Состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания

Компонент	Концентрация, % (по мссе)	Характеристики токсичности
бензиновый двигатель	дизель
Азот Кислород Водяной пар Диоксид углерода Оксид углерода Оксиды азота Углеводороды Альдегиды Сажа (PМ), г/м3 Бенз(α)пирен	74…77 0,3…8 3…5,5 5…12 0,5…12 0,01…0,8 0,2…3,0 0…0,04 0…0,04 0…20	74…78 2…I8 0,5…9 1…12 0,005…0,4 0,004…0,5 0,009…0,3 0,01…1,1 0,01…1,1 0…1	- - - Малотоксичен Токсичен » » » » Обладает канцерогенными свойствами

 

Парк автомобилей России в 2005 г. составит около 26 млн, а технический уровень их практически останется неизменным. Поэтому выброс в атмосферу вредных веществ составит примерно 25 млн. т. Для ограничения вредного воздействия отработавших газов двигателей на среду обитания человека в странах Европы принято около 100 правил, связанных с проблемами экологии и безопасности (табл. 2.13). Особенно жесткие требования стандартов предъявляются к выбросам оксидов азота.

 

2.13. Предельно допустимое содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей с дизельным двигателем в странах Европейского союза

Стандарт	Год введения стандарта	Предельно допустимое содержание, г/(кВт×ч)
на новые модели	на все модели	оксидов азота	углеводородов	оксида углерода	твердых частиц
EURO 0 EURO 1 EURO 2 EUR0 3 EURO 4: этап 1 этап 2	01.07.88 01.07.92 01.10.95 01.10.00   01.10.05 01.10.08	01.10.90 01.10.93 01.10.96 01.10.01   01.10.06 01.10.09	14,4 9,0 7,0 5,0   3,5 2,0	2,4 1,1 1,1 0,66   0,46 0,46	11,2 4,5 4,0 2,1   1,5 1,5	- 0,36 0,15   0,02 0,02

Общероссийские нормы на содержание вредных веществ в отра­ботавших газах значительно мягче, а обязательные к исполнению стандарты соблюдаются лишь частично. Отсутствуют современные газоанализаторы, что затрудняет экологический контроль за содержанием продуктов сгорания в отработавших газах двигателей.

Содержание токсичных веществ в отработавших газах эксплуа­тируемых в России автомобилей с карбюраторными двигателями не соответствует даже стандарту EURO 1. С 2004 г. в нашей стране введены стандарты EURO 1 и EURO 2.

Методика определения состава отработавших газов и подробно изложены в § 5.3.

 

2.5 Мероприятия по снижению выбросов вредных веществ

 

В последние годы в странах Евросоюза, нашей стране и всего мира были приняты постановления и законы, направленные на снижение выброса вредных веществ в атмосферу. Естественно, что при этом особое внимание должно быть обращено на автомобильный транспорт. В ответ на ужесточение норм на токсичность в США и Европе, автомобильная промышленность проводит новые разработки, направленные на снижение и полное предотвращение выброса вредных веществ с ОГ.

Данные о выбросах вредных веществ свидетельствуют о некотором снижении в период с 2000 по 2008 годы загрязнения воздуха автомобильным транспортом. Преследуемые законодательными органами цели были достигнуты частично с запасом, и работы по снижению выбросов вредных веществ продолжаются. Однако, исключением в этом развитии является ситуация с выбросом двуокиси углерода CO ₂. В настоящее время доказано, что это основной газ, вызывающий парниковый эффект, накапливаясь в атмосфере. Выброс двуокиси углерода CO ₂ зависит непосредственно от расхода топлива автомобилем. Новые разработки позволили снизить расход топлива, но увеличение зарегистрированных автомобилей и продолжающаяся тенденция к увеличению мощности двигателей и массы автомобилей сводят все последние достижения на нет. Прирост выбросов CO ₂ в последнее время замедлился и появилась тенденция к его будущему снижению.

При разработке перспективных конструкций автомобилей следует помимо прочих факторов учитывать, какая их группа ответственна за преимущественный выброс того или иного компонента ОГ. Несмотря на существенно меньший парк и суммарный пробег грузовых автомобилей на них приходится преимущественный выброс определенных компонентов ОГ. Ввиду применения мощных дизелей, на грузовые автомобили приходится бόльшая часть выбросов оксидов азота NO _x и сажи PM (рис. 2.17).

 

Рис. 2.17. Процентное распределение выбросов вредных веществ по видам автомобильного транспорта в 2008 г. в странах ЕС

В настоящее время недостаточно проводить частные разработки по снижению выброса отдельных компонентов ОГ и расхода топлива автомобиля. Автомобиль должен рассматриваться как одно целое, причем конструкции его компонентов должны быть взаимно согласованы. Исходя из этой технологии создания автомобиля как цельного объекта, выявлены три направления стратегического развития с целью снижения вредных выбросов, а именно:

· снижение расхода топлива;

· очистка отработавших газов;

· диагностика агрегатов, от которых зависит состав ОГ.

Ниже рассмотрены мероприятия в соответствии с их принадлежностью к названным выше направлениям развития автомобильной техники.

Снижение расхода топлива.

Аэродинамика. Обтекаемые формы кузова автомобиля позволяют снизить его аэродинамическое сопротивление, обеспечивая тем самым снижение расхода топлива. За последние десятилетия коэффициент аэродинамического сопротивления легковых автомобилей был снижен с 0,45 до 0,30. Это большое достижение, так как уже при скорости автомобиля 100 км/ч около 70% затрачиваемой на его перемещение энергии приходится на преодоление сопротивления воздуха.

Снижение массы автомобиля. Снижению собственной массы автомобиля противостоят нормы пассивной безопасности и мероприятия, направленные на увеличение комфорта. Однако, облегчение автомобиля необходимо для снижения его расхода топлива. Кузова большинства современных легковых автомобилей частично изготовлены из легких материалов (алюминия и магния).

Оптимизация конструкций двигателя и трансмиссии. Расход топлива автомобиля в значительной степени зависит от конструкции его двигателя и трансмиссии. Экономичный рабочий процесс обеспечивается у современных двигателей в результате применения насос-форсунок и аккумуляторных систем впрыска у дизелей; непосредственного впрыска у бензиновых двигателей. Передаточные числа коробки передач должны быть согласованы с размерами и массой автомобиля. Помимо этого широко налажен выпуск 6-ступенчатых коробок передач. Это необходимо для обеспечения работы двигателя на наиболее экономичных режимах.

Системы управления двигателем. Современные системы управления двигателем воздействуют на все его регулируемые компоненты (исполнительные устройства). Это означает, что все сигналы датчиков (например, частота вращения коленчатого вала, расход воздуха, давление наддува) обрабатываются в электронном блоке управления двигателем, который вырабатывает соответствующие управляющие сигналы для исполнительных устройств (регулирующих, например, количество и момент впрыска топлива или угол опережения зажигания). В результате обеспечивается регулировка двигателя в соответствии с его нагрузкой и производится оптимизация процессов сгорания.

Вентиляция топливного бака. Чтобы предотвратить проникновение паров бензина (углеводородов CН) в окружающую атмосферу, испарившийся в баке бензин направляется в адсорбер с активированным углем, а затем используется в процессе сгорания.

Рециркуляция отработавших газов. У современных двигателей рециркуляция ОГ применяется как для снижения насосных потерь, так и для оказания благоприятного воздействия отработавших газов на процесс сгорания на некоторых режимах движения автомобиля (см. далее).

Очистка отработавших газов.

Для дизельных двигателей. Наиболее актуальным в очистке ОГ дизелей является удаление оксидов азота NO_x и частиц сажи.

Наиболее широкое применение в настоящее время получили несколько видов устройств, снижающих эмиссию NO_x. Их можно разделить на три основные группы.

1. Использование каталитических нейтрализаторов вредных веществ в отработавших газах. Они устанавливаются в выпускной системе дизеля (перед глушителем). Нейтрализация вредных веществ происходит под действием катализатора (палладий, родий, платина). При этом оксиды азота восстанавливаются на безвредные азот и кислород. В большинстве случаев нейтрализаторы оказывают тройное действие (кроме восстановления NO_x каталитическое вещество способствует доокислению СО и СН).

Упрощенная схема реакций такая;

CH + O2 → CO2 + H2O; CO + O2 → CO2;

2.7

NO + CO → N2 + CO2; NO + H2 → N2 + H2O.

2.8

Недостатком такого способа снижения эмиссии является необходимость использования редкоземельных металлов. На долу каталитических нейтрализаторов приходится 35% мирового потребления платины, 45% палладия и 90% родия.

2. Система SCR (Selective Catalytic Reduction, что можно перевести как «селективный каталитический преобразователь»). Принцип действия системы SCR заключается в химической реакции аммиака (или чаще – мочевины) с окисью азота выхлопных газов, в результате которой образуются безвредные азот и водяной пар. Реагент, из-за своего синего цвета получивший название AdBlue, впрыскивается в выхлопную систему и смешивается с отработавшими газами.

Главный недостаток SCR – необходимость периодической заправки AdBlue. Бака на 10 л. хватает среднетоннажному автомобилю на 400…500 км.

3. Наиболее эффективной для использования в тракторных дизелях является т.н. система EGR (Exhaust-Gas Recirculation) – рециркуляции отработавших газов (рис. 2.18).

Процесс рециркуляции представляет собой перепуск части (5…25%) охлажденных отработавших газов (ОГ) мимо турбины во впускной коллектор (после компрессора). Смешивание охлажденных отработавших газов с впускаемым воздухом снижает содержание кислорода в горючей смеси. В результате этого снижается температура сгорания, которая, в свою очередь, снижает образование окислов азота, уже во время процесса сгорания.

Оптимальное значение доли рециркулирующего газа (степени рециркуляции) зависит от режима работы двигателя, поэтому в системе предусмотрен регулятор 5. Смешивание ОГ и сжатого воздуха происходит в сопле Вентури 7. Иногда используются схемы отбора рециркулирующих ОГ после турбины, и смешивание их с воздухом перед компрессором

 

Рис. 2.18. Схема системы рециркуляции отработавших газов: 1 – двигатель; 2 – охладитель надувочного воздуха; 3 – компрессор; 4 – турбина; 5 – регулятор рециркуляции ОГ; 6 – охладитель рециркулирующих ОГ; 7 – сопло Вентури

Выбросы в атмосферу образовавшихся при сгорании топлива частиц сажи могут быть снижены проведением мероприятий по очистке отработавших газов после их выпуска из цилиндров двигателя. При этом имеют ввиду прежде всего систему фильтрации, способную задерживать частицы сажи. Любая система фильтрации предусматриваем смену фильтрующего элемента или его регенерацию (восстановление, очистку).

Различают два вида регенерации сажевых фильтров: с применением присадок к дизельному топливу и с применением каталитического покрытия фильтрующего элемента. Наиболее перспективным является устройство и принципа действия сажевого фильтра с каталитическим покрытием, которые описаны ниже.

Сажевый фильтр с каталитическим покрытием обычно устанавливается после турбокомпрессора в непосредственной близости от двигателя.

В перспективных конструкциях применяется сажевый фильтр с каталитическим покрытием, который конструктивно объединен с нейтрализатором окислительного типа. Таким образом имеющий общий корпус агрегат выполняет функции как фильтра, так и нейтрализатора (рис. 2.19).

Сажевый фильтр задерживает содержащиеся в ОГ частицы сажи. Функция нейтрализатора заключается в окислении углеводородов (CН) и оксида углерода (CO) до воды (H ₂ O) и диоксида углерода (CO ₂).

 

Рис. 2.19. Внешний вид и размещение сажевого фильтра на автомобилях Volkswagen: 1 – турбокомпрессор; 2 – сажевый фильтр с каталитическим покрытием

 

Матрица сажевого фильтра (рис. 2.20) представляет собою ячеистую структуру из керамики на базе карбида кремния. Керамическая матрица заключена в металлический корпус. Она пронизана множеством параллельно расположенных каналов малого сеченья, закрытых попеременно с одной или другой стороны. Поэтому различают впускные и выпускные каналы, разделенные между собой фильтрующими стенками.

Фильтрующие стенки состоят из пористого карбида кремния. Они покрыты смесью оксидов алюминия и церия, выполняющих функцию подложки для катализатора, в качестве которого используется благородный металл – платина.

Катализатор – это вещество, которое способствует протеканию химической реакции, но само при этом не изменяется и новых соединений не образует.

Так как каналы фильтра закрыты попеременно со стороны впуска и выпуска, содержащие частицы сажи газы вынуждены проходить через пористые стенки из карбида кремния. При этом частицы сажи задерживаются во впускных каналах, а газ свободно проходит через поры стенок каналов.

Чтобы предотвратить чрезмерное повышение сопротивления фильтра и снижение его работоспособности, необходимо время от времени освобождать его от сажи. В процессе регенерации накопленные в фильтре частицы сажи выжигаются (окисляются).

 

Рис. 2.20. Схема работы сажевого фильтра с каталитическим покрытием

 

Для бензиновых двигателей. В настоящее время очистка отработавших газов бензиновых двигателей производится в каталитических нейтрализаторах, принцип действия которых подобен описанному выше. Регулирование каталитической очисткой осуществляется блоком управления двигателем (рис. 2.21), который по сигналам датчика кислорода определяет его содержание в отработавших газах и поддерживает коэффициент избытка воздуха топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель, равный единице.

Нейтрализатор начинает эффективно действовать только при температурах выше 250…300 °C, поэтому после холодного пуска двигателя необходимо определенное время для его разогрева. Чтобы ускорить начало очистки газов, в последнее время устанавливают дополнительные нейтрализаторы в непосредственной близости от выпускного коллектора. Это мероприятие, а также небольшие размеры дополнительных нейтрализаторов способствуют их быстрому разогреву. При каталитической очистке газов протекают одновременно две химические реакции:

· реакция восстановления (по уравнениям 2.8), в результате которой у некоторых компонентов газов отбирается кислород;

· реакция окисления, в результате которой другие компоненты газов окисляются (дожигаются по уравнениям 2.7).

·

Рис. 2.21. Контур регулирования топливовоздушной смеси бензинового двигателя:

1 – двигатель; 2 – каталитический нейтрализатор; 3 – блок управления