Пути совершенствования бензиновых двигателей с целью минимизации их вредных выбросов

 

Первыми подняли проблему по поводу вредности выхлопов в США и в Японии, где проблема загазованности в крупных городах встала особенно остро. Были законодательно утверждены требования по токсичности выхлопов новых автомобилей, которые периодически пересматривались и ужесточались. Вскоре аналогичные законы были приняты и в странах Европы (таб.2).

Таблица 2.

Законодательно были, поставлены перед автокорпорациями жесткие требования по экологичности их изделий. И эти требования по мере развития промышленности и науки неоднократно ужесточались.

При современном уровне развития техники наиболее эффективным способом снижения токсичности выхлопа является нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов с использованием химических реакций окисления и (или) восстановления. С этой целью в выпускную систему двигателя устанавливают специальный термический реактор (нейтрализатор) рис1.

Рис. 1. Нейтрализатор.

На современных автомобилях для снижения выбросов вредных веществ устанавливаются трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы. Трехкомпонентными их называют потому, что они нейтрализуют три вредных составляющих выхлопных газов: СО, СН и NO. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор представляет собой корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска до глушителя. В корпусе располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми тончайшим слоем вещества катализатора, которое само не вступает в химические реакции, но одним своим присутствием ускоряет их течение. В качестве катализатора используется платина и палладий, которые способствуют окислению СО и СН, а родий ”борется” с NOx. В результате реакций в нейтрализаторе токсичные соединения CO, CH и NOx окисляются или восстанавливаются до углекислого газа СО2, азота N2 и воды Н2О.

Как правило, носителем в нейтрализаторе служит спецкерамика -монолит со множеством продольных сот-ячеек, на которые нанесена специальная шероховатая подложка. Это позволяет максимально увеличить эффективную площадь контакта каталитического покрытия с выхлопными газами - до величин около 20 тыс.кв.м. Причем вес благородных металлов, нанесенных на подложку на этой огромной площади, составляет всего 2-3 грамма. Керамика сделана достаточно огнеупорной – выдерживает температуру до 800-850°С. Но все равно при неисправности системы питания и длительной работе на переобогащенной рабочей смеси монолит может не выдержать и оплавиться - и тогда каталитический нейтрализатор выйдет из строя. Впрочем, все шире в качестве носителей каталитического слоя используются тончайшие металлические соты. Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, получить меньшее противодавление, ускорить разогрев каталитического нейтрализатора до рабочей температуры и, главное, расширить температурный диапазон до 1000-1050°С.

На первый взгляд может показаться, что установка катализатора решает все экологические проблемы. Однако, температура, при которой катализатор начинает действовать (температура активации), находится в пределах 250–350°С. Время же, необходимое для разогрева, может достигать нескольких минут и зависит от типа автомобиля, способа его эксплуатации и температуры воздуха. Холодный катализатор практически неэффективен – следовательно, необходимо уменьшить время достижения температуры активации. Проблему частично решили, приблизив нейтрализатор к выпускному коллектору (такое сочетание часто называют катколлектором). Кроме этого, коллектор изготавливают из тонкостенных стальных труб вместо массивных чугунных и дополнительно утепляют, уменьшив тем самым тепловые потери. Другой способ быстро прогреть нейтрализатор – подать в отработавшие газы дополнительную порцию воздуха и одновременно обогатить смесь. Топливо догорает уже на выпуске, температура выхлопных газов растет, и нейтрализатор быстрее выходит на рабочий режим. Иногда нейтрализатор разогревают электрическим термоэлементом, однако это влечет дополнительные энергозатраты.

Трехкомпонентный нейтрализатор наиболее эффективен при определенном составе отработавших газов. Это значит, что нужно очень точно выдерживать состав горючей смеси возле так называемого стехиометрического отношения воздух/ топливо, значение которого лежит в узких пределах 14,5- 14,7. Если горючая смесь будет богаче, то упадет эффективность нейтрализации СО и СН, если беднее- NOx. Поддерживать стехиометрический состав горючей смеси можно было только одним способом- управлять смесеобразованием, немедленно получая информацию о процессе сгорания, то есть, организовав обратную связь.

Для этого в выпускной коллектор поместили специально разработанный кислородный датчик- так называемый лямбда-зонд рис 2.

Рис. 2 Лямда-зонд.

Он вступает с раскаленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень которого зависит от количества кислорода в выхлопе. Если кислорода осталось много- значит, смесь слишком бедная, если мало- богатая. А по результатам мгновенного анализа, которым занимается электроника, можно быстро корректировать состав смеси в ту или иную сторону. Напряжение на выходе кислородного датчика принимает два уровня. Если смесь бедная, то низковольтный сигнал дает команду на обогащение топливной смеси, и наоборот. На современных нейтрализаторах устанавливается два кислородных датчика. Первый определяет качество смеси- богатая или бедная. Другой, установленный за нейтрализатором, отслеживает эффективность нейтрализации.

Дальнейшим развитием систем коррекции являются адаптивные системы с возможностью «самообучения» в процессе эксплуатации. Суть работы таких систем заключается в том, что по мере изменения характеристик различных систем и компонентов двигателя в процессе эксплуатации (например, загрязнение форсунок, уменьшение компрессии, подсос воздуха) в специальной области памяти блока управления накапливаются «поправочные коэффициенты», используемые процессором при расчете длительности времени впрыска на различных установившихся режимах. Это позволяет поддерживать стехиометрический состав смеси даже при значительных отклонениях в состоянии системы.

Из большого перечня заменителей жидких топлив нефтяного происхождения в первую очередь привлекает природный газ – топливо, отличающееся относительной экологической чистотой.

Главное преимущество природного газа – экологическое. Отработавшие газы двигателей, работающие на природном газе, содержат низкие уровни вредных веществ. По составу природный газ на 90-98% состоит из метана – нетоксичного углеводорода, который при сгорании дает, главным образом, диоксид углерода и воду. Двигатель на природном газе производит примерно на 65% меньше выбросов оксидов азота и на 80% меньше выбросов твердых частиц, чем дизельный двигатель, оборудованный окисляющим каталитическим нейтрализатором.

Работа на природном газе предполагает и ряд других преимуществ. Он фактически не содержит серы, которая влияет на здоровье людей и закисляет почву и воду, а также разрушает фасады зданий. Если брать все в комплексе, то отработавшие газы двигателя, работающего на природном газе, по наиболее вредным компонентам в несколько раз менее опасны, чем бензиновых или дизельных двигателей. Кроме того, автомобили на природном газе являются бесшумными и меньше вибрируют, чем с дизельными и бензиновыми двигателями.

Риск несчастного случая при обращении с природным газом крайне незначителен. Газ не токсичен и легче воздуха. В случае утечки он поднимается вверх и быстро смешивается с атмосферным воздухом, превращаясь во взрывобезопасную смесь.

По энергетическому и расходному эквиваленту 1м3 природного газа заменяет в эксплуатации примерно 1л бензина или дизельного топлива. При этом, что особенно важно для транспортников в нынешней нелегкой ситуации с постоянно растущими ценами на топливо, стоимость природного газа ограничена специальным постановлением Правительства России, что не позволит ей неограниченно возрасти при росте спроса на газ. Согласно этому постановлению, 1м3 газа не может стоить дороже 0,5л самого дешевого бензина марки А-76.

Оценка достоинств и недостатков использования природного газа на транспорте, сделанная еще в 50-е годы, продолжает жить и сегодня.

Достоинства природного газа, как природного топлива:

Ø - повышение моторесурса двигателя в 1,5 раза;

Ø - отсутствие детонации (октановое число газа 105-110);

Ø - отсутствие нагара на поршнях и свечах, а также в отработавших газах;

Ø - более длительный срок моторного масла (в 1,5-2 раза) с благотворным влиянием его на срок службы всех деталей, износ которых зависит от качества смазки;

Ø - увеличение срока службы свечей в 1,5-2 раза;

Ø - общее улучшение экологических параметров отработавших газов (за исключением запаха);

Ø - уменьшение затрат на топливо в 1,5-2 раза.

Недостатки процесса газификации автомобиля:

Ø - снижение мощности двигателя (бензинового) – от 10 до 15%;

Ø - ухудшение тягово-скоростных свойств транспортного средства (время разгона возрастает на 24-30%, максимальная скорость движения снижается на 5-6%, максимальный угол преодолеваемого подъема снижается на 30-40%);

Ø - возможность появления запаха газа в салоне (в случае неисправности глушителя или кузова);

Ø - вес и объем баллона с газом;

Ø - удорожание обслуживания топливной аппаратуры.

 

 

Заключение

Проблема снижения загрязнения воздуха автомобилями с ДВС вряд ли потеряет актуальность в течение нынешнего столетия, то есть пока не иссякнут разведанные запасы природных углеводородов. Однако эту проблему надо решать безотлагательно уже сегодня.

Повысить экологическую чистоту бензиновых и дизельных автомобилей авторы предлагают путем внедрения в работу двигателей топливных систем нового поколения, способных обрабатывать, смешивать и подавать топливо и воздух в камеру сгорания таким образом, чтобы при минимально возможных расходах горючего и окислителя вырабатывалось максимально возможное количество полезной энергии.

 Бензиновые двигатели не лишены недостатков, уровень их экологичности оставляет часто желать лучшего. Одна при оснащении его передовыми средствами для нейтрализации вредных выхлопов, совершенствовании процесса образования топливной смеси или вообще перевод автомобиля на газовое топливо помогают достигнуть высокого уровня чистоты отработавших газов. При надлежащем и своевременном обслуживании эти низкие показатели вредности отработавших газов сохраняются в течение всего процесса эксплуатации.

 

Список использованной литературы.

1. Бондаренко Е.В. Дворников Г.П Дорожно – транспортная экология - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. – 113 с.

2. Павлова Е.И. Экология транспорта: Учебник для вузов. - М.: Транспорт, 2000. 248 с.

3. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек. - М., 1998. - 242 с.

4. http://www.ecologylife.ru/2009/11

5. http://www.avtonov.svoi.info/euro.php