которые могут обеспечить требуемую точность. Чтобы гарантировать идеальную работу конвертера, можно использовать второй датчик, установленный после конвертера.

Лямбда-контроль в замкнутом контуре управления

Действующие инструкции регулирования выбросов сделали почти обязательным замкнутый контур управления составом воздушно-топливной смеси в сочетании с каталитическим конвертером. В то же время несмотря на оживленные дискуссии, инженеры не достигли согласия о том, что лямбда-показатель должен обязательно быть ранен единице для всех эксплуатационных режимов.

Лямбда-контроль — система с замкнутым контуром управлении, действующая так, чтобы сигнал от кислородного датчика в выхлопе мог непосредственно влиять на количество вводимого топлива. На рисунке показана блок-схема системы управления по лямбда-показателю.

Рис. Дозирование топлива в замкнутом контуре управления

Результаты управления по лямбда-показателю и действие катализатора приведены на рисунке. Принцип действия системы следующий: лямбда-датчик генерирует напряжение, пропорциональное содержанию кислорода в выхлопе, содержание кислорода, в свою очередь, пропорционально отношению «воздух-топливо». При идеальном регулировании это напряжение составляет приблизительно 450 мВ. Если напряжение, полученное ECU, ниже этого значения (бедная смесь), количество введенного топлива понемногу увеличивается. Если напряжение сигнала выше порога (богатая смесь), количество топлива уменьшается. Это изменение в воздушно-топливном отношении не должно быть слишком резким, поскольку это заставит двигатель «взбрыкивать». Чтобы предотвратить это явление, блок управления двигателем содержит интегратор, который изменяет состав смеси в течение определенного времени.

Рис. Результаты управления по лямбда-показателю и действие конвертера TWC

Существует также задержка между формированием смеси в коллекторе и измерением содержания кислорода в выхлопном газе. Это обусловлено рабочим циклом двигателя и скоростью смеси на впуске, временем, необходимым выхлопным газам, чтобы достигнуть датчика, и временем реакции датчика. Эту задержку иногда называют «мертвым временем», и она может достигать одной секунды на скорости холостого хода и несколько сотен миллисекунд на более высоких скоростях двигателя.

Из-за «мертвого времени» смесь невозможно привести к точному значению лямбда = 1. Если в системе установлен интегратор, который может учитывать скорость двигателя, тогда удается удерживать значение лямбда смеси в диапазоне 0,97—1,03, то есть в области, в которой TWC наиболее эффективен.