ТОКСИЧНОСТЬ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ И МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

PAGE 4

ЛЕКЦИЯ 11

ТОКСИЧНОСТЬ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ И МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

1 Общие положения

"Резервы снижения токсичности отработавших газов карбюраторных двигателей традиционной конструкции ... к настоящему времени практически исчерпаны ..."

В атмосферу отработавшие газы выбрасываются в очень сложном составе, в котором наряду с продуктами полного сгорания топлива присутствуют и вредные компоненты (продукты неполного окисления и разложения топлива), отрицательно влияющие на окружающую среду. Токсическими компонентами отработавших газов являются:

  • окись углерода;
  • окись и двуокись азота;
  • сернистый газ и сероводород;
  • кислородосодержащие вещества, в основном альдегиды;
  • углеводороды (бенз-а-пирен является наиболее токсичным углеводородом, превосходящим даже СО;
  • соединения свинца и т.д. Более 50 компонентов.

Кроме токсических составляющих отработавших газов в атмосферу в двигателях с искровым зажиганием выбрасываются картерные газы, пары бензина из бака и карбюратора.

Таблица Удельное содержание вредных веществ в отработавших газах

Вещества

г/кВт*ч

% по объему

КД

4-х Д

2-х Д

КД

Д

Окись углерода

70180

45,5

11

до 6

< 0,2

Окислы азота

27

1219

19

0,5

0,25

Углеводороды

14140

24

8

0,05

< 0,01

Альдегиды

3,4

0,140,2

0,34

0,03

0,002

Сернистый ангедрид

0,28

0,95

1

0,008

0,03

Сажа

0,4

1,42

1,22

0,05

0,25

Бензпирен (мг/кВт*ч)

0,02

0,00140,002

0,0014

Таблица Количественный состав отработавших газов (% к объему)

Компоненты

Бензиновые двигатели

Дизели

Примечание

Азот

7477

7678

не токсичен

Кислород

0,38,0

218

не токсичен

Пары воды

3,05,5

0,54,0

не токсичен

Двуокись углерода

5,012,0

1,010,0

не токсичен

Окись углерода

5,010,0

0,010,50

токсичен

Окислы азота

0,00,8

0,00020,5

токсичен

Углеводороды

0,20,3

0,0090,5

токсичен

Альдегиды

0,00,2

0,0010,009

токсичен

Сажа

0,000,04

0,011,1

токсичен

3,4 бенз-апирен

1020

до 10

канцероген

В соответствии с действующими санитарными нормами установлены ПДК вредных компонентов отработавших газов в атмосфере.

Таблица Вредные компоненты ОГ

Наименование вещества

ПДК

% к объему

мг/м3

Окись углерода

0,0024

30

Окислы азота

0,0001

5

Сернистый газ

0,00035

10

Альдегиды

0,00008

0,6

Токсичность отработавших газов повышается на холостом ходу, при перегрузке двигателя и принудительном торможении. Наиболее оптимальными режимами являются нагрузки двигателя от 30% до 75%. Основные пути решения проблемы снижения токсичности поршневого двигателя - это: совершенствование смесеобразования, совершенствование процесса сгорания, применение средств обезвреживания выхлопных газов, подача водорода в бензовоздушную смесь (эффективность снижения токсичности соразмерна с применением трехкомпонентных нейтpализатоpов). К эксплуатационным факторам относятся качественная регулировка топливной аппаратуры, форкамерное воспламенение смеси, электронное зажигание, применение высокосортных сортов топлива без этилирования, газификация двигателей, применение водородного топлива.

Фирма Mazda провела большой обьем исследовательских работ по применению водорода в качестве топлива для автомобильного ДВС. В ходе этих исследований было однозначно выявлено, что при работе классического поршневого двигателя возникает ряд существенных проблем. Роторно-поршневой двигатель при небольшой модернизации позволяет использовать водород в качестве топлива. Поэтому фирмой было заявлено, что в "водородной" программе предпочтение отдано РПД. Перспективность этих работ очевидна.

Выбросы вредных веществ

СО

0,18,0%

0,512,0%

NOx

0,050,5%

до 0,8%

CxHy

0,020,4%

0,20,3%

Нормы на выброс CO, CH, NOx для бензиновых двигателей

Стандарт

Наименование компонентов

CO

CH

NOx

г/км

г/км

г/км

Евро III

2,3

0,2

0,15

Евро IV

1,0

0,1

0,08

Соответствие или несоответствие стандарту Евро IV содержания токсичных компонентов в отработанных газах можно получить лишь после полного цикла испытаний на специализированном стенде. Также очевидно, что корректное сравнение величин [мг/м3] (измерение ПДК) и [г/км] (стандарты Евро III/IV) вряд ли возможно.

Таблица 2 Значения предельно допустимых концентраций (ПДК)

Вещество

Концентрация

[% от общей массы]

Концентрация [мг/м3]

ПДК

для атмосферного воздуха [мг/м3]

ПДК для производ-ственных помещений [мг/м3]

Азота диоксид

0,0009%

1,12+0,20

0,04

5

Азота оксид

0,0005%

0,63+0,11

0,04

2

Предельные углеводороды

0,02%

23,90+6,00

25,00

300

Попробуем произвести хотя бы грубую оценку:

1. "... современный автомобиль использует около 15 кг воздуха на 10-километровый пробег машины"

2. 15 кг воздуха 12 м3 = расход на 10 км, таким образом, на 1 км расходуется около 1 м3 воздуха;

3. следовательно, очень приблизительно должно выполняться соответствие: ДВС при поездке автомобиля на расстояние 1 км прогоняет около 1 м3 воздуха;

4. таким образом, для режима холостого хода автомобиль ВАЗ 2106 с установленным "оптимизатором", как минимум, полностью отвечает требованиям стандарта Евро IV если действительно выполняется соответствие 1 км - 1 м3, то требования стандарта перекрываются в несколько раз.

2 Мероприятия по снижению токсичности отработавших газов

Системы очистки отработавших газов. Существует каталитическая, жидкостная, комбинированная, пламенная системы очистки ОГ. Выброс углеводородов может быть уменьшен при использовании в выпускной системе каталитических нейтрализаторов. Нейтрализатор представляет собой химический реактор с катализатором - веществом, активизирующим протекание реакций превращения одних веществ в другие. Главными элементами каталитического нейтрализатора являются один или два каталитических сотовых блока 2 керамических или листовых гофрированных металлических цилиндра с несколькими сотнями продольных каналов, сечением около миллиметра каждый. На поверхность каналов – сотблока, нанесен пористый каталитический состав, содержащий благородные металлы платину, палладий, родий. В основном эти составляющие и определяют цену нейтрализатора, составляющую $150$300. Каталитический блок помещается в корпус из жаростойкой нержавеющей стали. Все современные нейтрализаторы являются бифункциональными или как их еще называют, трех компонентными. Такие нейтрализаторы предназначены для снижения выброса всех трех основных токсичных компонентов отработавших газов и сочетают в себе сразу две химические функции: и окислительную, и восстановительную. в нем одновременно окисляется (дожигается) неполностью сгоревшее топливо, выбрасываемое в виде углеводородов (СН) и продукт его неполного сгорания - оксид углерода (СО), а также восстанавливается (т.е. разлагается на исходные составляющие) чрезвычайно токсичный продукт «сгорания» при высокой температуре в цилиндрах двигателя содержащегося в атмосферном воздухе азота оксиды азота NOx.

Для эффективной работы бифункционального или трехкомпонентного нейтрализатора карбюратор должен обеспечивать приготовление горючей смеси строго стехиометрического состава, т. е. с таким соотношением топлива и воздуха, какое необходимо для теоретически полного сгорания топлива. Малейшие отклонения состава смеси от этого соотношения вызывают резкое снижение эффективности либо окислительной, либо восстановительной функции нейтрализатора. При этом повышается выброс либо СО и СН, либо NOx.

Обыкновенный карбюратор не может обеспечить поддержание состава смеси с требуемой точностью. Поэтому, предпринимаемые иногда попытки заставить оборудовать нейтрализаторами действующий парк автомобилей с бензиновыми двигателями и системой питания традиционной конструкции являются попросту профанацией технической идеи. Затраты на такое переоборудование не оправдываются весьма скромным достигаемым при этом эффектом по сокращению выброса токсичных веществ, не превышающим в сумме по всем компонентам 30...50%. Недостатком каталитических нейтрализаторов являются неустойчивость работы при изменении нагрузки, не полная нейтрализация окислов азота, выход из строя элемента при применении этилированного бензина.

При жидкостной очистке (10% растворы Na2SO3, Na2CO3, FeSO4 с добавками) отработавшие газы пропускаются через растворы химических реагентов, где химически или путем связывания осаждаются сажа и вредные компоненты. Очистка от альдегидов составляет 80100%, окислы азота 25%. Недостаток: при отрицательных температурах замерзает, большой расход реактива, их дороговизна, громоздок, окись углерода не задерживается.

Для снижения выбросов твердых частиц (сажи) в настоящее время используются специальные фильтры, устанавливаемые в выпускной системе автомобиля.

Камера сгорания (конструктивные мероприятия) Двигатели с разделёнными камерами сгорания обеспечивают получение меньших концентраций оксидов азота в отработавших газах, чем двигатели с непосредственным впрыском топлива, но последние характеризуются лучшей топливной экономичностью. Для получения рабочей смеси, обеспечивающей полное сгорание, вихревое движение воздуха в камере сгорания должно сочетаться с правильно подобранным факелом топлива.

Впрыскивание топлива Позднее впрыскивание позволяет снизить выброс оксидов азота (NOx), однако слишком позднее впрыскивание приводит к увеличению расхода топлива и повышенному выбросу углеводородов. Увеличение на 1° (по углу поворота коленчатого вала) начала впрыскивания; может привести к повышению на 5% выбросов NOx, в то время как выбросы СH при этом могут увеличиться на 15%. Электронные системы управления: способны поддерживать оптимальный момент впрыскивания с высокой степенью точности. Очень высокая точность может быть достигнута за счет управления началом впрыскивания непосредственно через форсунку при использовании датчика перемещения игольчатого клапана (управление началом впрыскивания топлива). Топливо, попадающее в камеру сгорания после окончания процесса сгорания, будет поступать непосредственно в выпускную систему в несгоревшем виде повышая уровень выбросов углеводородов в отработавших газах. Для предотвращения этого явления объем топлива между посадочным отверстием форсунки и распылительным наконечником должен быть минимальным. Необходимо также исключить подтекание топлива из форсунки и позднее впрыскивание. Мелкодисперсная струя распыла топлива способствует образованию оптимальной смеси топлива с воздухом. Мелкодисперсный распыл, снижающий выброс сажи (твердых частиц) и углеводородов, может быть получен при высоком давлении впрыскивания и оптимальной геометрии отверстий распылителя. Коэффициент избытка воздуха должен быть не ниже А =1,1.-.1,2.

Температура воздуха на впуске Чем выше температура воздушного заряда, тем выше температура сгорания с пропорциональным увеличением выбросов оксидов азота. На двигателях с турбонаддувом охлаждение сжатого воздуха на впуске (промежуточное охлаждение) представляет эффективный способ снижения NOx.

Рециркуляция отработавших газов Часть отработавших газов направляется во впускную систему для уменьшения количества кислорода в свежем заряде с одновременным увеличением его теплоемкости. Оба этих фактора приводят к понижению температуры сгорания и, таким образом, снижению образования NOх. Повышенное количество рециркулируемых газов вызывает более высокие выбросы сажи и оксида углерода из-за недостатка воздуха в смеси. Поэтому количество рециркулируемых отработавших газов должно быть ограничено.

3 Испытания двигателей на токсичность.

Схема испытаний. Выбросы токсичных веществ с отработавшими газами двигателей определяются на стенде с беговыми барабанами (для легковых автомобилей) или на испытательном моторном стенде (грузовые автомобили). Многие нормы предельного содержания токсичных компонентов в отработавших газах и методы испытаний автомобилей на токсичность были впервые внедрены в США, где способ отбора проб (газа) постоянного объема был применен в качестве эффективного способа для контроля за выбросом твердых частиц при динамических испытаниях. При этой процедуре отработавшие газы разбавляются отфильтрованным окружающим воздухом и отбираются посредством ротационного насоса во время стандартизованного цикла испытаний. Разбавление отработавших газов воздухом устраняет вероятность конденсации в них влаги и одновременно удерживает их температуру на уровне, требуемом для измерения содержания твердых частиц (52°С). Одна проба пропускается через специальный бумажный фильтрующий элемент, где осуществляется определение уровня выброса твердых частиц за счет измерения увеличения массы пробы. Вторая нагретая проба газа направляется в пламенно-ионизационный детектор, в котором производится непрерывный контроль за концентрацией углеводородов. Третья проба отправляется в сборник отработавших газов. После окончания цикла испытаний его содержимое направляется в газоанализатор, где производятся замеры концентраций СО, NОх и СО2. Расчеты для определения уровней выбросов различных компонентов отработавших газов базируются на данных об объеме смеси газов и концентрации отдельных их компонентов.

В США для проверки легковых и грузовых автомобилей на токсичность отработавших газов применяются те же методы и газоанализаторы. Отработавшие газы обычно разбавляются дважды, что дает возможность пропускать большие объемы газа через трубопроводы приемлемого размера. В европейском цикле испытаний также применяется разбавление части газового потока воздухом при замерах содержания твердых частиц в отработавших газах. После измерений концентрации твердых частиц проводятся дополнительные проверки непрозрачности этих газов как в стационарных условиях, так и при движении с полной нагрузкой.

Испытательные циклы и нормы токсичности в Европе Легковые и малотоннажные грузовые автомобили Нормы предельной токсичности отработавших газов, принятые в Европе, базируются на Директивах R15 ЕЭК и 70/220 ЕЭС, а также дополнениях к этим документам. Существующие нормы для малотоннажных грузовиков (полной массой менее 3,5 т) указаны в Директиве 93/59 ЕС/ЕЭС. Менее строгие нормы применяются для дизелей с непосредственным впрыскиванием топлива. Предельная токсичность отработавших газов легковых автомобилей (с числом сидений 6 и более, массой <, 2,5 т) регламентируется в Директиве 91/441 ЕС/ЕЭС. Следующим шагом в ужесточении норм токсичности является Директива 1997 г. ЕС 94/12. Дальнейшее ужесточение предельных норм токсичности планируется осуществить в 2000 г. Используемый ранее ездовой цикл ЕСЕ (ЕЭС) R15 был заменен модернизированным европейским ездовым циклом (включающим часть цикла, относящуюся к движению по загородным дорогам со скоростью движения вплоть до 120 км/ч). Предельные нормы дымности, рассмотренные в правилах ЕЭК R24 и ЕЭС 72/306, остаются в силе.

Нормы токсичности для грузовиков (полная масса <3,5т ). Ездовой цикл: модернизированный европейский цикл; временный вариант при Vmax = 90км/ч для автомобилей с максимальной скоростью < 130 км/ч и/или отношением мощности к массе < 30кВт/т.

Нормы токсичности для легковых автомобилей (полная масса <2,5т ). Ездовой цикл: модернизированный европейский цикл ЕЭС R 15 и ЕС (Директивы). Так называемая "стокгольмская группа" государств (включая Швецию, Швейцарию, Австрию) приняла нормы по предельной токсичности, базирующиеся на нормативах США (1987 г.). Швеция также проявила инициативу в вопросе создания системы штрафов за несоблюдение более строгих норм предельной токсичности.

Грузовые автомобили В Европе автомобили полной массой свыше 3,5 т, которые имеют более чем 9 мест для сиденья, проходят 13-режимные испытания, регламентированные правилами ЕЭК R49. Последовательность испытания - это серия из тринадцати различных стационарных рабочих режимов. Первоначально принятые предельные нормы выбросов газообразных компонентов были ужесточены, и в новые нормативы были включены требования по предельным выбросам твердых частиц в отработавших газах. Существующие предельные значения выбросов в странах ЕС приведены в нормативах Стадии 1 (EURO I) и Стадии 2 (EURO II) ЕЭС директив ЕЭС 91/542; последние предназначены для автомобилей серийного производства, начиная с октября 1996 г. Дополнительное снижение норм предельной токсичности планируется в 1999 г. Пересмотр испытательного цикла также предполагается осуществить на Стадии 3 (EURO III). Тем временем нормы, касающиеся контроля за дымностью отработавших газов дизелей, работающих при полной нагрузке (Директива ЕЭК R24), были оставлены без изменения, хотя имеющее место значительное снижение уровней твердых частиц в отработавших газах делает их не совсем приемлемыми.

Испытательные циклы и нормы токсичности в Японии Легковые автомобили Для определения концентраций газообразных токсичных компонентов и твердых частиц в отработавших газах дизелей используется ездовой цикл R15. Этот цикл расширен включением в него высокоскоростного режима испытаний (подобного европейским циклам).

Грузовые автомобили Выбросы токсичных компонентов замеряются с использованием нового 13-ступенчатого стационарного цикла испытаний, введенного в Японии и отличающегося от того, что имеет место в 13-режимном европейском испытательном цикле.

Нормы токсичности отработавших газов для легковых автомобилей с числом сидений 10 или менее. Ездовой цикл: Многоступенчатый, 10.15, 3 - режима испытания дымности.

Нормы токсичности отработавших газов для грузовых автомобилей полной массой более 2,5т. Ездовой цикл: 13- режимный цикл испытаний, 3- режимный цикл испытаний на дымность.

Испытательные циклы и нормы токсичности в США Легковые и малотоннажные грузовые автомобили Федеральный цикл испытаний (FTP 75) применяется для легковых и малотоннажных грузовых автомобилей полной массой не более 3,9 т. График скорости соответствует ездовому циклу работы автомобиля в условиях города (США). Испытания проводятся с использованием стенда с беговыми барабанами, и измерения осуществляются посредством метода отбора проб постоянного объема.

Тяжелые грузовые автомобили Начиная с 1987 г., тяжелые грузовые автомобили испытываются на моторном стенде с использованием ездового цикла; замеры проводятся в соответствии с методом CVS. Испытательный цикл выбран с учетом реальных условий движения по автомагистралям.

Предельные значения токсичности легковых автомобилей в США.

Нормы токсичности отработавших газов дизельных тяжелых грузовых автомобилей полной массой > 3.9т

4 Назначение, конструкция и работа устройств снижения токсичности отработавших газов автомобилей

Необходимость применения на «экспортных» вариантах автомобилей ВАЗ более сложной модификации карбюратора 2108, с так называемым "лямбда-управлением" составом смеси и автоматическим пусковым устройством, обусловлена существованием в большинстве стран весьма жестких ограничений на выброс токсичных веществ в атмосферу. Это, прежде всего, выброс из двигателя с отработавшими газами продуктов сгорания и выброс испарений из топливной системы автомобиля. Для решения первой задачи (снижения выброса вредных веществ с отработавшими газами) служит система нейтрализации отработавших газов вместе с системой их рециркуляции, а для решения второй - система улавливания паров топлива. Основной узел в системе нейтрализации отработавших газов - каталитический нейтрализатор, устанавливаемый в выпускной системе автомобиля. Нейтрализатор внешне похож на обычный резонатор и часто устанавливается вместо него.

При помощи специальных средств достигается требуемая точность дозирования топлива. В этом случае выброс токсичных веществ с отработавшими газами уменьшается по крайней мере в 4-6, а то и в 10 раз! Такой эффект стоит того, чтобы оборудовать автомобиль дорогостоящими устройствами. При использовании каталитического нейтрализатора нельзя применять этилированный бензин, так как содержащийся в нем свинец, осаждаясь на внутренних поверхностях выпускной системы, нарушает газовую проницаемость микропор активного каталитического слоя, в результате чего отработавшие газы проходят через сотовые отверстия блока, не соприкоснувшись с катализатором. В этом и заключается механизм «отравления» катализатора этилированным бензином. При этом ни о каком «сгорании» нейтрализатора от применения «некачественного» бензина не может идти и речи!

Точно так же действуют на нейтрализатор и силиконовые герметики, часто неаккуратно применяемые при ремонте двигателя и попадающие в систему выпуска. Находясь в выпускной системе, нейтрализатор отработавших газов начинает эффективно работать только после его разогрева до температуры по крайней мере 300°С. В результате протекающих в нем химических реакций нейтрализатор при работе самопроизвольно дополнительно разогревается еще на несколько десятков а иногда и сотен градусов. Однако размеры и место размещения нейтрализатора выбираются таким образом, чтобы при нормальной работе двигателя в условиях эксплуатации температура нейтрализатора не превышала 950°С, выше которой наступает разрушение не только активного каталитического слоя, но и механическое разрушение сотовых каналов для прохода отработавших газов. В этом случае поврежденный нейтрализатор может оказывать существенное сопротивление потоку отработавших газов. Вероятность теплового повреждения нейтрализатора особенно возрастает при прекращении воспламенения в одном из цилиндров, например при выходе из строя свечи зажигания. В этом случае несгоревшая в двигателе топливовоздушная смесь начинает гореть в нейтрализаторе, интенсивно разогревая его.

Для контроля за температурой нейтрализатора на некоторых автомобилях предусмотрена установка специального датчика (термопары) с проводкой к блоку управления. Какими же средствами удается обеспечить необходимое для эффективной работы нейтрализатора точное дозирование топлива? Для этого используется так называемый лямбда-зонд, или как его еще называют, кислородный датчик. Кислородный датчик представляет собой своеобразный гальванический элемент (источник электрического тока), помещенный в систему выпуска автомобиля перед нейтрализатором, т.е. в среду горячих отработавших газов.

Кислородный датчик внешне напоминает свечу зажигания: он имеет резьбу 18х1,5, на которой вворачивается в трубу системы выпуска от работавших газов и несколько отходящих от наружного хвостовика проводов. Чувствительным элементом датчика является омываемый отработавшими газами керамический наконечник 2, защищенный от механических повреждений металлическим кожухом 3 с прорезями для свободного прохода отработавших газов. Внутренняя часть керамического наконечника омывается атмосферным воздухом, проникающим через щели в корпусе датчика. Благодаря своему особому составу, на основе окиси циркония, разогретая горячими газами керамика становится источником тока, меняющим напряжение в зависимости от наличия или отсутствия кислорода в отработавших газах.

При избытке топлива, т.е. при богатой горючей смеси свободный кислород в отработавших газах практически отсутствует и кислородный датчик за счет большой разности концентраций кислорода на внутренней и наружной поверхностях керамического наконечника «вырабатывает» электрический ток напряжением около 0,8В. При недостатке топлива, т.е. при бедной горючей смеси в отработавших газах появляется свободный кислород и вырабатываемое датчиком напряжение уменьшается до 0,1-0,2В. Переход напряжения датчика от высокого уровня к низкому и наоборот происходит в чрезвычайно узком диапазоне состава смеси около стехиометрического, т.е. практически точно при а=1,00. Поэтому такой датчик и называют «лямбда-зондом»: «лямбда» - это англоязычный эквивалент нашего понятия «альфа», характеризующего соотношение воздуха и топлива в горючей смеси. Таким образом, ориентируясь на момент изменения величины напряжения, при помощи такого датчика можно точно отслеживать реальный, существующий в данный момент состав смеси с учетом всех индивидуальных особенностей регулировок карбюратора, состояния воздушного фильтра, случайных подсосов воздуха и любых других привнесенных извне факторов, не позволяющих заранее выбрать требуемый для работы нейтрализатора состав смеси.

Как и нейтрализатор, кислородный датчик требует для своей работы определенных условий: он должен быть достаточно прогрет, но не перегрет, он точно так же не переносит загрязнениия свинцом и кремнием. Для ускорения прогрева после пуска двигателя большинство современных кислородных датчиков, в том числе и применяемые на автомобилях ВАЗ, имеют встроенный электрический нагревательный элемент 2, постоянно запитываемый от бортсети автомобиля при включенном зажигании. За счет специальных свойств проводящего материала нагревателя его мощность автоматически изменяется в зависимости от температуры чувствительного элемента датчика: при низкой температуре сопротивление нагревателя минимально, а мощность максимальна, и, наоборот, при высокой температуре сопротивление нагревателя максимально, а мощность минимальна. Это позволяет исключить необходимость применения дополнительных средств управления температурой датчика.

Максимальный ток, потребляемый нагревателем кислородного датчика, составляет на холодном двигателе около 3 А. К кислородному датчику подходят три провода, подключаемые к автомобильному жгуту проводов через два разъема, расположенные между передней стенкой моторного отсека и карбюратором. Первый из разъемов объединяет два провода ( «+» 12В и «минус»), подающих питание на нагреватель датчика. Через второй разъем подключается «сигнальный» провод датчика, т.е. провод, идущий от его чувствительного элемента в блок управления. Электрическое сопротивление чувствительного элемента холодного датчика весьма велико и резко падает по мере его прогрева. Это дает возможность точно отследить момент, когда датчик оказывается способным давать правильную информацию о составе горючей смеси. Для этого со стороны блока управления через резистор на датчик постоянно подается «опорное» напряжение около 0,8В.

Когда датчик холодный, его сопротивление велико и не оказывает заметного влияния на падение напряжения на датчике. По мере прогрева и резкого снижения сопротивления датчика, падение напряжения на нем значительно уменьшается, что и сигнализирует блоку управления о готовности датчика к работе. По сигналам кислородного датчика электронный блок управления может нужным образом влиять на расположенные на карбюраторе органы управления составом смеси, представляющие собой два электромагнитных клапана (так называемые «актюаторы» - что буквально значит - «действователи»): один - на главной дозирующей системе, другой - на системе холостого хода. Эти клапаны практически идентичны тем, какие применяются в "классических" моделях карбюраторов 2108 для отключения топливоподачи через систему холостого хода.

Единственным отличием являются меньшие размеры корпуса, связанные с измененными для достижения большего быстродействия параметрами обмотки электромагнита. ( Подробно со схемой их включения в указанные топливоподающие системы мы познакомимся позднее, когда будем рассматривать устройство карбюратора ). При работе двигателя оба клапана совершают непрерывные колебания с частотой 10 Гц, т.е. открываются и закрываются 10 раз в секунду. Чтобы не перепутать между собой идущие от блока к клапанам провода, они имеют маркировку: на проводе, подключаемом к верхнему клапану карбюратора, встроенному в систему холостого хода, прикреплена этикетка с надписью «idle» - т.е. холостой ход, а на нижнем имеется надпись «main»,T.e. «главный» (имеется в виду главная дозирующая система).

Изменение величины топливоподачи по сигналам кислородного датчика производится путем изменения скважности управляющих клапанами им пульсов. Понятие «скважность» означает соотношение периодов включенного и выключенного состояния клапана в каждом из непрерывно следующих друг за другом с периодом 0,1 секунды циклов управления. Так, напри мер, если на клапан в течение 0,05с подается напряжение, и 0,05с он обесточен (в сумме 0,1 с), то скважность составляет 50%. Это означает, что среднее по времени сечение перекрываемого иглой клапана жиклера, определяющее величину расхода топлива, составляет примерно (с учетом задержки реакции иглы клапана на изменение напряжения на обмотке ) половину его полного сечения.

При скважности 20% клапан 0,02с открыт и 0,08с ( в сумме те же 0,1 с) закрыт. При работе двигателя, если на блок управления от кислородного датчика поступает сигнал высокого уровня (более 0,45В), скважность сигналов управления электромагнитными клапанами начинает уменьшаться, что при водит к уменьшению среднего сечения проходного отверстия его жиклера и, соответственно, к обеднению состава смеси. В момент перехода состава смеси от богатой к бедной напряжение на кислородном датчике уменьшается до уровня менее 0,45В, и блок управления начинает увеличивать скважность сигналов управления электромагнитными клапанами, что приводит к обогащению состава смеси. Такой процесс циклически повторяется, в результате чего состав смеси непрерывно колеблется около значения а=1,0.

Вследствие запаздывания изменения состава смеси в цилиндрах двигателя из-за наличия медленно движущейся пленки топлива на стенках впускной системы, задержки реакции кислородного датчика на изменение со держания кислорода в отработавших газах и т.п. причин имеется заметное рассогласование между управляющим воздействием на электромагнитный клапан и ответной реакцией датчика на него, составляющее несколько десятых долей секунды. Поэтому частота колебаний состава смеси около а=1,0 обычно не превышает 1, редко 2 Гц, т.е. 1-2 цикла в сек. и хорошо фиксируется обычным вольтметром. Дополнительным средством снижения токсичности является система рециркуляции отработавших газов. Рециркуляция - это возврат (перепуск) части отработавших газов во впускную трубу, т.е. обратно в двигатель. Такое, казалось бы «противоестественное» решение, уже давно (более 20 лет) широко применяется на многих зарубежных автомобилях с целью снижения выброса в атмосферу окислов (оксидов) азота. Появление этих токсичных компонентов в отработавших газах является следствием высоких температур и давлений в камере сгорания, напрямую связанных с эффективностью сжигания топлива в двигателе. Чем она выше, т.е. чем выше топливная экономичность и мощность двигателя, тем, как правило, выше выброс окислов азота.

Возвращая часть (до 7-10 % отработавших газов) обратно на впуск, сознательно «портят» процесс сгорания, замедляя его скорость, снижая температуру и давление в цилиндре, т.е. создают условия, способствующие уменьшению выброса оксидов азота. Следует отметить, что рециркуляция отработавших газов - наиболее удобный и наименее «вредный» с точки зрения ухудшения показателей двигателя способ снижения выброса оксидов азота среди других известных средств, таких как уменьшение угла опережения зажигания, снижение степени сжатия, подача воды и т.п. Основным элементом системы рециркуляции отработавших газов на двигателях ВАЗ является запорный клапан, перекрывающий канал, связывающий выпускной и впускной трубопроводы. Запорный клапан, называемый клапаном рециркуляции, установлен непосредственно на выпускном коллекторе 9 и управляется вакуумным диафрагменным механизмом с возвратной пружиной. При росте разрежения над диафрагмой клапана рециркуляции шток диафрагмы, преодолевая сопротивление относительно слабой пружины, тянет за собой и открывает тарельчатый клапан на канале для прохода отработавших газов в задроссельное пространство впускной трубы.

Разрежение для управления клапаном рециркуляции отбирается, подобно разрежению для вакуумного регулятора опережения зажигания, из отверстия выше кромки закрытой дроссельной заслонки первичной камеры карбюратора. Для этого на карбюраторе имеется специальный штуцер. На некоторых моделях карбюраторов 2108 для управления клапаном рециркуляции используются сразу два соединенных тройником штуцера от двух отверстий у кромки дроссельной заслонки, расположенных одно над другим. Это делается для замедления роста разрежения в диафрагменной камере клапана рециркуляции в самом начале открытия дроссельной заслонки, необходимого для обеспечения требуемого закона открытия клапана рециркуляции.

Таким образом, отработавшие газы подаются обратно в двигатель только при частичном открытии дроссельной заслонки, когда во впускной системе имеется некоторое разрежение. При полном открытии дроссельной заслонки разрежение во впускной системе практически отсутствует, и клапан рециркуляции закрыт. Клапан рециркуляции закрыт и при полностью закрытой дроссельной заслонке, когда управляющее отверстие (или отверстия) в карбюраторе оказываются выше ее верхней кромки. Разрежение от карбюратора для управления клапаном рециркуляции поступает по гибкому шлангу и проходит через термовакуумный клапан, который при низкой ( меньше 60°С ) температуре охлаждающей жидкости, препятствует поступлению разрежения в диафрагменную камеру клапана. Это делается для улучшения ездовых качеств непрогретого двигателя.

Термовакуумный клапан установлен на одном из шлангов системы подогрева карбюратора и впускной трубы. Кроме выбрасываемых с отработавшими газами токсичных веществ, при эксплуатации автомобиля имеется еще один источник загрязнения атмосферы - это испарения из топливной системы. Топливные испарения, представляющие собой углеводороды, выделяются в основном из двух узлов: топливного бака и поплавковой камеры карбюратора, т.е. там, где имеется соприкосновение поверхности топлива с воздухом. Интенсивность испарения топлива из топливной системы резко возрастает при повышении температуры окружающего воздуха и может достигать значительной величины, сопоставимой с выбросом углеводородов с отработавшими газами.

В настоящее время выброс испарений из топливной системы, как и выброс токсичных веществ с отработавшими газами, жестко ограничивается международными нормами. Поэтому все современные зарубежные автомобили оборудуются специальными системами, называемыми системами улавливания паров топлива. Такой системой оборудованы и экспортные модели автомобилей ВАЗ.

Главным узлом системы улавливания паров топлива является адсорбер - емкость объемом несколько литров, заполненная адсорбентом, т.е. веществом, поглощающим испарения топлива. В качестве адсорбента обычно используется активированный уголь, поэтому в переводной зарубежной литературе адсорбер часто называется «угольным бачком».

На автомобилях адсорбер устанавливается на поперечной стенке моторного отсека за двигателем. На верхней части адсорбера установлены два управляемых разрежением клапана, имеющие рабочие диафрагмы и запорные органы. Рабочая полость диафрагмы клапана сообщается с задроссельным пространством впускной трубы под карбюратором и при наличии в ней разрежения клапан закрыт. Управление клапаном производится разрежением, отбираемым через тройник из штуцера вакуумного регулятора опережения зажигания. Для сглаживания пульсации давления на вакуумном шланге управления клапаном имеется специальный демпфер с жиклером и клапаном. Клапан, в отличие от клапана 15, открыт при наличии разрежения в его рабочей полости. Через клапан 15 полость адсорбера через соединительный шланг сообщается со штуцером отбора испарений на крышке поплавковой камеры карбюратора, а через клапан 14 и магистраль 20 - с задроссельным пространством впускной трубы. Нижняя часть адсорбера под слоем активированного угля сообщается с атмосферой через канал 12. Топливный бак 11 автомобиля имеет герметичную пробку и сообщается с атмосферой только через адсорбер. На магистрали, соединяющей топливный бак и адсорбер, имеются три устройства: сепаратор топлива 9, блокировочный клапан 8 и двухходовой клапан 7

Сепаратор топлива 9 установлен в верхней части бака и предназначен для предотвращения попадания жидкой фазы топлива в паровую магистраль. Блокировочный клапан 8 служит для запирания паровой магистрали при опрокидывании автомобиля в результате аварии и предотвращения вытекания топлива из бензобака. Двухходовой клапан 7 обеспечивает возможность движения паров топлива из бака или воздуха в бак при появлении минимального перепада давления. Познакомившись со схемой системы улавливания паров топлива, рассмотрим ее работу. На остановленном двигателе разрежение во впускной трубе отсутствует, при этом диафрагменный клапан 14 закрыт, а клапан 15 открыт, в результате чего топливные испарения из поплавковой камеры через штуцер 1 и трубопровод 17 свободно поступают в адсорбер, поглощаясь активированным углем. Одновременно пары топлива из бензобака, проходя сепаратор и аварийный блокировочный клапан, открывают своим давлением двухходовой клапан и также поступают в адсорбер. Таким образом, активированный уголь в адсорбере накапливает испарения топлива, не позволяя им выходить в атмосферу.

После запуска двигателя во впускной системе появляется разрежение, в результате чего клапан 15 закрывается и разобщает полость адсорбера и поплавковую камеру. Клапан 14 при работе прогретого двигателя на холостом ходу остается закрытым, т.к. дроссельные заслонки закрыты и в штуцере вакуумного регулятора распределителя зажигания разрежение отсутствует. В этом случае пары топлива из поплавковой камеры уносятся потоком воздуха в работающий двигатель, а пары топлива из бензобака могут либо продолжать поступать в адсорбер, либо, при появлении разрежения в баке вследствие расходования топлива, подсасываться обратно в бак поступающим туда через адсорбер воздухом. При нажатии на педаль управления карбюратором и открытии дроссельной заслонки первичной камеры по трубке 18 к клапану 14 начинает поступать разрежение от штуцера вакуумного регулятора опережения зажигания. В результате этого клапан 14 открывается и через трубку 20 сообщает адсорбер с задроссельным пространством впускной трубы. При этом в верхней полости адсорбера создается разрежение, вызывая подсасывание воздуха через слой насыщенного парами топлива адсорбента. Этот процесс носит название продувки или регенерации адсорбера, в результате которого после непродолжительной работы двигателя адсорбент полностью восстанавливает свои аккумулирующие свойства и становится способным вновь поглощать пары топлива после остановки двигателя.

Испытания дизелей на токсичность осуществляются как в виде дополнительной процедуры, так и во время проведения регулярных техосмотров автомобилей. Для этой цели применяются два стандартизованных метода. По первому методу определенное количество отработавшего газа пропускается через фильтрующий элемент. Степень обесцвечивания фильтра характеризует содержание сажи в отработавших газах. Абсорбционный метод (испытание на непрозрачность или потемнение газа) основан на определении снижения яркости луча света, пропускаемого через отработавшие газы. Определение дымности отработавших газов дизелей должно осуществляться под нагрузкой. Здесь наиболее распространены два разных метода проведения испытаний: испытания при полной нагрузке, осуществляемые на испытательной трассе с торможением автомобиля; испытания при свободном ускорении с кратковременным нажатием на педаль газа; нагрузка при этом создается возвратно-поступательно перемещающимися и вращающимися массами самого двигателя, работающего в режиме ускорения.

Дымомер (оптический метод) Насос прокачивает часть отработавших газов, поступающих из пробоотборного зонда через камеру. Это необходимо для уменьшения влияния колебаний давления отработавших газов на результаты испытаний. Через отработавшие газы, находящиеся в испытательной камере, пропускаются световые лучи. Фотоэлементы регистрируют снижение интенсивности света после прохождения камеры; это снижение соответствует непрозрачности Т (в %) или коэффициенту абсорбции k. Для получения полных и точных результатов испытательная камера должна иметь определенную длину. Во время испытаний под нагрузкой обеспечивается непрерывный процесс измерений дымности с индикацией получаемых данных. Дымомер автоматически определяет максимальное значение и производит расчет среднего значения для нескольких периодов подачи газа.

Дымомер (метод прокачки через фильтр) Устройство обеспечивает пропуск определенного количества отработавших газов через бумажный фильтрующий элемент. На каждой стадии испытаний осуществляется регистрация объемов анализируемого газа, что позволяет получить полные и сравнимые между собой результаты. Система также позволяет контролировать и компенсировать действие других факторов (давления, температуры и др.). Для оптико-электронной оценки почернения фильтрующей бумаги применяется светоотражающий фотометр. Результаты представляются в виде показателя сажесодержания Бош или массовой концентрации сажи в газе (мг/м3).

ТОКСИЧНОСТЬ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ И МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ