Совершенствование систем питания как способ уменьшения токсичности ОГ

Совершенствование систем питания  как способ уменьшения токсичности  ОГ.

Перспективные направления.

   Методы, используемые для снижения токсичности отработавших газов двигателей с искровым зажиганием, делятся на две основные категории: конструктивные методы и очистка отработавших газов. Основные промышленно развитые страны стремятся внедрить у себя строгие нормы предельной токсичности отработавших газов. Выполнение этих норм требует использования систем снижения токсичности, включающих трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, который уже доказал свою эффективность в США, Европе и Японии.

Снижение токсичности  методом дозирования топлива. Рабочая смесь, качество которой определяется коэффициентом избытка воздуха λ, оказывает решающее влияние на состав отработавших газов. Двигатель обеспечивает получение максимального крутящего момента при λ = 0,9 – эта величина обычно программируется для режима полной нагрузки двигателя. Оптимальная топливная экономичность достигается при смесях, характеризующихся λ = 1,1. Это совпадает с возможностью получения низких выбросов CO и CH. Однако выбросы оксидов азота (NOx) при этом оказываются максимальными. Коэффициент избытка воздуха λ = 0,9 … 1,05 выбирается для режима холостого хода двигателя. Слишком обедненная смесь приводит к появлению пропусков воспламенения, а так как смесь постепенно обедняется и далее, это влечет за собой быстрое увеличение выбросов СН. Для предотвращения работы двигателя на сверхвысоких оборотах, когда требуется постоянное использование богатой смеси, осуществляется полное прекращение подачи топлива к двигателю. Системы впрыска топлива позволяют добиться более точного контроля за составом смеси и значительно снизить количество выбросов отработавших газов.

Снижение токсичности  отработавших газов точным смесеобразованием. Однородность смеси, ее послойное распределение и температура в зоне свечи являются основными факторами при определении способности смеси к воспламенению и последующему сгоранию с соответствующим влиянием на состав отработавших газов.Однородные смеси и регулируемое послойное смесеобразование (богатая смесь у свечи зажигания и бедная смесь вблизи стенок камеры сгорания) представляют два пути совершенствования процесса смесеобразования.На двигателях с одноточечным впрыском топлива для предотвращения отложения пленки топлива на стенках впускного трубопровода используется предварительный нагрев воздуха и впускного трубопровода.

Изменение фаз  газораспределения. Большой угол перекрытия клапанов (при раннем открытии впускного клапана) позволяет увеличить внутреннюю рециркуляцию отработавших газов и поэтому может помочь в снижении выбросов NOx. Однако, так как рециркулирующие отработавшие газы вытесняют свежую топливовоздушную смесь, то раннее открытие впускного клапана также ведет к уменьшению максимального крутящего момента. Кроме того, чрезмерная рециркуляция отработавших газов, особенно при работе двигателя на холостом ходу, может стать причиной перебоев в зажигании, что, в свою очередь, приводит к увеличению выбросов углеводородов . Оптимальным решением является применение изменяемых фаз газораспределения, когда фазы газораспределения варьируются для оптимального приспосабливания процесса сгорания к условиям работы двигателя.Влияние степени сжатия на количество токсичных компонентов отработавших газов. Ранее считалось, что повышение термического коэффициента полезного действия путем роста степени сжатия представляется эффективным мероприятием для улучшения топливной экономичности. Однако при этом одновременно увеличивается и максимальная температура сгорания, которая вызывает более высокую концентрацию выбросов NOx.

Конструкция камеры сгорания. Снижение выбросов CH обеспечивается компактной камерой сгорания, имеющей минимальную площадь поверхности с отсутствием выемок. Центральное расположение свечи зажигания обеспечивает короткий путь распространения пламени, позволяя получить быстрое и относительно полное сгорание рабочей смеси, что приводит, кроме низких выбросов CH, к пониженному расходу топлива. Турбулизация рабочей смеси в камере сгорания обеспечивает более быстрое сгорание. Кроме создания двигателей, способных работать на обедненных смесях, оптимизация формы камеры сгорания дает возможность снизить концентрацию CH при λ = 1.Создания вихревого движения смеси во впускном канале и оптимизация формы камеры сгорания позволяют использовать переобедненные рабочие смеси (λ = 1,4…1,6). Такие двигатели характеризуются низкой токсичностью и очень хорошей экономичностью, они не нуждаются в каталитической очистке отработавших газов. Разработки в области снижения выбросов NOx у двигателей, работающих на переобедненных смесях, еще находятся в начальной стадии. Такие двигатели вплоть до настоящего времени с успехом применялись в Европе и Японии. Имелось только несколько моделей, использующих концепцию обедненных смесей, когда достигался компромисс между токсичностью отработавших газов и расходом топлива.

Система зажигания  автомобилей. Конструкция свечи зажигания, ее положение в камере сгорания, а также энергия и продолжительность искрового разряда – все эти параметры оказывают существенное влияние на воспламенение смеси, продолжительность ее сгорания, а поэтому и на токсичность компонентов отработавших газов. Важность этих факторов возрастает в прямой зависимости от обеднения смеси (λ > 1,1). Установка момента зажигания оказывает решающее влияние как на токсичность, так и на расход топлива. При выборе момента зажигания приходится (иногда в ущерб расходу топлива) для снижения выбросов CH и NOx выбирать более поздние углы опережения зажигания. Вместе с подачей в избытке кислорода это поднимает температуру в выпускной системе и позволяет дожигать СО и СН.Этот метод приводит к снижению выбросов NOx и несгоревших углеводородов, но за счет увеличенного расхода топлива. С другой стороны, если выбирается слишком большое опережение зажигания, это приводит к увеличению расхода топлива и выбросов NOx и СН.

Вентиляция картера  двигателя. Концентрация углеводородов в картере двигателя может во много раз превышать регистрируемую в отработавших газах. Система регулирования вентиляции картера перепускает картерные газы во впускной тракт двигателя, откуда они попадают в камеру сгорания для дожигания. Раньше эти газы выпускались неочищенными непосредственно в атмосферу; сейчас наличие системы снижения токсичности картерных газов является обязательным требованием.

Система рециркуляции отработавших газов (EGR). Метод рециркуляции хорошо отработан и относительно дешев. Многие производители дизелей использовали этот метод для снижения выбросов оксидов азота до уровня «Евро-3». Однако система рециркуляции имеет определенные недостатки и ограничения. Так, рециркуляция ОГ приводит к ухудшению параметров рабочего процесса, повышению выброса частиц и дымности ОГ.Достижение требований «Евро-4» вынуждает производителей повышать степень рециркуляции, что неизбежно приводит к увеличению тепловой напряженности двигателя, а следовательно, к необходимости увеличивать размеры радиатора системы охлаждения двигателя.Для обеспечения требований «Евро-4» рециркулируемые ОГ, как правило, необходимо предварительно охлаждать, а значит, устанавливать дополнительный радиатор в подкапотном пространстве, которое у современных грузовиков и без того весьма ограничено. Для компенсации потерь мощности, связанных с увеличением степени рециркуляции, производители вынуждены увеличивать степень наддува, что опять же приводит к увеличению тепловой напряженности двигателя.

Селективные нейтрализаторы оксидов азота (SCR). Большая часть европейских автопроизводителей, среди которых Mercedes-Benz, DAF, Iveco, Renault Trucks, Volvo Trucks и другие, для обеспечения требований «Евро-4» ориентируются на систему SCR. SCR представляет собой каталитический нейтрализатор, в котором оксиды азота восстанавливаются до чистого азота. Для осуществления реакции в нейтрализатор непрерывно подается жидкий реагент, представляющий собой 32,5-процентный водный раствор мочевины. SCR обеспечивает высокую степень нейтрализации оксидов азота, на уровне 80-90%. Подаваемый в нейтрализатор реагент широко известен под названием AdBlue. Применение SCR не ухудшает, по сравнению с методом рециркуляции ОГ, рабочий процесс двигателя. Более того, применение SCR, по имеющимся данным, позволяет улучшить топливную экономичность дизелей на 5–7%, по сравнению с двигателями уровня «Евро-3». Связано это с тем, что для достижения требований «Евро-3» производители двигателей, наряду с системой рециркуляции, были вынуждены жертвовать оптимальными настройками двигателя, смещая момент начала впрыска топлива.То и другое приводило к ухудшению рабочего процесса. С применением SCR необходимость в этих мероприятиях отпадает, что позволяет производителям двигателей «вернуть» угол опережения впрыска в исходное положение. Система SCR обеспечивает, в отличие от концепции, основанной на рециркуляции ОГ, надежное снижение выбросов оксидов азота не только до уровня «Евро-4», но и вводимых с 2008 года требований «Евро-5».Система SCR имеет и существенные недостатки. Главным из них является необходимость постоянного использования дополнительного реагента AdBlue: возрастающие эксплуатационные затраты, организация инфраструктуры заправок, увеличение массы автомобиля (по имеющимся данным, на 50–100 кг).Кроме того, существенно затрудняется контроль реального экологического уровня автотранспортных средств в эксплуатации: отключение подачи AdBlue никак не сказывается на ходовых качествах автомобиля, зато токсичность ОГ ухудшается радикальным образом — до пограничного уровня, лежащего в интервале значений, принятых для «Евро-1» и «Евро-2». Ко всему прочему жидкость AdBlue замерзает уже при температуре –11,5°С, что заставляет производителей подвижного состава применять специальные системы подогрева реагента.