Электроника и безопасность автомобиля
Экологической безопасности автомобилей в последние годы уделяется все более пристальное внимание. Поэтому многие из современных автомобилей оборудуются нейтрализаторами отработавших газов, системами рециркуляции выхлопа, а также системами типа «старт-стоп».
Системы «старт-стоп»
В эпоху назревающих экологических катастроф защитники природы начали уделять все более пристальное внимание техногенным причинам, вызывающим загрязнение атмосферы и окружающей природной среды, в т. ч. почвенным и водным ресурсам.
Сейчас уже не является тайной, что отходы работающих двигателей внутреннего сгорания, которыми оснащается львиная доля моторизованной техники, составляют до 80 % от общей доли загрязнения атмосферного воздуха всеми индустриальными загрязнителями, включая выбросы из труб промышленных предприятий, котельных и т. п.
Вносят свою лепту в это «грязное» дело и автомобили, оснащенные ДВС.
При этом характер эксплуатации автотранспортных средств показывает, что далеко не все время работы двигателей используется продуктивно, т. е. с пользой. Исследования показали, что до 30% от общего времени эксплуатации автомобиль работает на холостых оборотах, бесполезно используя при этом топливо, загрязняя атмосферу вредными выбросами, и издавая излишний шум.
Эти факты, подкрепленные исследованиями и требованиями экологов, заставили призадуматься инженеров-разработчиков автомобильной техники над способами и методами устранения описанных негативных явлений.
Одной из реализованных конструкторами идей явилась так называемая система «старт-стоп» (на английском — «Start-stop» system или «Stop&Start») — технология, предназначенная для автоматического отключения и перезапуска двигателя автомобиля с целью экономии топлива, снижения вредных выбросов и уровня шума за счёт сокращения времени работы двигателя на холостом ходу.
Принцип работы системы «старт-стоп» заключается в выключении двигателя при остановке автомобиля и его последующем запуске при нажатии на педаль сцепления (на автомобилях с механической трансмиссией) или отпускании педали тормоза (на автомобилях с автоматической трансмиссией).
Первые эксперименты по созданию такой системы предприняла японская компания «Toyota» в середине 1970-х годов, установив на модель «Crown» устройство, автоматически выключающее работающий двигатель после через пару секунд после остановки автомобиля, и запускающее его после определенных манипуляций водителем педалями управления.
Картина выглядела следующим образом: водитель остановил автомобиль (на светофоре, у подъезда или в уличной пробке), и после короткого промежутка времени (примерно 1,5 секунды) простоя двигатель отключался системой управления «старт-стоп» в автоматическом режиме.
После манипуляции педалью акселератора, тормоза или сцепления (в зависимости от используемой конфигурации системы) двигатель вновь запускался, и водитель мог продолжать движение.
По утверждению разработчиков, использование этой системы позволило сократить расход топлива при эксплуатации автомобиля в условиях города Токио почти на 10 %. Конечно, это существенная экономия денежных средств автовладельца, и ощутимое сокращение вредных выбросов в атмосферу мегаполиса.
Кроме этого, по мнению разработчиков, система «старт-стоп» позволяет несколько снизить уровень шума от работающих двигателей, что тоже немаловажно, особенно в условиях населенного пункта.
Идею японских конструкторов подхватили и другие разработчики автотранспортной техники, и уже спустя несколько лет системами «старт-стоп» аналогичного типа оснащались и европейские, и американские автомобили. Иногда эту систему называют несколько иначе – «стоп-старт», в частности по названию разработанной компанией «Citroën» системы «Stop and Start», применявшейся на автомобилях моделей C2 и C3 от этого автопроизводителя.
В настоящее время существует несколько разновидностей системы «старт-стоп» (или «стоп-старт»), использующих для выполнения функций различные принципы. Тем не менее, все эти системы объединяют общие элементы конструкции:
- устройства, обеспечивающие многократный останов и запуск двигателя;
- систему управления (как правило, электронную, на основе информационных датчиков).
В большинстве используемых разработчиками систем «старт-стоп» нет отдельного электронного блока управления, вместо этого используется электронный блок управления двигателем, в котором заложено соответствующее программное обеспечение.
Некоторые системы (например, система «Starter Alternator Reversible System» от компании «Valeo») используют собственный блок управления, который, тем не менее, взаимодействует с ЭБУ двигателя.
Существует несколько подходов к реализации функции многократного запуска двигателя:
- специальный стартер — классическая система, лидером разработок которой является компания «Bosch»;
- реверсивный генератор (стартер-генератор) – лидеры разработок компании «Valeo» и «Denso»;
- впрыск топлива в цилиндры и воспламенение смеси — разработка компании «Mazda».
В некоторых источниках упоминается об идее использовать для запуска двигателя после кратковременной остановки специальный маховик, который раскручивается приводом при движении автомобиля, накапливая тем самым механическую энергию, и отдает ее при необходимости запуска двигателя (раскручивая силами инерции коленчатый вал), но практического применения этот принцип пока не нашел.
Системы «Stop&Start» от компании «Bosch»
Наиболее часто европейские автомобили комплектуются системой «старт-стоп» («Stop&Start») от компании «Bosch», в которой многократный запуск двигателя обеспечивает специальный мощный стартер, рассчитанный на большое количество пусков двигателя и имеющий увеличенный срок эксплуатации (ресурс). Стартер оборудован усиленным малошумным механизмом привода, гарантирующим быстрый, надёжный и бесшумный запуск двигателя.
Схема подключения приборов и устройств такой системы представлена здесь.
Система управления осуществляет остановку и запуск двигателя, а также контролирует уровень заряда аккумуляторной батареи. Как и все современные электронные системы управления, она включает информационные датчики, блок управления и исполнительные устройства.
При остановке автомобиля система «старт-стоп», на основании сигналов соответствующих датчиков (скорости автомобиля, частоты вращения колес, положения дроссельной заслонки, педали тормоза или педали сцепления), останавливает двигатель, перекрывая подачу топлива и отключая систему зажигания. Питание потребителей электрической энергии после остановки двигателя осуществляется от аккумуляторной батареи.
При отпускании водителем педали тормоза (нажатии на педаль сцепления или включения передачи КПП) система «старт-стоп» активирует стартер и производит запуск двигателя. В некоторых системах (автомобили с автоматической трансмиссией) управление пуском двигателя осуществляется посредством манипуляции педалью акселератора, т. е. по сигналам датчика положения дроссельной заслонки (ДПДЗ).
В дальнейшем цикл остановки и последующего запуска двигателя может многократно повторяться по мере необходимости.
Поскольку пуск двигателя осуществляется посредством мощного стартера, система «старт-стоп» внимательно следит за состоянием аккумуляторной батареи. Если величина заряда аккумуляторной батареи опускается ниже предусмотренной программой величины, система на основании сигнала соответствующего датчика автоматически отключается, и перестает функционировать до восстановления емкости и заряда аккумуляторной батареи.
В случае необходимости система «старт-стоп» может быть принудительно отключена с помощью специальной кнопки на панели приборов.
Системы «старт-стоп» типа «ISG»
Компания «Kia Motors» разработала собственную систему «старт-стоп» — «ISG» («Idle Stop&Go»), несколько отличающуюся по принципу действия от классической. Главное отличие системы «ISG» в управлении автомобильным генератором.
Система «ISG» способна отключать генератор во время пиковых нагрузок двигателя, что позволяет уменьшить нагрузку на силовой агрегат и сэкономить топливо (работающий генератор использует значительную часть мощности двигателя).
И наоборот, когда водитель нажимает на педаль тормоза и двигатель не нуждается в избытке мощности, система «ISG» включает генератор, который начинает использоваться в качестве основного источника электроэнергии и подзаряжает аккумуляторную батарею.
Как и во всех «старт-стоп» системах, в случае снижения уровня заряда аккумуляторной батареи ниже допустимого (примерно 75%) система «ISG» автоматически отключается.
Еще одна не менее популярная система, использующая манипуляции с генератором и стартером, получившая название «STARS» («Starter Alternator Reversible System») от компании «Valeo» использует для экономии топлива реверсивный (реверсионный) генератор.
Этой системой оборудованы автомобили таких компаний как: «BMW» и «Citroen», благодаря ей автовладельцам удается добиться более чем 10%-й экономии топлива.
Известно, что любой электродвигатель способен работать в двух режимах – двигателя и генератора. Реверсивный генератор — это электрическая машина переменного тока, способная чередовать (изменять) свою работу, выполняя в зависимости от необходимости либо функцию генератора, либо функцию стартера.
Применённая конструкция — ISG, (аббревиатура в среде русскоязычных механиков переводится, как «интегрированный стартер-генератор»), сочетает в себе роль стартера и генератора в одном устройстве.
Производить такой стартер-генератор стали французская компания «Valeo» и японская «Denso».
Стартер-генератор при помощи специального приводного ремня и реверсного натяжителя может передавать крутящий момент в ту или иную сторону. При этом по команде электронного блока управления стартер-генератор может либо вращать коленчатый вал двигателя (режим стартера), либо преобразовывать механическую энергию в электрическую (режим генератора).
В отличие рассмотренных выше систем «старт-стоп» управление «STARS» осуществляется отдельным блоком управления, взаимодействующим ЭБУ двигателя. Все остальные элементы конструкции (входные датчики и исполнительные механизмы) практически идентичны используемым в других системах «старт-стоп».
Среди многочисленных разработок в этом направлении можно отметить систему «старт-стоп», использующую рекуперативное торможение, т. е. преобразующую тепловую энергию, выделяющуюся при торможении автомобиля, в электроэнергию для подзарядки аккумуляторной батареи.
Системы «старт-стоп» типа «SISS»
Разработчиком первой системы «старт-стоп» типа «SISS» («Smart Idle Stop System») является японская компания «Mazda». В этой системе запуск двигателя осуществляется посредством впрыска топлива в цилиндры с последующим его воспламенением.
Принципиальным отличием этой системы является пуск двигателя без стартера, использованием импульса, передаваемого коленчатому валу от поршневой группы цилиндра, в котором осуществлен рабочий ход. Далее двигатель запускается по обычному сценарию, как и при раскручивании коленчатого вала стартером.
Конечно же, такая система запуска двигателя требует безукоризненной работы систем питания и зажигания, чтобы при единственном обороте коленчатого вала двигатель начал работать.
С целью обеспечения оптимальной работы системы «SISS» остановка поршней в цилиндрах осуществляется в строго определенном положении, которое наиболее оптимально для последующего запуска двигателя.
В некоторых системах типа «SISS» специальный датчик определяет (возможна интеграция с датчиком фаз – ДПРВ), — в каком из цилиндров поршень находится в положении, предшествующем рабочему ходу, и для запуска двигателя используется этот цилиндр.
При старте в нужный цилиндр впрыскивается порция топлива, после чего осуществляется воспламенение полученной топливовоздушной смеси от искры, коленчатый вал начинает вращение и двигатель запускается. В некоторых конструкциях «SISS» для обеспечения надежного запуска двигателя используется стартер, включаемый на короткое время.
Системой «SISS» оборудуются преимущественно автомобили с бензиновыми двигателями, в которых реализована функция непосредственного впрыска топлива и автоматическая трансмиссия.
Условия работы систем «старт-стоп»
Несмотря на разность конструкций, программные обеспечения всех применяемых систем «старт-стоп» реализуют несколько общих обязательных для функционирования системы условий.
Любая система «старт-стоп» функционирует только на малой скорости движения автомобиля (менее 4км/ч), при этом дверь водителя должна быть закрыта, а сам водитель должен быть пристёгнут ремнем безопасности.
Кроме того, система не будет включаться на непрогретом автомобиле (ЭБУ системы улавливает несоответствие частоты вращения коленчатого вала его номинальной частоте вращения на холостом ходу), при включении относительно мощных электропотребителей (обогрев стёкол, зеркал и т. п.), если неисправен генератор или уровень заряда АКБ ниже нормы.
Электронный блок управления системой «старт-стоп» постоянно анализирует показания различных датчиков, чтобы исключить неправильный останов двигателя.
Так, если водитель отпустил педаль акселератора, выжав при этом сцепление или установив нейтраль КПП, блок управления не остановит двигатель, поскольку такая же ситуация имеет место при движении автомобиля накатом под уклон, а остановка двигателя чревата отключением усилителей тормозной системы и рулевого управления. Поэтому блок управления анализирует показания датчиков частоты вращения колес, и если сигнал от этих датчиков линейный (колеса не вращаются), значит, автомобиль остановлен, и можно выключить двигатель.
Дополнительным сигналом для ЭБУ может быть и повышение давления в тормозном приводе (водитель удерживает ногу на педали тормоза), о чем сигнализирует соответствующий датчик. В этом случае блок управления системы «старт-стоп» может согласовывать действия с другими системами — антиблокировки колес и динамической стабилизации движения, поскольку датчик давления в тормозном контуре участвует в управлении и этими системами, и отключать двигатель при блокировке колес (нажатие на тормозную педаль) тоже не всегда допустимо.
Отдельные производители вводят в программу запрет включения системы «старт-стоп» при остановке автомобиля после движения задним ходом (вдруг водитель не выключил передачу) или если управляемые колеса повернуты на большой угол (например, после маневра на стоянке). В последнем случае система предотвращает пуск двигателя при неэффективно работающем усилителе рулевого управления.
О пользе систем «старт-стоп» у водителей нет единого мнения. Многие считают ее непозволительной роскошью, поскольку автомобили, оснащенные такими системами, стоят дороже.
Конечно же, для автовладельцев (особенно российских) вопросы экологии и лишнего шума являются несущественными, а реальной (хоть и небольшой) экономии топлива можно достичь лишь при интенсивной эксплуатации автомобиля в крупном городе.
Тем не менее, работы над усовершенствованием систем «старт-стоп» не прекращаются, и, можно полагать, что по настоянию экологов они вскоре могут стать обязательным элементом конструкции всех автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.
Экологическая безопасность автомобиля: какие классы существуют
Покупая машину многие задумываются об уровне ее экологической безопасности — какой урон будет нанесен окружающей среде от эксплуатации транспортного средства и как свести его к минимуму. Учёные изобретают новые двигатели, альтернативные виды топлива — можно ли доверять этим технологиям, и насколько они на самом деле эффективны, сложно определить рядовому автомобилисту. Конечно в будущем проблема экологической чистоты транспорта будет решена полностью, в этом нет сомнений. Уже сегодня большинство машин соответствуют самым высоким стандартам. Важно, однако, разобраться, что можно сделать для улучшения показателей той машины, которая есть в вашем распоряжении, какое топливо приобретать, а какое нет, чем опасен антифриз и другие жидкости, ну и прочие нюансы.
Уровень экологической безопасности автомобиля
В современном машиностроении применяются новые стандарты оценки качества автомобилей. Прежде чем дополнить модельный ряд ещё одним шедевром на четырёх колёсах, специалисты автомобильных концернов оценивают экологическую безопасность проекта по критерию производства, эксплуатации, утилизации. Сделав выводы, изучив особенности новинки, они подготавливают отчёт для руководства. Вскоре автомобиль будут оценивать независимые эксперты и если они придут к другим выводам, дадут менее оптимистичную оценку, компания потеряет много денег.
Сертификация на таможне
Проводится вторичная сертификация на таможне, согласно Женевской конвенции, международным правилам. Узнать, какой класс присвоил машине её производитель, проблематично, а вот результаты этой экспертизы будут указаны в техпаспорте. В Российской Федерации действует классификатор с пятью уровнями:
- стандарт Евро 1 — минимальный уровень экологической безопасности;
- стандарт Евро 2 — действует с 2006 года, требования в три раз более строгие, чем в Евро 1;
- стандарт Евро 3 актуален для машин с бензиновым двигателем и дизельным;
- стандарт Евро 4 появился в России в 2010, на 40% выше показатели безопасности в сравнении с Евро 3;
- стандарт Евро 5 начал действовать в России в 2015, а в ЕС в 2009 году.
Для оценки используется специальное оборудование, что обеспечивает точность и достоверность получаемых сведений. Стандарт Евро 6 действует в ЕС с 2015 года.
Как узнать класс экологической безопасности
Покупая б/у машину или новую стоит изучить прежде всего техпаспорт. В графе под цифрой 13 будет указан присвоенный класс. Также эту информацию можно получить при помощи таблиц Росстандарта. Нужно знать год выпуска авто и страну-производителя.
Автомобили с классом Евро 5
На сегодняшний день самым высоким классом экологической безопасности Евро 5 обладают автомобили отечественных и зарубежных концернов, которые были произведены после 2010 года. Это Лада, ВАЗ, Пежо, Порш, Бенкли, Рено, Фольксваген, Ягуар, Вольво, Форд, Шевроле, Мерседес, Опель, Шкода, Ауди. Но по-прежнему некоторые концерны выпускают машины с классом Евро 3 и Евро 4. Например, это Тойота, Хонда, Субару,Сузуки, Мазда, Ниссан.
Самые важные детали автомобиля с точки зрения экологии
В автомобилях изначально есть устройства, которые обеспечивают экологическую безопасность. Но они иногда выходят из строя, как и любые другие детали. У них есть эксплуатационный резерв и их нужно менять своевременно. Так каталитический нейтрализатор выхлопной системы в среднем надо менять, если пройдено 1 190 000 км. То есть не часто. Из-за неисправности двигателя, деталей выхлопной системы, при использовании низкого качества топлива и антифриза запас прочности может быть намного меньше . Понять, исправен он или нет, позволяет индикатор на панели приборов. Нужно посматривать на него время от времени. Чаще всего деталь эта не ремонтируется и приходится покупать новую.
Основные методы улучшения параметров экологической безопасности
Водитель может предпринять такие действия, для повышения уровня экологической безопасности своего автомобиля:
• стремится уменьшить расход топлива, одновременно с этим автоматически и интенсивность нагрузок на нейтрализатор выхлопа, а также объём отработанных веществ, для этого двигаться преимущественно на одной скорости (рекомендуется придерживаться средних показателей, от 60 до 80 км/ч);
- своевременно менять антифриз и масло, промывать систему при необходимости;
- регулярно проверять двигатель, цилиндропоршневую систему, прокладки ГБЦ, трансмиссию, состояние моста подвески, амортизаторов (при их поломке есть риск утечки масла и загрязнения почвы);
- установить предпусковой подогреватель для двигателя;
- при возможности использовать наиболее экологически безвредные виды топлива — бензин высокого качества, природный газ, пропан-бутан, метанол и др.
Современные автомобили менее вредны для окружающей среды, но при этом их число на дорогах растёт. Во многих европейских городах по данным ВОЗ невероятно высокие показатели загрязнённости атмосферы. Это и Париж, и Лондон. Хуже всего дела обстоят, конечно, в других регионах планеты и не только автомобили тому виной. Осторожность, соблюдения этих рекомендаций не будет лишней.
Автомобиль и экология
Экологические требования к современному автомобилю являются в настоящее время приоритетными. Экологическая безопасность – это свойство автомобиля снижать негативные последствия влияния эксплуатации автомобиля на участников движения и окружающую среду. Она направлена на снижение токсичности отработанных газов, уменьшение шума, снижение радиопомех при движении автомобиля.
Несмотря на многочисленные попытки заменить двигатель внутреннего сгорания каким-либо другим, не выделяющим токсичные вещества, альтернативы ему пока нет. А если принципиально новый двигатель и появится, то переналадка производства для его крупносерийного выпуска потребует грандиозных капиталовложений и произойдет далеко не сразу. Вместе с тем уже сейчас человечество подошло к той черте, когда без экологически чистого автомобиля просто не обойтись. И выход пока видится один – надо если не полностью исключить, то во всяком случае
свести к минимуму вредные выбросы ДВС.
Вредные выбросы и их воздействие на живую природу
Как образуются доставляющие всем столько хлопот вредные вещества в отработавших газах? Известно, что топливо сгорает в камере при взаимодействии с кислородом воздуха. Этот процесс сопровождается интенсивным выделением тепла, которое и
преобразуется в работу. Теоретически для сгорания 1 кг бензина требуется 14,7 кг воздуха, однако на практике этого количества оказывается недостаточно. Дело в том, что воспламенение и сгорание бензино-воздушной смеси (ее еще называют горючей) длится тысячные доли секунды, и к такому быстрому процессу она недостаточно хорошо подготовлена.
В смеси остаются газы от предыдущего цикла, препятствующие доступу кислорода к частицам топлива; кроме того, не удается добиться ее идеального перемешивания по объему цилиндра, особенно у непрогретого двигателя и на переходных режимах. В результате не все топливо окисляется до конечных продуктов, и для нормального протекания процесса сгорания его приходится добавлять. Если в горючей смеси количество топлива больше расчетного, смесь называется богатой, если меньше – бедной. При средних нагрузках главное внимание обращается на экономичность, поэтому в камеру сгорания подается несколько обедненная смесь.
При небольшом обогащении смеси скорость ее сгорания увеличивается, в камере развиваются более высокие температура и давление. Для максимальных нагрузок или резкого перехода с малой нагрузки на большую требуется богатая смесь. Большое количество топлива подается в цилиндры и при пуске холодного двигателя, когда горючую смесь образуют только самые легкие фракции топлива. В этих случаях из-за недостатка кислорода топливо сгорает не полностью. Двигатель хотя и развивает большую мощность, но работает не экономично и выбрасывает в атмосферу токсичные продукты неполного сгорания.
Наиболее токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей являются: оксид углерода (СО), оксиды азота (NОx), углеводороды (СnHm), а в случае применения этилированного бензина – свинец. Состав выбросов дизельных двигателей
отличается от бензиновых. В дизельном двигателе происходит более полное сгорание топлива. При этом образуется меньше окиси углерода и несгоревших углеводородов. Но, вместе с этим, за счет избытка воздуха в дизеле образуется большее количество
оксидов азота. Дизельные двигатели, кроме всего прочего, выбрасывают твердые частицы (сажу). Сажа, содержащаяся в выхлопе, нетоксична, но она адсорбирует на поверхности своих частиц канцерогенные углеводороды. При сгорании низкокачественного дизельного топлива, содержащего серу, образуется сернистый ангидрид.
Как же эти вредные компоненты воздействуют на человека и окружающую среду? В обычных условиях СО- бесцветный газ без запаха, он легче воздуха и поэтому может легко распространятся в атмосфере. При действии на человека СО вызывает головную боль, головокружение, быструю утомляемость, раздражительность, сонливость, боли в области сердца. Оксид азота NO – бесцветный газ, диоксид азота NO2– газ красно-бурого цвета с характерным запахом.
Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта. Воздействие NO2 cпособствует развитию заболеваний легких. Некоторые углеводороды СН являются сильнейшими канцерогенными веществами (например бензапирен), переносчиками которых могут быть частички сажи, содержащиеся в отработавших газах.
В скопившихся над асфальтом облаках СН и NOx под воздействием света происходят химические реакции. Разложение оксидов азота приводит к образованию озона. Вообще-то озон не стоек и быстро распадается, но только не в присутствии углеводородов (СН) – они замедляют процесс распада озона, и он активно вступает в реакции с частичками влаги и другими соединениями. Образуется стойкое облако мутного смога. Озон разъедает глаза и легкие, а выбросы NОх участвуют в формировании кислотных дождей.
В случае применения этилированных бензинов около 50% свинца осаждается в виде нагара на деталях двигателя и в выхлопной трубе, остаток уходит в атмосферу. Свинец присутствует в отработавших газах в виде мельчайших частиц размером
1-5 мкм, которые долго сохраняются в атмосфере. Концентрация свинца в атмосфере придорожной полосы в 2-20 раз больше, чем в других местах. Присутствие свинца в воздухе вызывает серьезные поражения органов пищеварения, центральной
и периферической нервной системы. Воздействие свинца на кровь проявляется в снижении количества гемоглобина и разрушении эритроцитов.
Нормы токсичности выхлопных газов
Первыми тревогу забили в США и в Японии, где проблема загазованости 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.
Содержание вредных веществ в отработанных газах
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).
Устройство и принцип действия каталитических нейтрализаторов
Устройство каталитического нейтрализатора
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.
Обратная связь
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. 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.
Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизельных двигателей
Сравнительно небольшое содержание вредных компонентов в отработавших газах дизелей не требовало в прошлом установки специальных устройств. Однако ужесточение норм токсичности (Евро-3 и Евро-4) коснулось и их. Основные претензии к дизелям экологи предъявляют из-за содержания частиц сажи и окиси азота (NOx) в выхлопе. Поэтому и на дизелях появились системы снижения токсичности выхлопа, включающие рециркуляцию отработавших газов, каталитический нейтрализатор и специальный сажевый фильтр.
Система рециркуляции выхлопных газов (ЕGR) применяется на бензиновых, дизельных и газовых двигателях. Предназначена для снижения токсичности отработавших газов (главным образом содержания оксидов азота NOx) в режимах прогрева и резкого ускорения двигателя, который на данных режимах работает на обогащённой топливной смеси. Часть отработавших газов попадает в обратно в цилиндры, что вызывает снижение максимальной температуры горения и, как следствие, уменьшение выбросов оксидов азота, образующихся при высоких температурах и являющихся одними из самых токсичных веществ. Система EGR не используется на холостых оборотах (прогретый двигатель), на холодном двигателе и при полностью открытой заслонке. Работа системы вызывает снижение эффективной мощности двигателя.
Сажевые фильтры изготавливают в виде пористого фильтрующего материала из карбида кремния. В конструкциях прошлых лет фильтры периодически очищали от накопившейся сажи отработавшими газами, температуру которых для этого повышали путем обогащения смеси. Очистка фильтра происходила по команде блока управления после каждых 400—500 км пробега автомобиля.
Однако в этом случае резко увеличиваются выбросы других вредных веществ. Поэтому современный сажевый фильтр чаще всего работает в паре с окислительным нейтрализатором, который восстанавливает NОx до NO2 и одновременно дожигает сажу, причем при более низких температурах – около 250°С.
В фильтрах нового поколения общий принцип остался прежним: задержать и уничтожить. Но как добиться нужной для сгорания частиц сажи температуры? Во-первых, фильтр разместили сразу за выпускным коллектором. Во-вторых, через каждые 300-500 км пробега контроллер включает режим многофазного впрыска, увеличивая количество поступающего в цилиндр топлива.
И, наконец, главное: поверхность фильтрующего элемента покрыта тонким слоем катализатора, который дополнительно повышает температуру выхлопных газов до необходимых 560-600°С. Фильтрующий элемент состоит, как правило, из керамической (карбид кремния) микропористой губки. Толщина стенок между ее каналами не превышает 0,4 мм, так что фильтрующая поверхность очень
большая. Иногда эту «губку» делают из сверхтонкого стального волокна, также покрытого катализатором.
Набивка настолько плотная, что задерживает до 80% частиц размером 20-100 нм. Новые фильтры стали активно участвовать в управлении работой двигателя. Ведь режим обогащения включается по сигналу от датчиков давления, установленных на входе и выходе фильтра. Когда разность показаний становится значительной, компьютер воспринимает это как признак закупоренности «губки» сажей. А выжигание контролируют с помощью датчика температуры.
Система нейтрализации отработанных газов в дизеле
Яркий пример современного механизма очистки выхлопа дизелей – электронная система управления дизельным двигателем EDС (electronic diesel control), разработанная компанией Bosch. Ее конструкция включает в себя многокомпонентную систему выпуска отработавших газов, в которой предусмотрено семь датчиков – два лямбда-зонда, два температурных, два давления и один уровня сажи в выхлопе, а также три очистительных элемента – каталитический нейтрализатор, катализатор-накопитель и сажевый фильтр накопительного типа.
Датчики в системе выхлопа позволили оптимизировать процессы смесеобразования и сгорания. Кстати, для этого под контроль «мозгу» EDС передали и многие системы двигателя – топливо- и воздухоподачи, рециркуляции отработавших газов, электронную дроссельную заслонку и турбонаддув. С помощью датчиков давления на входе и выходе из сажевого фильтра EDС контролирует степень его загрязнения. Эффективность работы катализаторов оценивается по показаниям двух лямбда-зондов
(на входе и выходе). Корректировка работы систем двигателя осуществляется на основании показаний лямбда-зондов, датчиков температуры и уровня сажи на выходе. Каталитический нейтрализатор «перерабатывает» токсичные составляющие выхлопа – NO, NO2, CO, CН – в нетоксичные и малотоксичные соединения – H2O, N2, CO2,
а катализатор-накопитель выполняет функции дополнительной очистки от окиси азота (NO2) и предварительной – от частиц сажи.
Основные правила эксплуатации автомобиля с каталитическим нейтрализатором
Последствия нарушений правил эксплуатации нейтрализатора
Для обеспечения эффективной работы нейтрализатора необходимо использовать только качественное не этилированное топливо, так как содержащийся в бензине тетраэтилсвинец необратимо “отравляет” каталитическую поверхность.
Во время и после работы двигателя корпус нейтрализатора имеет достаточно высокую температуру. В связи с этим, во избежание пожара, не следует парковать автомобиль над легко воспламеняющимися предметами, например сухими листьями, травой, бумагой и т.д.
Следует соблюдать основные правила, приведенные в инструкции по эксплуатации автомобилей. Они направлены на предупреждение ситуации, когда в нейтрализатор может попасть значительное количество не сгоревшего топлива. В этом случае возможная вспышка может привести к его разрушению.
Источник http://k-a-t.ru/PM.01_mdk.01.02/10_bezopasnost_11/index.shtml
Источник https://dvizhenie24.ru/auto/ekologicheskaya-bezopasnost-avtomobilya-kakie-klassy-sushhestvuyut-kak-ih-opredelit-metody-uluchsheniya-parametrov/
Источник https://avtonov.info/avtomobil-i-ekologija
