Система выпуска отработанных газов: устройство, тюнинг

Дым из выхлопных труб дизельного грузовика в момент запуска двигателя
Выхлопны́е га́зы

(отходящие газы) — отработавшее в двигателе рабочее тело. Являются продуктами окисления и неполного сгорания углеводородного топлива. Выбросы выхлопных газов — основная причина превышения допустимых концентраций токсичных веществ и канцерогенов в атмосфере крупных городов, образования смогов, являющихся частой причиной отравления в замкнутых пространствах.

Количество выделяемых в атмосферу автомобилями загрязняющих веществ определяется массовым выбросом газов и составом отходящих газов.

Количество отходящих газов автомобилей

В основном определяется массовым расходом топлива автомобилями. Расход по расстоянию нормируется и обычно указывается производителями (одна из потребительских характеристик). В отношении суммарного объема выходящих из глушителя выхлопных газов приблизительно можно ориентироваться на такую цифру — один килограмм сжигаемого бензина приводит к образованию примерно 16 килограммов смеси различных газов.

ВАЗ 2110 1,5k литра	ВАЗ 2110 1,5i литра	Mitsubishi Colt 5-D 1.1i литра	ВАЗ 11113 0,75k литра	ВАЗ 21055 1,5D литра
Расход в «городском» режиме, л/100км	9,1	8,6	7,0	6,4	5,7
Расход, равномерно 60 км/ч, л/100км	6,5	6,5	3,7	3,2	3,8

k — карбюраторный двигатель
i — инжекторный двигатель
D — дизельный двигатель
плотность бензина при +20С колеблется от 0,69 до 0,81 г/см³
плотность дизельного топлива при +20С по ГОСТ 305-82 не более 0,86 г/см³

Состав автомобильных выхлопных газов

Бензиновые двигатели	Дизели
N2, об.%	74—77	76—78
O2, об.%	0,3—8,0	2,0—18,0
H2O (пары), об.%	3,0—5,5	0,5—4,0
CO2, об.%	0,0—16,0	1,0—10,0
*, об.%	0,1—5,0	0,01—0,5
Оксиды азота*, об.%	0,0—0,8	0,0002—0,5
Углеводороды*, об.%	0,2—3,0	0,09—0,5
Альдегиды*, об.%	0,0—0,2	0,001—0,009
Сажа**, г/м3	0,0—0,04	0,01—1,10
Бензпирен-3,4**, г/м3	10—20·10−6	10×10−6

* Токсичные компоненты

** Канцерогены

Способы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе

Системы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе ДВС Читать далее: Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизельных двигателей

1. Способы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе

Существует несколько способов нейтрализации отработавших газов в выпускной системе автомобиля:

1.Окисление отработавших газов путем подачи к ним дополнительного воздуха в термических реакторах. Термические реакторы устанавливают на многих японских и американских двигателях. Термический реактор представляет собой теплоизолированный объем со специальной организацией течения отходящих газов, устанавливаемый в выпускной системе двигателя и осуществляющий термическое доокисление токсичных компонентов за счет собственного тепла отходящих газов. Термическая нейтрализация не зависит от вида сжигаемого топлива, наличия присадок и позволяет использовать в двигателях этилированный бензин. Повысить температуру отработавших газов в реакторе можно, уменьшив теплопотери применением проставок-экранов, теплоизоляцией корпуса реактора, использованием тепла реакции окисления, а также кратковременным уменьшением угла опережения зажигания. Реакторы особенно эффективны на режимах богатой смеси при больших нагрузках, не выходят из строя со временем, однако не дают полного окисления СО и СН и не восстанавливают NOx, поэтому применяются как дополнительные устройства перед каталитическим нейтрализатором.

2.Поглощение токсичных компонентов жидкостью в жидкостных нейтрализаторах. Этот способ не получил широкого распространения из-за малой эффективности и необходимости частой замены жидкости.

3.Применение каталитических нейтрализаторов и сажевых фильтров (на автомобилях с дизельными двигателями) – в настоящее время наиболее актуальный.

2. Нейтрализации отработавших газов в выпускной системе бензиновых двигателей

Эволюция каталитических нейтрализаторов

В конце 60-х годов, когда мегаполисы Америки и Японии стали буквально задыхаться от смога, инициативу взяли на себя правительственные комиссии. Именно законодательные акты об обязательном снижении уровня токсичных выхлопов новых автомобилей вынудили промышленников усовершенствовать двигатели и разрабатывать системы нейтрализации.

В 1970 году в Соединенных Штатах был принят закон, в соответствии с которым уровень токсичных выхлопов автомобилей 1975 модельного года должен был быть в среднем наполовину меньше, чем у машин 1960 года выпуска: СН — на 87%, СО — на 82% и NOх — на 24%.

Аналогичные требования были узаконены в Японии и в Европе. Первым делом инженеры бросились совершенствовать системы питания и зажигания. Но было очевидно, что добиться столь существенного улучшения ситуации с токсичностью без применения дополнительных устройств просто невозможно.

В 1975 году на американских машинах появились первые каталитические нейтрализаторы отработавших газов — тогда еще двухкомпонентные, так называемого окислительного типа. Двухкомпонентными они назывались потому, что могли нейтрализовать только два токсичных компонента — СО и СН. Окислительными — потому, что происходившие реакции представляли из себя окисление (то есть фактически дожигание) молекул СО и СН с образованием углекислого газа СО2 и воды Н2О.

На американских автомобилях 1975 года появились транзисторные системы зажигания с высокой энергией искры и свечи с медным сердечником центрального электрода — это свело к минимуму пропуски зажигания и последующие вспышки несгоревшего топлива в нейтрализаторе, которые грозят оплавлением керамики.

В 1977-м к нему добавили «противоазотную» секцию, а еще через пару лет объединили все в едином корпусе, дав неправильное название «трехступенчатый» нейтрализатор. На самом деле речь идет не о ступенях, а о трех подавляемых классах вредных веществ.

К 1990 году нейтрализатор переехал вплотную к выпускному коллектору, чтобы быстрее нагреваться до рабочих температур (300ºС) – тем самым уменьшить вредные выбросы на стадии прогрева.

В 1995 году фирма ”Эмитек” разработала технологию подогрева катализатора мощным электрическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель катализатора ”6С” (или ”Эмикэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”.

Ну и, наконец, в 2000 году появилась цеолитовая ловушка углеводородов (СН), задерживающая их при пуске мотора и лишь после нагрева до 220°С отдающая на «съедение» готовому к работе катализатору.

Устройство и принцип действия каталитических нейтрализаторов

Современные каталитические нейтрализаторы – это трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы.

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.

Химикам известно множество катализаторов — медь, хром, никель, палладий, родий. Но самой стойкой к воздействию сернистых соединений, которые образуются при сгорании содержащейся в бензине серы, оказалась благородная платина. На долю катализаторов приходится до 60% себестоимости устройства. Именно благодаря им происходят необходимые химические реакции – окисление монооксида углерода (СО) и несгоревших углеводородов (СН), а также сокращение количества окиси азота (NOx). В трехкомпонентном нейтрализаторе платина и палладий вызывают окисление СО и СН, а родий ”борется” с NOx. Кстати, родий – субпродукт при получении платины – наиболее ценный в этой троице.

Чтобы увеличить площадь контакта каталитического слоя с выхлопными газами, на поверхность сот наносится подложка толщиной 20-60 микрон с развитым микрорельефом.

Как правило, носителем в нейтрализаторе служит спецкерамика — монолит со множеством продольных сот-ячеек, на которые нанесена специальная шероховатая подложка (рис.1). Это позволяет максимально увеличить эффективную площадь контакта каталитического покрытия с выхлопными газами — до величин около 20 тыс. м2. 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 ºС. 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. Именно поэтому так проблематично выглядит использование каталитических нейтрализаторов с керамическим носителем на карбюраторных двигателях.

Впрочем, все шире в качестве носителей каталитического слоя используются тончайшие металлические соты (рис.2). Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, получить меньшее противодавление, ускорить разогрев каталитического нейтрализатора до рабочей температуры и, главное, расширить температурный диапазон до 1000-1050ºС. Соты нейтрализаторов Metalit, изображенного на рисунке 2, сделаны из тонкостенного (толщиной всего 0,04 мм, а не 0,15 мм, как у керамики) листа хромоалюминиевой стали, для лучшей адгезии каталитического слоя легированной редкоземельным металлом иттрием. Такой нейтрализатор выдерживает пиковые температуры до 1300ºС.

Делают это на Западе, конечно же, не для применения карбюраторов — там они почти забыты. Просто с появлением современных двигателей, работающих на переобедненных смесях, растут требования и к каталитическим нейтрализаторам — они должны выдерживать более жесткие условия, которые керамике уже не по зубам.

Упрощенно ход реакций в нейтрализаторе выглядит так:

CH+O2 -> CO2+H2O; NO+CO -> N2+CO2;

CO+O2 -> CO2; NO+H2 -> N2+H2O.

В результате токсичные соединения CO, CH и NOx окисляются или восстанавливаются до углекислого газа СО2, азота N2 и воды Н2О (рис.3).

Широкое использование нейтрализаторов «взорвало» мировой рынок благородных металлов: 35% потребляемой платины, 45% палладия, 90% родия идет в автомобильные выпускные системы.

Разогрев каталитического нейтрализатора

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.

К 1995 году фирма ”Эмитек” разработала технологию подогрева катализатора мощным электрическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель катализатора ”6С” (или ”Эмикэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”. Подогреватель на металлической опоре крепится внутри катализатора (рис.4); его мощность – от 0,5 до 2, иногда 4 кВт, в зависимости от величины сопротивления (от 0,05 до 0,35 Ом). Для примера, элемент в 1,5 кВт разогревает катализатор до 400°С за 10 секунд.

Компания ЭCИA пошла другим путем и предложила пусковой катализатор. Он размещается в специальном ответвлении выпускной системы, имеет меньшие, чем основной, размеры и, стало быть, прогревается быстрее, после чего приводит в рабочее состояние ”старшего брата”.

Чтобы снизить вредные выбросы при пуске холодного двигателя, иногда применяют также встроенный в катализатор адсорбер углеводородов. Как только рабочая температура достигнута, последние ”освобождаются” и окисляются самим катализатором. Среди подобных устройств можно назвать нейтрализатор ”Эдкэт” фирмы ”Делфай” или ”Пума” фирмы ”Корнинг”.

Обратная связь

Трехкомпонентный нейтрализатор наиболее эффективен при определенном составе отработавших газов (рис.5). 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 (рис.6). Решение стало эпохальным.

В выпускной коллектор поместили специально разработанный кислородный датчик — так называемый лямбда-зонд (на Западе принято обозначать греческой буквой λ так называемый коэффициент избытка воздуха, то есть отношение стехиометрического состава смеси к текущему). 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 рис.7 изображен современный трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Второй кислородный датчик нужен для новейших систем бортовой диагностики OBD-II и отслеживает эффективность нейтрализации.

Впервые трехкомпонентные нейтрализаторы с обратной связью и кислородным датчиком появились на двигателях автомобилей Volvo в 1977 году. А сейчас ими оснащены все без исключения автомобили, которые продаются на рынках цивилизованных стран.

Кислородные датчики

Датчик кислорода (рис.8) — он же лямбда-зонд — устанавливается в выхлопном коллекторе таким образом, чтобы выхлопные газы обтекали рабочую поверхность датчика. Он представляет собой гальванический источник тока, изменяющий напряжение в зависимости от температуры и наличия кислорода выхлопной трубе. Материал его, как правило, керамический элемент на основе двуокиси циркония, покрытый платиной. Конструкция его предполагает, что одна часть соединяется с наружным воздухом, а другая — с выхлопными газами внутри трубы. В зависимости от концентрации кислорода в выхлопных газах, на выходе датчика появляется сигнал (рис.9). Уровень этого сигнала может быть низким (0,1…0,2В) или высоким (0,8…0,9В). Существуют также датчики сигнал на выходе, у которых изменяется от 0,1 до 4,9 В.

Таким образом, датчик кислорода — это своеобразный переключатель, сообщающий контроллеру впрыска о концентрации кислорода в отработавших газах. Контроллер принимает сигнал с лямбда-зонда, сравнивает его со значением, прошитым в его памяти и, если сигнал отличается от оптимального для текущего режима, корректирует длительность впрыска топлива в ту или иную сторону. Таким образом, осуществляется обратная связь с контроллером впрыска и точная подстройка режимов работы двигателя под текущую ситуацию с достижением максимальной экономии топлива и минимизацией вредных выбросов.

Бензиновому двигателю для работы требуется смесь с определенным соотношением воздух-топливо. Соотношение, при котором топливо максимально полно и эффективно сгорает, называется стехиометрическим и составляет 14,7:1. Это означает, что на одну часть топлива следует взять 14,7 частей воздуха. На практике же соотношение воздух-топливо меняется в зависимости от режимов работы двигателя и смесеобразования. Двигатель становится неэкономичным.

Коэффициент избыточности воздуха при работе двигателя постоянно меняется и диапазон 0,9 — 1,1 является рабочим диапазоном лямбда-регулирования. В то же время, когда двигатель прогрет до рабочей температуры и не развивает большой мощности (например, работает на холостом ходу), необходимо по возможности более строгое соблюдение равенства для того, чтобы трехкомпонентный катализатор смог полностью выполнить свое предназначение и сократить объем вредных выбросов до минимума.

Лямбда-зонды бывают одно-, двух-, трех- и четырехпроводные. Однопроводные и двухпроводные датчики применялись в самых первых системах впрыска с обратной связью (лямбда-регулированием). Однопроводный датчик имеет только один провод, который является сигнальным. Земля этого датчика выведена на корпус и приходит на массу двигателя через резьбовое соединение. Двухпроводный датчик отличается от однопроводного наличием отдельного земляного провода сигнальной цепи. Недостатки таких зондов: рабочий диапазон температуры датчика начинается от 300 ºС. До достижения этой температуры датчик не работает и не выдает сигнала. Стало быть, необходимо устанавливать этот датчик как можно ближе к цилиндрам двигателя, чтобы он подогревался и обтекался наиболее горячим потоком выхлопных газов. Процесс нагрева датчика затягивается, и это вносит задержку в момент включения обратной связи в работу контроллера. Кроме того, использование самой трубы в качестве проводника сигнала (земля) требует нанесения на резьбу специальной токопроводящей смазки при установке датчика в выхлопной трубопровод и увеличивает вероятность сбоя (отсутствия контакта) в цепи обратной связи.

Указанных недостатков лишены трех- и четырехпроводные лямбда зонды. В трехпроводный кислородный датчик добавлен специальный нагревательный элемент, который включен, как правило, всегда при работе двигателя и, тем самым, сокращает время выхода датчика на рабочую температуру. А так же позволяет устанавливать лямбда-зонд на удалении от выхлопного коллектора, рядом с катализатором. Однако остается один недостаток — токопроводящий выхлопной коллектор и необходимость в токопроводящей смазке. Этого недостатка лишен четырехпроводный лямбда-зонд — у него все провода служат для своих целей — два на подогрев, а два — сигнальные. При этом вкручивать его можно так как заблагорассудится.

Ресурс датчика содержания кислорода обычно составляет 50 — 100 тыс. км и в значительной степени зависит от условий эксплуатации, качества топлива и состояния двигателя. Повышенный расход масла, переобогащенная смесь и неправильно отрегулированный угол опережения зажигания сильно сокращают жизнь лямбда-зонду. Дольше служат, как правило, датчики с подогревом. Рабочая температура для них обычно 315-320°C. В конструкцию этих датчиков включен нагревающий элемент, имеющий на разъеме свои контакты. Проверку работоспособности нагревательного элемента таких датчиков можно производить обычным омметром. Сопротивление их обычно составляет от 3 до 15 Ом.

Правильно работающий лямбда-зонд может многое сказать о том, в каком состоянии находится двигатель и его системы. На некоторых автомобилях с помощью датчика можно достаточно точно отрегулировать содержание СО в выхлопных газах. Неисправный лямбда-зонд неминуемо вызовет повышенный расход топлива и снижение мощностных характеристик двигателя. Следует отметить, что далеко не все неисправности лямбда-зонда фиксируются блоком управления, а если фиксируются, то блок управления переходит в режим управления впрыском по усредненным параметрам, что тоже приводит к перечисленным выше результатам. Поэтому рекомендуется при малейших подозрениях провести диагностику, а при выявлении неисправности заменить лямбда-зонд.

Условия нормальной работы каталитических нейтрализаторов

В наши дни каталитические нейтрализаторы распространяются по странам и континентам. Докатились они и до российской глубинки. А здесь их часто встречают… свинцом и ломом. Причина в том, что для нормальной работы катализатора необходимо соблюдать пустяковые по европейским понятиям условия. Посмотрим, какие же это «пустячки».

Во-первых, как известно, даже случайная заправка бака этилированным бензином выводит катализатор из строя. Он окончательно «отравляется» свинцом — остается только выбросить прибор.

Во-вторых, катализатор эффективно работает только при строгом соблюдении состава топливной смеси — 14,7 весовых частей воздуха на одну часть бензина. Любой карбюратор, даже с электронной системой управления, такой точностью и быстродействием для поддержания требуемого состава смеси не обладает.

Таким образом, катализатор эффективен лишь в сочетании с системой впрыска топлива с электронным управлением. На автомобиле появился микропроцессор, который, анализируя данные о температуре, расходе воздуха через коллектор, оборотах и т.п., а главное — сигналы, поступающие от каталитического нейтрализатора, регулирует работу электромагнитных форсунок впрыска топлива. Однако в случае выхода из строя свечи зажигания, перебоев в подаче топлива и т.д. мгновенно нарушается тонкое равновесие состава рабочей смеси — катализатор теряет свою эффективность, причем в некоторых случаях навсегда. Поэтому микропроцессор контролирует работу систем и агрегатов автомобиля, а о неисправностях сообщает водителю.

Есть и еще одна проблема — каталитический нейтрализатор хорошо справляется с окислами азота, только когда их мало. Упрощенно картина такова: окислов азота тем больше, чем выше температура в камере сгорания, а чем она выше, тем больше КПД мотора. Для борьбы с окислами азота нашли простой выход. Соединили выпускной коллектор со всасывающим патрубком, направив часть выхлопных газов обратно в камеру сгорания со свежей рабочей смесью, что снижает наполнение цилиндров и, следовательно, мощность. Получается, что нейтрализатор вредит двигателю.

Но и мотор не остается в долгу. Явный вред катализатору приносит так называемое перекрытие клапанов — момент, когда одновременно открыты впускной и выпускной клапаны. В цилиндре возникает, так сказать, сквозняк: рабочая смесь вылетает в выхлопную трубу через открытый выпускной клапан и отравляет чувствительный катализатор. Однако перекрытие клапанов способствует лучшему наполнению цилиндров и повышению мощности мотора, поэтому пока ни один современный двигатель без этого не обходится. Здесь приведены лишь некоторые примеры, показывающие, что в автомобиле все не просто.

Информация о работе «Системы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе ДВС»

Раздел: Экология Количество знаков с пробелами: 40029 Количество таблиц: 5 Количество изображений: 18

Влияние выхлопных газов на здоровье человека

Выхлопная труба легкового автомобиля

У подвесных моторов выхлопные газы выбрасываются в воду, на многих моделях — через ступицу гребного винта
Наибольшую опасность представляют оксиды азота, примерно в 10 раз более опасные, чем угарный газ, доля токсичности альдегидов относительно невелика и составляет 4—5 % от общей токсичности выхлопных газов. Токсичность различных углеводородов сильно отличается. Непредельные углеводороды в присутствии диоксида азота фотохимически окисляются, образуя ядовитые кислородсодержащие соединения — составляющие смога.

Качество дожигания на современных катализаторах таково, что доля СО после катализатора обычно менее 0,1 %.

Обнаруженные в газах полициклические ароматические углеводороды — сильные канцерогены. Среди них наиболее изучен бензпирен, кроме него, обнаружены производные антрацена:

1,2-бензантрацен
1,2,6,7-дибензантрацен
5,10-диметил-1,2-бензантрацен

Кроме того, при использовании сернистых бензинов в отходящие газы могут входить оксиды серы, при применении этилированных бензинов — свинец (тетраэтилсвинец), бром, хлор, их соединения. Считается, что аэрозоли галоидных соединений свинца могут подвергаться каталитическим и фотохимическим превращениям, участвуя в образовании смога.

Длительный контакт со средой, отравленной выхлопными газами автомобилей, вызывает общее ослабление организма — иммунодефицит. Кроме того, газы сами по себе могут стать причиной различных заболеваний. Например, дыхательной недостаточности, гайморита, ларинготрахеита, бронхита, бронхопневмонии, рака лёгкого. Также выхлопные газы вызывают атеросклероз сосудов головного мозга. Опосредованно через легочную патологию могут возникнуть и различные нарушения сердечно-сосудистой системы. Также выхлопные газы повреждают ткани нервной системы и повышают риск развития деменции[1].

Отравления в замкнутом пространстве

Довольно часты случаи отравления выхлопными газами, в том числе с летальными исходами автомобилистов в гаражах, закрытых стоянках и внутри автомобилей (при утечке в салон), при плохой вентиляции. Также бывали случаи отравления выхлопными газами в квартирах домов, находящихся вблизи автостоянок (вдыхание выхлопных газов приводит к накоплению токсичных веществ в организме человека). Для борьбы с такими случаями вводятся строительные нормы вентиляции стоянок и сооружений, связанных с эксплуатацией и обслуживанием автомобилей.

Система зажигания

Система зажигания может воздействовать на выхлопную эмиссию двумя способами:

во-первых, за счет качества произведенной искры
во-вторых, выбором момента образования искры

Качество искры будет определять ее способность зажечь смесь. Продолжительность искры, в частности, существенна при воспламенении более бедных смесей. Более сильная искра уменьшает вероятность осечек, которые могут привести к увеличению выброса углеводородов.

Рис. Влияние времени зажигания на эмиссию выбросов и потребление топлива

Понятно, что выбор момента зажигания является критическим фактором, и как всегда этот выбор является компромиссом между мощностью, ходовыми качествами автомобиля, потреблением топлива и эмиссией. На рисунке приведен график, показывающий влияние выбора момента зажигания на эмиссию и потребление топлива. Образование угарного газа зависит практически практически только от состава топливной смеси и лишь незначительно от выбора момента зажигания. Электронные и программные системы зажигания внесли существенный вклад на пути к достижению уровней эмиссии сегодняшних двигателей.

Пути снижения выбросов и токсичности

Стимулом к сокращению объёмов предполагается

заинтересованность в сокращении расхода топлива (крупная статья расходов в автомобильном транспорте).

Колоссальное влияние на количество выбросов (не считая сжигания топлива и времени) играет организация движения
автомобилей в городе (значительная часть выбросов происходит в «пробках» и перед светофорами[
источник не указан 2249 дней
]). При удачной организации возможно применение менее мощных двигателей, при невысоких (экономичных) промежуточных скоростях.
Существенно снизить содержание углеводородов в отходящих газах, более чем в 2 раза, возможно применением в качестве топлива
попутных нефтяных (пропан, бутан), или природного
газов
, при том, что главный недостаток природного газа — низкий запас хода, для города не столь значим.
Кроме состава топлива, на токсичность влияет состояние и настройка двигателя
(особенно дизельного — выбросы сажи могут увеличиваться до 20 раз и карбюраторного — до 1,5—2 раз изменяются выбросы оксидов азота).
Значительно снижены выбросы (снижен расход топлива) в современных конструкциях
двигателей с инжекторным питанием стабильной стехиометрической смесью неэтилированного бензина с установкой нейтрализатора, газовых двигателях, агрегатах с нагнетателями и охладителями воздуха, применением гибридного привода. Однако подобные конструкции сильно удорожают автомобили.
Испытания SAE показали, что эффективный способ снижения выбросов окислов азота (до 90 %) и в целом токсичных газов — впрыск в камеру сгорания воды
.

Выбор момента и длительности открытия клапана

Влияние момента срабатывания клапана на состав выхлопа может быть весьма значительным. Один из главных факторов — продолжительность перекрытия клапанов. Это время, в течение которого впускной клапан уже открыт, но выпускной клапан еще не закрыт. Продолжительность этой фазы определяет количество выхлопного газа, остающегося в цилиндре, когда выпускной клапан наконец закрывается. Этот газ оказывает существенное влияние на температуру реакции (больше выхлопного газа — ниже температура), и, следовательно, на эмиссию NOx. Главное противоречие здесь в том, что на более высоких скоростях увеличение фазы впуска увеличивает развиваемую мощность. С другой стороны, это вызывает большее перекрытие клапанов и на холостом ходу, что может значительно увеличивать эмиссию углеводородов. Это противоречие привело к введению электронных систем управления моментом и продолжительностью открытия клапанов.

Законодательное регулирование

Контролируется качественный состав
изготавливаемого и реализуемого
топлива
(в России это стандарты на топливо, региональные требования, в Европе — нормативы ЕВРО).
Предусмотрен контроль над состоянием и регулировками
автомобилей. В России является обязанностью органов технического осмотра ГИБДД периодически контролировать доли оксидов углерода и углеводородов в выхлопе на двух частотах вращения, состояние предусмотренных систем нейтрализации на бензиновых двигателях (по ГОСТ Р 52033-2003), на газобаллонных (по ГОСТ Р 17.2.02.06-1999) и дымность на дизельных двигателях (по ГОСТ Р 52160-2003). Двухтактные двигатели не проходят никакую из этих проверок[
источник не указан 817 дней
].
В России вводятся повышенные ставки транспортного налога на мощность
двигателя автомобиля.
Топливо облагается специальными акцизами
.
Предусмотрены нормативы на выпускаемые автомобили
. В России и европейских странах приняты стандарты ЕВРО, задающие как токсичность, так и количественные показатели, например: По Евро-3 выбросы: СН до 0,2 г/км, CO до 2,3 г/км и NOy до 0,15 г/км
По Евро-4 выбросы: СН до 0,1 г/км, CO до 1,0 г/км и NOy до 0,08 г/км

В некоторых регионах вводятся ограничения на движение
большегрузного автотранспорта (например, в г. Москве).

Решение для промышленности: селективная каталитическая очистка

Селективное каталитическое восстановление (SCR) NOx соединениями азота, такими как аммиак или мочевина зарекомендовало себя при применении в промышленных стационарных установках. Технология впервые была применена на теплоэлектростанциях в Японии в конце 1970-х годов, а затем с середины 1980-х годов получила широкое распространение в Европе.

В установках SCR можно использовать две формы аммиака: чистый безводный аммиак и водный. Первая разновидность токсична, опасна и требует высокого давления в резервуарах для хранения и в трубопроводах. Водный аммиак NH3H2O менее опасен и прост в эксплуатации. Типичный промышленный сорт аммиака, содержащий около 27% аммиака и 73% воды по массе, имеет давление пара, близкое к атмосферному, при нормальной температуре и может безопасно циркулировать в инженерных сетях промышленного предприятия.

Выгодная альтернатива или рациональное дополнение: фильтр для очистки выбросов

Дизельные сажевые фильтры (DPF) — это устройства, которые физически улавливают отработанные частицы и предотвращают их выброс в атмосферу. Разработаны фильтрующие материалы, которые демонстрируют:

высокую эффективность фильтрации, превышающую 90%,
стойкость к механическим повреждениям;
термическую устойчивость.

Дизельные сажевые фильтры – недорогая, но эффективная технология для контроля выбросов сажевых частиц, включая массу и количество частиц. Установки – оптимальное решение для контроля твердой фракции углеводородных выбросов, включая элементарный углерод (сажу) и связанные потоки черного дыма. Фильтры могут иметь ограниченную эффективность или быть полностью неэффективными в контроле над твердыми фракциями выбросов ТЧ органической фракции (OF) и сульфатных частиц.

Стандартные методы – гравитационное осаждение, центробежное разделение или электростатическое улавливание на производствах не используются. Причина — малый размер частиц и низкая плотность дизельной сажи. В условиях серийного и крупносерийного производств рекомендовано использовать катализаторы окисления элементов (частичные фильтры). Они могут улавливать частицы дизельного топлива и обеспечивают гораздо более высокую общую эффективность, чем простые механические фильтры.

Из-за низкой объемной плотности улавливаемых компонентов (в среднем 0,1 г / см3), сажевые фильтры быстро накапливают значительные объемы сажи. Для сравнения — двигатель грузовика или автобуса старшего поколения выделяет порядка 1л сажевых частиц. Воздухонепроницаемый слой вызывает падение давления выхлопных газов в фильтре и отрицательно сказывается на работе двигателя.

Дизельные сажевые фильтры должны обеспечивать удобство удаления твердых частиц из фильтрующего слоя для восстановления его пропускной способности. Регенерация узла выполняется регулярно во время профилактических работ или периодически, после накопления мешающего нормальной работы двигателя количества сажи.