Конструктивные усовершенствования двигателей

Нейтрализатор типа НД-38А, в соответствии с рисунком 8, - для дизелей мощностью 184-240 кВт, с расходом ОГ до 1570 кг/ч, предназначен для установки также на различных автомобилях-самосвалах БелАЗ (на автомобилях с двигателем мощностью 368-490 кВт устанавливаются по два нейтрализатора такого типа).

Рисунок 8 - Нейтрализатор НД-38А

Нейтрализатор работает следующим образом.

ОГ поступают во внутреннюю полость блока реакторов 4, затем проходят через неподвижный слой катализатора 5 и - на выход. Блок реакторов одним концом неподвижно закреплен на фланце 3 корпуса 6. Другой его конец входит штуцерами в отверстия выходного фланца. Реактор представляет собой прямоугольный параллелепипед, заполненный катализатором через засыпные отверстия штуцера, которые закрываются пробками 10. Для замены катализатора необходимо демонтировать нейтрализатор с автомобиля, отвернуть заглушки 9 со штуцеров, извлечь пробки 10 и высыпать катализатор. Засыпав свежий или регенерированный катализатор, повторить операции в обратном порядке.

Технические данные нейтрализатора: длина - 817 мм, ширина - 380 мм, высота - 350 мм, диаметр входного и выходного отверстия - 136 мм. Объем одного реактора - 5 дм3, число реакторов - 4, катализатор - ШПК-1. Масса сухого катализатора - 19,5 ±0,5 кг, масса заправленного нейтрализатора - 80 кг. Газодинамическое сопротивление нейтрализатора при расходе ОГ 1570 кг/ч - 4,9 кПа. Степень очистки на свежем катализаторе при достижении температуры ОГ 573 К и выше: по СО – 85-95, по углеводородам – 80-85%. Ресурс нейтрализатора - 40 тыс. км пробега с заменой через 20 тыс. км катализатора на свежий или регенерированный.

Как показал опыт эксплуатации этих каталитических нейтрализаторов, их конструкция и эффективность работы отвечают лучшим мировым образцам.

Проблема нейтрализации ОГ актуальна и при проведении технического обслуживания и текущих ремонтов АТС. При постановке АТС на посты ТО и TP и проведении различных регулировочных, диагностических и других работ выбросы ВВ в рабочих зонах превышают ПДК в несколько раз.

Это касается и двигателей АТС, работающих в помещениях (например, автопогрузчики) с недостаточной вентиляцией.

Один из способов - нейтрализация продуктов неполного сгорания путем дожигания их в выпускной системе в присутствии дополнительного воздуха, подаваемого к ОГ. На практике для этого применяют термические реакторы.

Второй способ частично рассмотрен выше - это каталитические дожигатели ОГ в выпускной системе, позволяющие окислять продукты неполного сгорания и восстанавливать оксиды азота.

Термическая нейтрализация. Окисление продуктов неполного сгорания происходит и в выпускной системе обычного двигателя. Но окисление СО и CnHm может быть значительно усилено с помощью термического реактора. Его функции заключаются в быстром перемешивании горячих ОГ с кислородом воздуха, дополнительно подаваемого в выпускную систему, а также поддержании высокой температуры в течение времени, необходимого для окисления большей части СО и CnHm, содержащихся в ОГ.

Процесс дожигания продуктов неполного сгорания во многом определяется количеством дополнительного воздуха, подаваемого в реактор. Наилучшие результаты получены при 20% избыточного воздуха в смеси газов, проходящих через реактор. Количество подаваемого воздуха постоянно меняется в зависимости от режима работы двигателя. При работе двигателя на богатых смесях подача воздуха увеличивается, при работе на бедных смесях - уменьшается.

Объем реактора определяет продолжительность реакции. Чем выше объем, тем эффективнее протекает процесс окисления.

Лабораторные испытания и опыт эксплуатации термических реакторов показали, что у оборудованных ими автомобилей содержание СО в ОГ не превышает 0,5 %, а содержание CnHm – 50-80 млн-1. Однако 100%-ное окисление СО и CnHm недостижимо из-за неполного перемешивания смеси ОГ с воздухом.

Термические реакторы отличаются большим сроком службы, и эффективность их работы по мере увеличения пробега автомобиля не снижается. Еще одно важное достоинство термической нейтрализации заключается в том, что термический реактор невосприимчив к ОГ двигателя, работающего на этилированном бензине.

К основным недостаткам этого метода уменьшения токсичности ОГ можно отнести необходимость применения специальных жаропрочных материалов для изготовления реактора, некоторое уменьшение мощности двигателя и увеличение удельного расхода топлива (до 16%) вследствие возрастания сопротивления выпуска. Установка термического реактора требует также довольно много места в моторном отсеке, так как он должен располагаться рядом с головкой блока цилиндров двигателя.

В соответствии с таблицей 5, указаны выбросы ВВ АТС с бензиновыми двигателями.

Таблица 5 - Пробковые выбросы и расход топлива легковыми ТС с бензиновыми двигателями, оснащенными разными системами нейтрализации

Жидкостная нейтрализация. Принцип работы жидкостных нейтрализаторов основан на растворении или химическом связывании токсичных компонентов при пропускании ОГ через жидкость соответствующего состава.

Устройство и принцип работы жидкостного нейтрализатора пояснены на схеме, приведенной, в соответствии с рисунком 9. ОГ из выпускной трубы 1 поступают в коллектор 8 и через отверстия в нем выходят в нейтрализующую жидкость, в которой происходит очистка газа от токсичных компонентов. Затем газы через фильтрующий слой (из брикетированной металлической стружки 6 и сепаратор 5, в которых задерживается влага, захваченная газом при проходе через жидкость, поступают в атмосферу. Раствор в рабочий бак 7 заливается из дополнительного бака 3.

Существуют различные схемы жидкостных нейтрализаторов, но принцип работы тот же, что описан выше. В качестве рабочей жидкости в этих нейтрализаторах исследовались вода и водные растворы различных веществ.

Благодаря жидкостным нейтрализаторам в ОГ уменьшается содержание оксидов азота (до 30%), альдегидов (до 50%), сажи (60-80%), бенз(а)пирена, снижается интенсивность запаха.

Применяются и жидкостные нейтрализаторы, действие которых основано на поглощении токсичных компонентов жидкостью. Но в связи с большими размерами, необходимостью частой замены жидкости и малой эффективностью жидкостные нейтрализаторы распространения не получили. Наряду с вышеуказанными применяются также и различные комбинированные системы нейтрализации ОГ.

Рисунок 9 - Схема жидкостного нейтрализатора НТЖ-2: 1 - выпускная труба; 2 - перепускной кран; 3 - дополнительный бак; 4 - заливная горловина; 5 - сепаратор; 6 - металлическая стружка; 7 - рабочий бак; 8 - коллектор; 9 - пробка сливного отверстия; 10 - перегородки

Комбинированные системы нейтрализации. Различия в механизме образования и нейтрализации основных токсичных веществ (СО, СН, NOx, сажа и т.д.), содержащихся в ОГ двигателей, приводят в большинстве случаев к тому, что как воздействие на рабочий процесс и конструкцию двигателей, так и применение определенных систем нейтрализации вызывают уменьшение выделения одних и увеличение выделения других токсичных веществ. Поэтому для существенного уменьшения токсичности по всем этим токсичным компонентам целесообразно применять различные комбинации рассмотренных выше способов уменьшения токсичности двигателей. При этом могут сочетаться как устройства для уменьшения токсичности воздействием на рабочий процесс и конструкцию двигателя, так и различные нейтрализаторы ОГ, встраиваемые в его выпускную систему.

В зависимости от конкретных требований, определяемых назначением автомобиля, в комбинированную систему могут входить различные устройства.

Перечисленные способы нейтрализации ОГ в выпускной системе отличаются значительной сложностью конструкции и высокой стоимостью, из-за того, что в них используются драгоценные металлы. Катализаторы «отравляются» всеми газами и веществами, проходящими через них (свинец, ртуть, фосфор, вода, кислород и др.), что уменьшает и без того малый срок службы катализаторов.

В отличие от зарубежных стран, в России автомобили общетранспортного назначения с системами нейтрализации ОГ, сажевыми фильтрами, как наиболее эффективными средствами снижения выбросов, в настоящее время серийно для внутреннего рынка не производятся, хотя налажен выпуск каталитических нейтрализаторов для тяжелых дизельных автотранспортных средств, работающих в карьерах, шахтах, рудниках.

Зарубежный парк бензиновых автомобилей, оснащенных системами нейтрализации ОГ (СНОГ) с нейтрализаторами окислительного типа или трехкомпонентными нейтрализаторами с кислородным датчиком обратной связи, в настоящее время превышает 100 млн штук.

В нашей стране, прежде всего из-за отсутствия в достаточных объемах неэтилированного бензина и экономической незаинтересованности владельцев ТС в использовании

СНОГ, такие системы (окислительного типа) находятся только в опытной эксплуатации. Отечественные конструкции трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов, без которых невозможно выполнение сегодняшних норм США и перспективных норм выбросов в других развитых странах, проходят стадию лабораторных испытаний.

Поэтому устанавливать на ДВС дополнительные устройства для уменьшения токсичности ОГ следует только при крайней необходимости, в случае, если исчерпаны все возможности достижения удовлетворительного состава путем конструктивных доработок и регулировок двигателя.

3 Уменьшение токсичности отработавших газов путем совершенствования систем зажигания и подачи топлива двигателей

Так как традиционный распределитель-прерыватель не всегда надежно осуществляет зажигание смеси, что сопровождается повышением содержания в выхлопе продуктов неполного сгорания, то необходимо улучшать систему зажигания. Первый способ - применение бесконтактного электронного зажигания, которое обеспечивает более мощный разряд на свечах зажигания и отличается большей стабильностью работы. Эта система дополняется микро-ЭВМ, которая автоматически изменяет момент опережения зажигания смеси в зависимости от нагрузки на двигатель и скорости движения, оптимизирует расход топлива и состав ОГ. Второй способ - форкамерное (факельное) зажигание. Сущность способа состоит в том, что в малой форкамере богатая смесь поджигается электрической искрой, а образующийся при этом мощный факел пламени зажигает основную часть более бедной рабочей смеси в цилиндре, что сопровождается улучшением сгорания топлива. Такие двигатели позволяют уменьшить выброс всех токсичных компонентов при экономии до 10% топлива.

Совершенствование процессов подачи топлива достигается рядом приемов. Первый - разработка карбюратора, способного готовить необходимый состав рабочей смеси для любого режима работы двигателя. Второй - изменение клапанного механизма с целью более тонкого распыления и лучшего перемешивания смеси при поступлении ее в цилиндр. Третий прием - непосредственный впрыск топлива во впускной трубопровод или в цилиндры. При этом способе не наблюдается оседания топлива в виде капель на стен­ках впускного трубопровода. Система непосредственного впрыска особенно эффективна в сочетании с электронным управлением, которое автоматически дозирует топливо в зависимости от режима работы двигателя. Установлены не только снижение токсичности газов и экономия топлива, но и повышение мощности двигателей на 10-20%.

Кстати, на автомобилях Mercedes E4MATIC устанавливаются новые V-образные шестицилиндровые моторы объемом 2,8 и 3,2 л и мощностью соответственно 204 и 224 л.с. Новая конструкция с двумя свечами и тремя клапанами на цилиндр позволила оптимизировать процесс сгорания топлива и снизить выбросы вредных веществ: теперь их в ОГ на 50% меньше, чем допускают нынешние требования Euro2. «Мерседесовцы» говорят, что могут подогнать двигатели под нормы Euro З и Euro 4. Расход топлива уменьшился на 13 %. Эксплуатационные расходы при пробеге 120 тыс. км снизились на 29%.

Заключение

Статистические данные показывают, что количество автомобилей в мире с каждым годом увеличивается, что в свою очередь приводит к увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу. Особенно остро это ощущается в крупных городах.

Оксиды углерода, азота, серы, углеводороды, содержащиеся в составе отработавших газов негативно влияют на состоянии здоровья населения: повышается число людей страдающих респираторными заболеваниями. С каждым годом эти показатели только возрастают.

Проведя анализ основных направлений снижения токсичности отработавших газов можно сказать, что существенных положительных сдвигов в этом направлении можно добиться действуя по всем направлениям: законодательное регулирование должно подстегивать совершенствование экологических характеристик транспортных средств, также способствовать поиску эффективных альтернативных решений данного вопроса. На сегодняшний день все эти меры принимаются. С каждым годом совершенствуются нормативы ЕВРО, позволяющие существенно сократить количество вредных выбросов в атмосферу. В то же время предпринимаются попытки создания экологически чистых двигателей, работающих на альтернативных видах топлива, таких как биодизельное топливо, водород, электричество, пропан, метанол и этанол. Немалое значение для снижения количества вредных выбросов в атмосферу имеет рациональная организация движения автотранспорта. И, конечно же, важна роль совершенствования технических характеристик автомобиля, в частности, совершенствование системы питания.