ОСВЕЖИТЬ ДЫХАНИЕ
ОСВЕЖИТЬ ДЫХАНИЕ
ТЕХНИКА
Обозрение
ОСВЕЖИТЬ ДЫХАНИЕ
Ровно два года вспять мы обращались к дилеммам экологического совершенствования стальных жеребцов (ЗР, 1998, № 12). За таковой маленький срок многообещающие нормы сделались действующими, появились новые требования: авто поднялись на еще одну ступень экологической лестницы и готовятся сделать последующий шаг.
Алексей ВОРОБЬЕВ-ОБУХОВ
ПРОТИВОГАЗ НА ВЫХЛОПНОЙ ТРУБЕ
В 1975-м на американских машинах в первый раз появилась дорогая игрушка - каталитический нейтрализатор в выпускном тракте. Глиняная "губка", покрытая драгоценными металлами, превращает ядовитый угарный газ в СО2. Но устройство отлично работает исключительно в определенных критериях: состав рабочей консистенции должен быть близок к стехиометрическому, другими словами коэффициент излишка воздуха l=0,98...1,01! Склонному к сбоям карбюратору пришлось дать отставку и вспомнить о издавна выдуманном, но тогда еще не нашедшем широкого внедрения на автомобилях впрыске горючего (ЗР, 2000, № 8). Он обзавелся бессчетными датчиками, электрическими форсунками и, самое главное, электрическими "мозгами". Конкретно в этом ключ к стабильности работы, поддержанию данных характеристик. И еще - в оборотной связи по... составу выхлопных газов. Для этого в выпускном коллекторе устанавливают датчик кислорода (лямбда-зонд), напряжение на котором резко падает в момент перехода от богатой к бедной консистенции.
Стали ли авто с впрыском лучше ездить? Никак. Стандартные программки, зашитые в блок управления, к примеру, не позволят очень резко прибавить либо скинуть газ: экология! Зато полностью простят маленькие вольности с октановым числом бензина, не допустят провалов и рывков при резких движениях педалью акселератора.
Вернемся, но, к нейтрализатору. В 1977-м к нему добавили "противоазотную" секцию, а еще через несколько лет соединили все в едином корпусе, дав неверное заглавие "трехступенчатый" нейтрализатор. По сути идет речь не о ступенях, а о 3-х подавляемых классах вредных веществ. К 1990 году нейтрализатор переехал впритирку к выпускному коллектору, чтоб резвее греться до рабочих 300°С - тем уменьшили вредные выбросы на стадии прогрева. Через 5 лет появился мощный электроподогрев, приводящий нейтрализатор "в чувство" за 10 секунд (!). Правда, пришлось установить дополнительную аккумуляторную батарею, но чего не сделаешь ради чистоты среды! (Своей "спиралью" обзавелся и лямбда-зонд, также не работающий в прохладном состоянии). Ну и, в конце концов, в 2000 году появилась цеолитовая ловушка углеводородов (СН), задерживающая их при пуске мотора и только после нагрева до 220°С отдающая на "съедение" готовому к работе катализатору. Эта предложенная "Хондой" новинка позволила уже сейчас с лихвой перевыполнить даже многообещающий калифорнийский эталон SULEV (СО - 0,1 г/км, СН - 0,002 г/км!).
Совершенствуется и сам нейтрализатор. Еще не так давно его губка делалась из вспененной керамики, но вероятное при всем этом количество ячеек - около 60 на 1 см2 - уже не устраивает конструкторов. Компания "Эмитек" разработала "набивку" из тонкой (25 мкм) железной фольги "Алюхром" с в три раза большей плотностью ячеек и еще наименьшим сопротивлением. Правда... она на столько же дороже.
Обширное внедрение нейтрализаторов "подорвало" мировой рынок великодушных металлов: 35% потребляемой платины, 45% палладия, 90% родия идет в авто выпускные системы. Выручают ЮАР и, как обычно, Наша родина.
НЕ НЕЙТРАЛИЗАТОРОМ ЕДИНЫМ...
Недешевые датчики кислорода стали плодиться, измеряя состав выхлопа до и после каждой составной части системы нейтрализации. Сейчас, если по некий причине драгоценное платиновое покрытие закончит делать свои функции, 2-ой лямбда-зонд включит на панели устройств тревожный сигнал. Более того, появились так быстродействующие датчики кислорода (работающие на других, чем лямбда-зонд, принципах), что стало вероятным выслеживать процесс сгорания топливной консистенции в каждом цилиндре!
Перерабатывая ядовитые вещества в выхлопе, конструкторы параллельно улучшали рабочий процесс, чтоб "убить неприятеля в эмбрионе". Рвение к экономичности и сразу чистоте выхлопа вызвало к жизни системы конкретного впрыска бензина. Застрельщиками тут были жители страны восходящего солнца ("Мицубиси").
Работа на сверхбедных рабочих консистенциях, когда в цилиндрах переизбыток воздуха, вывела на 1-ый план делему "утилизации" окислов азота. Борются с ними, снижая температуру горения рециркуляцией выхлопных газов (часть возвращают во впускной коллектор) и применяя накопительный нейтрализатор, за состоянием которого смотрит электроника. Как его элемент переполнится вредными окислами, движок на короткий срок перебегает на обогащенную смесь, что увеличивает температуру выхлопных газов и разлагает NOх.
По сути не все так просто. К примеру, увеличивая долю возвращаемых в цилиндр выхлопных газов (в неких режимах - до 60%), так снизили температуру, что... движок стал с трудом прогреваться. Чтоб не одевать его (и себя) зимой в тулуп, пришлось ставить теплообменники, передающие тепло "Тосолу" конкретно от системы выпуска (ЗР, 2000, № 6).
Еще проблема - сера в горючем. Не достаточно того, что она возникает в выхлопе в виде ядовитейшего сернистого газа SO2. Сера понижает эффективность накопительного нейтрализатора, заставляя электронику то и дело переключаться на режим выжигания, сводит на нет достигнутую было экономию горючего. К битве за незапятнанный воздух пришлось подключаться нефтяникам. Появились сорта бензина и солярки, в каких серы практически нет. Отлично? Для бензинового мотора - да. А вот высоконагруженным топливным насосам дизелей так не показалось: лишенные серы сорта горючего закончили смазывать их Ремонт и эксплуатация. Пришлось разрабатывать и вводить особые безобидные присадки.
Изготовлено С Разумом
Но трудности преодолимы, и наши скандинавские соседи проявили в Париже, что конкретный впрыск может работать по-иному. Если в обыденных движках горючее подается во время такта впуска, в моторах с конкретным впрыском - в конце такта сжатия, то инженеры СААБ вводят бензин... на выпуске, незадолго до прихода поршня в ВМТ! Вышел рабочий процесс, когда бензин и незапятнанный воздух находятся в соотношении 1:14,7, другими словами l=1 (что позволяет обойтись обыденным нейтрализатором - нет заморочек с NOх!) и в то же время смесь "бедная", если учитывать, что 60-70% объема занимают инертные отработавшие газы, попадающие в цилиндр без всякой рециркуляции. Новый движок вместе с обычным нейтрализатором укладывается в калифорнийские нормы ULEV, что покруче Евро IV. И даже сера в бензине ему не помеха.
ДИЗЕЛЬ: ОТКАЗ ОТ ЭКЗОТИКИ
Престарелые грузовики дымят не чем другим, как канцерогенной сажей. Если в 1976 году допускалось выкидывать в атмосферу до 1 г несгоревших частиц на 1 км пробега, то сейчас трехлитровый "Фольксваген-Лупо", выполняющий требования Евро IV, источает их только 0,023 г! Правда, для этого пришлось поднять давление впрыска до невообразимых 2000 атм, когда даже металл трубопроводов становится "мягеньким".
В дизельном движке горючее впрыскивается в цилиндр, уже заполненный раскаленным сжатым воздухом и на образование "правильной" горючей консистенции просто не остается времени. Даже при тончайшем распылении (зачем и увеличивают давление) не все наночастицы горючего успевают обзавестись необходимым количеством молекул кислорода - вот вам и сажа. Понижение температуры в цилиндре по бензиновому рецепту только усугубляет картину. Вообщем, основное противоречие дизеля, которое еще никто до конца не разрешил, - меж понижением выбросов сажи и окислов азота: улучшая один параметр, безизбежно портим 2-ой.
Компании, пропагандирующие экономные легковые дизели, ради экологии пускаются во все тяжкие. К примеру, предлагают устанавливать дополнительные бачки с дорогими реактивами, снижающими температурный порог разложения накопившейся в особом нейтрализаторе сажи ("Peugeot 607").
"Тойота" разработала свою, более эффективную систему чистки, нареченную DPNR. Она сразу обезвреживает и канцерогенные частички сажи, и просто вредные окислы азота (о СН и СО сейчас гласить уже постыдно - пройденный шаг). Главную роль играет новый микропористый глиняний фильтр, покрытый слоем накапливающего азот материала и катализатором на базе платины. Во время работы мотора на бедной консистенции частички сажи окисляются (читай - выгорают) атомарным кислородом, освобождающимся при соединении NO и О2 из выхлопных газов в процессе скопления NO2. Временами, когда компьютер краткосрочно обогащает смесь, эти частички окисляются кислородом, возникающим сейчас уже при разложении скопленных окислов в безобидный азот.
DPNR показала понижение содержания сажи и NOх на 80% по сопоставлению с действующими сейчас нормами, но применима только для дизелей последнего поколения, работающих с системой "коммон рейл" высочайшего давления на горючем с пониженным содержанием серы.
Другой ПУТЬ К "Зеленоватому МИРУ"
Сейчас более сложна, но, борьба с СО2, виновником "парникового" эффекта. По правде, что бы ни горело, углекислый газ всегда выделяется. Вот если б окислять водород, получая на выпуске воду... И здесь на пятки движку внутреннего сгорания наступает электромотор: получать энергию он мог бы от топливных частей, питающихся водородом. Но заправляться этим газом пока очень недешево и хлопотно. А если получать водород прямо на борту - в особом каталитическом реакторе-реформере? Здесь в качестве первичного горючего подойдет чуть не хоть какой "растворитель": спирт, метанол, бензин... Да-да, наш старенькый возлюбленный бензин, при этом непринципиально, с каким октановым числом, только бы без примесей вроде серы.
Нефтяные компании "Эссо", "Мобил" и "Экссон-Мобил" совместно с "Дженерал моторс" ведут насыщенные исследования, чтобы продлить жизнь бензина как горючего грядущего. Не так давно объявлено о прорыве: сотворен реформер с КПД около 80% для питания водородом топливного элемента мощностью 25 кВт. Результатом явится автомобиль, работающий на классическом бензине, но... без бензинового двигателя! Выброс - только углекислый газ (ну и то в наименьшем, чем обычно, количестве) и вода. Кажется, это промежуточное решение удовлетворит всех: и экологов, и нефтяников, и автопроизводителей. Какие перемены оно сулит всем, кто пользуется машинами? Может быть, лет через 10 узнаем об этом наверное - по собственному опыту...
Мы очень возлагаем надежды, что прочитавший этот материал не будет считать экологические трудности дальними от реальной жизни. Напротив, неувязка для Рф стоит даже острее, чем для издавна озабоченных ею высокоразвитых государств, - сравните-ка среднюю длительность жизни у нас и в Европе! Незапятнанный воздух, высококачественные продукты питания в особенности важны нашим - вашим и моим - детям, здоровье которых только закладывается. Пусть и они успеют понянчить внуков и правнуков, расслабленно ездят мимо пустующих корпусов онкоцентра в собственный пригородный дом в зеленоватом лесу. Думаете, еще одна притча? Так создадим ее бывальшиной! Слабо?
Лямбда-окно: только газ от таковой консистенции обезвредит нейтрализатор.
"Система чистки" "Хонды" работает всегда.
ТАК РАБОТАЕТ SCC (SAAB Combustion Control) из ШВЕЦИИ
а) Выброс еще не завершился, а порция бензина уже впрыскивается, и в дополнение к выпускному открылся впускной клапан. Бурно испаряющееся (газы очень горячи), но не воспламеняющееся (кислорода-то нет!) горючее... вылетает в оба коллектора...
б) ...Правда, неподалеку - начинается всасывание. Сначала смесь паров бензина и отработавших газов из-за большего давления в выпускном тракте устремляется во впускной коллектор,
в) но здесь выпускной клапан запирается и передвигающийся вниз поршень засасывает из впускного коллектора тройную смесь бензина, ОГ и воздуха назад в цилиндр.
г) Такт сжатия ничем не отличается от обыденного, разве что на полпути поршня ввысь через форсунку подается импульс сжатого воздуха для возбуждения вихревого процесса в цилиндре.
д) Сейчас настало время искры. И здесь - все особенно. Во-1-х, свеча изготовлена заодно с форсункой. Во-2-х, искровой зазор изменяется зависимо от режима работы мотора. При частичной нагрузке, когда в цилиндре больше выхлопных газов, искра "лупит" на боковой электрод через зазор 3,5 мм! Такая молния с энергией разряда 80 мДж зажжет, пожалуй, и "негорючую" смесь.
е) А вот при полной нагрузке угол опережения зажигания, как обычно, миниатюризируется и функцию электрода берет на себя "гребешок" в центре поршня, который успевает подойти к свече поближе. (Эта мысль, кстати, была предложена на СААБе еще в 1995-м во Франкфурте, а с форсункой посодействовал австралийский "Орбитал".)
"Хим завод" системы DPNR.
ЕВРОПЕЙСКИЕ И КАЛИФОРНИЙСКИЕ (LEV, ULEV, SULEV) Эталоны
Нормы Двигатель внутреннего сгорания Дизельный движок
токсичности СО СН NOx СО NOx СН+NOx Сажа
Евро III, с 2000 г. 2,3 0,2 0,15 0,64 0,5 0,56 0,05
Евро IV, с 2005 г. 1,0 0,1 0,08 0,5 0,25 0,30 0,025
LEV 2,1 0,2 0,15
ULEV 1,0 0,02 0,03
SULEV, с 2004 г. 0,62 0,006 0,0125 0,006
Направьте внимание: все характеристики абсолютные - они стимулируют производителей, не считая всего остального, сокращать рабочий объем движков, повышая их эффективность. Беря во внимание, что измерения выполняются в течение 20 минут на различных режимах, включая запуск при -7°С, замеры русских экологических постов - детская забава по сопоставлению с забугорными требованиями.