Виды токсичных веществ и причины их образования в ДВС
Бурный рост числа автомобилей в современном мире привел к тому, что в местах их массового скопления (например, в городах) они стали одной из основных причин загрязнения окружающей среды. В связи с этим в ряде стран мира были разработаны специальные законы, ограничивающие содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей. Это явилось побудительной причиной разработки специальных устройств, уменьшающих токсичность отработавших газов ДВС.
Основными причинами образования токсичных веществ в ДВС являются несовершенство процессов сгорания топлива в двигателе и загрязнение топлива различными примесями и добавками. В идеальном случае при полном сгорании углеводородного топлива в двигателе в результате этого процесса должны образовываться углекислый газ и пары воды. Но получить идеальный процесс сгорания топлива на различных режимах работы двигателя или иметь идеально чистое топливо в реальной практике эксплуатации автомобилей практически невозможно.
К основным токсичным веществам, содержащимся в отработавших газах ДВС, относятся оксид углерода (СО), несгоревшие частицы топлива (СН), сажа (С), оксиды азота (NO).
Условия, при которых происходит образование токсичных веществ в ДВС, различны. Так, образование первой группы (СО, СН и С) связано с химическими реакциями окисления топлива, протекающими как в предпламенный период, так и в процессе сгорания-расширения. Вторая группа веществ (NO) носит термический характер и не связана непосредственно с реакциями окисления топлива. Поэтому средства борьбы с токсичностью отработавших газов для этих двух групп веществ различны.
Количество токсичных веществ в отработавших газах дизелей и двигателей с искровым зажиганием из-за разного характера процессов смесеобразования и сгорания топлива имеет существенные различия. В отработавших газах дизелей в больших количествах содержатся сажа и оксиды азота, а двигателей с искровым зажиганием — оксид углерода и углеводороды. Поэтому средства борьбы с токсичностью у этих двигателей различны.
В России нормы содержания токсичных веществ в отработавших газах дизелей и методы их измерения установлены ГОСТ Р 52160—2003. Нормы содержания токсичных веществ в отработавших газах двигателей с искровым зажиганием и методы их измерения установлены ГОСТ Р 52033—2003.
Средства борьбы с токсичностью отработавших газов ДВС
Как было сказано, основными причинами образования токсичных веществ в ДВС являются несовершенство процессов сгорания топлива в двигателе и загрязнение топлива. Поэтому основными направлениями снижения содержания вредных веществ в ДВС является совершенствование процессов сгорания топлива, применение средств очистки отработавших газов и повышение качества топлива.
На двигателях с искровым зажиганием основным направлением снижения токсичности стало применение систем впрыска топлива вместо карбюраторов. Описание инжекторных двигателей приведено в гл. 3, и здесь следует только отметить, что при впрыске топлива, особенно с применением электроники, значительно улучшается процесс смесеобразования и в целом сгорание топлива на различных режимах работы двигателей. Кроме этого на инжекторных двигателях удалось полностью герметизировать систему питания на автомобиле и избежать проникновения паров топлива из системы питания в окружающую среду.
Для наиболее рационального дозирования топлива на этих двигателях применяется обратная связь: от отработавших газов — к составу смеси. При этом в электронный блок управления подаются сигналы от так называемого лямбда-зонда, который представляет собой датчик кислорода, размещенный в выпускном трубопроводе двигателя и фиксирующий свободный кислород в отработавших газах.
Сигнал лямбда-зонда регистрируется электронным блоком управления и преобразуется в команду для регулятора управляющего давления, который изменяет давление управления и тем самым обогащает или обедняет смесь. Датчики кислорода работают обычно в диапазоне температур 350...900°C. Принципы действия применяемых датчиков различные.
Циркониевый датчик (используется керамический элемент на основе диоксида циркония (ZrO2), покрытый платиной) — гальванический источник тока, меняющий напряжение в зависимости от температуры и наличия кислорода в окружающей среде. Циркониевые датчики формируют (создают) электрический сигнал и являются наиболее распространенными.
Титановые датчики (используется диоксид титана (ТЮ2)) применяются реже и представляют собой резисторы, сопротивление которых меняется в зависимости от температуры и наличия кислорода в окружающей среде. Можно сказать, что эти датчики в принципе работают так же, как и датчики температуры двигателя.
Лямбда-зонды бывают обогреваемые и необогреваемые. Обогреваемые зонды, как правило, находятся дальше от выпускного коллектора в выпускном трубопроводе. Без обогрева они достигали бы своей рабочей температуры при пуске двигателя с задержкой. Главная же цель электрического обогрева зондов — включение их в работу, когда температура контактирующих с ними отработавших газов ниже 350°C.
При помощи датчиков концентрации кислорода в отработавших газах удается оптимизировать состав рабочей смеси только по токсичности выхлопа при определенных режимах работы двигателя. Применяются эти датчики, как правило, совместно с нейтрализаторами отработавших газов.
Нейтрализаторы — специальные устройства, встраиваемые в выпускную трубу автомобиля перед глушителем, в котором находятся специально обработанные керамические элементы, покрытые специальным составом. Нейтрализаторы поглощают значительную часть CO и СН, находящихся в отработавших газах.
Для уменьшения выделения NOX на двигателях с искровым зажиганием применяют систему рециркуляции отработавших газов, в которой дозированная в зависимости от режима движения часть отработавших газов поступает во впускной трубопровод и смешивается с топливной смесью. При этом уменьшается температура сгорания топлива из-за уменьшения цикловой подачи топлива, а также из-за большей удельной теплоемкости продуктов сгорания по сравнению с воздухом.
Другими часто применяемыми устройствами снижения токсичности двигателей с искровым зажиганием являются дожигатели, которые размещаются за выпускным коллектором двигателя и в которых путем подачи воздуха создаются условия для дожигания несгоревших частиц топлива и окисления оксида углерода до углекислого газа.
Токсичность отработавших газов карбюраторного двигателя определяется на специальных стендах диагностики или с помощью газоанализатора мод. ГАИ-1. Принцип действия прибора мод. ГАИ-1 основан на оптико-абсорбционном методе, т.е. на измерении поглощения энергии излучения инфракрасного диапазона анализируемым компонентом газа (СО или СН), в результате которого он нагревается до некоторой температуры, зависящей от его концентрации в газовой смеси (отработавших газах).
На дизелях основным направлением борьбы с токсичностью (прежде всего с образованием сажи и оксидов азота) является применение турбокомпрессоров наддува воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, вместе с системой предварительного его охлаждения. В последнее время на дизелях ряда фирм начато применение электронных систем регулирования подачи топлива вместе с насосами-форсунками вместо ТНВД, которые оптимизируют процессы работы дизеля на различных режимах. Кроме этого на автомобилях с дизелем также могут применяться нейтрализаторы и специальные фильтры для улавливания токсичных веществ в системе выпуска отработавших газов.
Комментарии посетителей