Засоби зниження токсичності автомобільних (тракторних) двигунів

Зниження токсичності й димності відпрацьованих газів (ВГ) — одна з важливих проблем людства, бо вони спричиняють хвороби людей і тварин, пошкодження рослин, погіршують видимість водіям транспортних засобів (сутність явища токсичності визначається кількісною характеристикою взаємодії між хімічними показниками зовнішнього середовища та організмом людини).

Розглянемо шляхи утворення токсичних речовин у циліндрах двигуна. Оксид вуглецю (СО) — безколірний газ без запаху й смаку — утворюється під час згоряння палива з недостачею кисню: що багатша суміш (кількість повітря менше теоретично потрібного для згоряння — a < 1), то більша концентрація СО (нагадаємо, що за повного згоряння палива ВГ вміщують лише продукти повного окислення компонентів палива, тобто СО2 і Н2О).

Дія на організм людини проявляється витісненням кисню з крові, внаслідок чого виникає задуха. Якщо концентрація СО невелика, то виникають відчуття, що попереджають про небезпеку: “важкість” голови, біль у лобовій і височній частинах голови, в очах — “туман”, пульсація у скронях. Потім виникає запаморочення, шум у вухах, тремтіння, блювання, прискорення пульсу. Продовження отруєння притупляє свідомість, викликає байдужість і втрату свідомості.

Отруєння малими дозами СО (концентрація в межах 0,01%) характерне для працюючих в умовах з обмеженим повітрообміном.

Вуглеводні (СН) складаються з молекул палива, які не задіялися в згорянні. Вуглеводні можуть викидатися в атмосферу внаслідок пропусків спалахування, негерметичності випускного клапана чи системи вентиляції картера, а також через випаровування бензину з бака або карбюратора. У дизелі СН утворюються в перезбагачених ділянках, де відбувається піроліз молекул палива (розпадання молекул палива під дією високих температур за браку хімічних реагентів).

Якщо в процесі розширення в такі ділянки не надійде достатньої кількості кисню, то СН опиняються у ВГ.

Кількість вуглеводнів, що утворюють цю групу токсичних речовин, перевищує 200. Деяким із них властива сильна отруйна дія (через процеси кровотворення, центральну нервову систему тощо). Особливу групу високотоксичних речовин становлять викиди бензолу, толуолу, поліциклічних ароматичних вуглеводів (ПАВ), зокрема бензопірену. Вони утворюються внаслідок піролізу легких і середніх фракцій палива за температури 300...400°С. Такі умови виникають у процесі робочого ходу поблизу холодних поверхонь циліндра за наявності там незгорілих вуглеводнів.

Зі збільшенням у паливі бензолу зростає кількість ПАВ. Ці речовини належать до канцерогенних, вони не виводяться з організму людини, а нагромаджуючись, сприяють утворенню злоякісних пухлин. Утворення оксидів азоту (NОх) визначається здебільшого складом робочої суміші й температурою: зі збільшенням температури газів і концентрації кисню зростає кількість NОx.

Поза циліндрами двигуна утворюються диоксид азоту (червоно-бурого кольору), який шкідливо діє на дихальні шляхи, нервову й серцево-судинну системи.

Приблизно 60% свинцю, що знаходиться в етильованому бензині, викидається в атмосферу. Він проникає в організм людини з повітрям і через шкіру. Cполуки свинцю дуже отруйні, з організму людини вони не виводяться, викликаючи нервові та психічні захворювання. Сірка, присутня в дизельному паливі у більшій кількості, ніж у бензині, викидається в атмосферу як диоксид (SO2), який подразнює верхні дихальні шляхи людини, руйнує хлорофіл рослин.

Рослини, які щороку скидають листя, легше сприймають забруднення, а хвойні реагують болісніше (концентрація SO2 у межах 0,23...0,32 мг/м3 спричиняє всихання сосни за 2—3 роки). Наявність у ВГ сполук сірки й свинцю заважає застосуванню нейтралізаторів. Сажа — твердий продукт, що складається здебільшого із вуглецю. Вона утворюється за температури понад 1200°С внаслідок термічного розкладання (піролізу) палива за умови нестачі кисню.

Процес залежить від виду палива. Концентраційні межі спалахування суміші в двигунах з іскровим запалюванням не збігаються з межами початку утворення сажі, тому її кількість у таких двигунах невелика.

У дизелях переважає дифузійне згоряння, за якого швидкість горіння визначається здебільшого не швидкістю хімічних реакцій, а швидкістю проникнення (дифузії) пари палива у повітря. Внаслідок цього існують ділянки з багатою стехіометричною (нормальною) та бідною сумішшю. За дифузійного згоряння в дизелі поряд із ділянками полум’я з високою температурою (a = 1,0) перебувають ділянки з багатою сумішшю (a < 1,0), тобто створюються умови для піролізу. Наявність сажі у ВГ викликає чорний дим на випуску. Шкідлива дія сажі зумовлена не вуглецем, а наявністю канцерогенних ПАВ. Відносно великі частки сажі (2...10 мкм) легко виводяться з організму, а дрібні (0,5...2,0 мкм) затримуються в легенях і викликають алергію дихальних шляхів.

Доречно нагадати ще й таке:

• за інтенсивного ультрафіолетового випромінення сонця та наявності в атмосфері вуглеводнів, оксидів азоту і вуглецю утворюється озон (сильний окислювач), що зумовлює погіршення самопочуття людей;
• істотний вміст в атмосфері диоксиду азоту, озону й вуглеводнів зумовлює туман коричневого кольору — смог, який погіршує видимість на шляхах, подразнює слизові оболонки людей;
• диоксид сірки, взаємодіючи в атмосфері з водяною парою, утворює сірчану кислоту, яка випадає на землю з дощем і завдає великої шкоди рослинам.

Токсичні речовини від двигунів надходять в атмосферу також із картерними газами та через випаровування палива з баків (під час заправки) і карбюраторів. Кількість токсичних речовин у ВГ залежить від низки чинників (типу двигуна — бензиновий, дизель, газовий; його технічного стану, режиму роботи, оптимальності регулювань, якості палива).

Зменшення токсичності автотракторних двигунів у процесі їх роботи досягається різними шляхами:

оптимізацією робочих процесів, нейтралізацією ВГ у системі випуску, обмеженням вмісту в паливі свинцю, сірки.

Двигун з іскровим запалюванням 

Визначальний вплив на токсичність ВГ бензинових двигунів справляє склад суміші. Найбільша їх кількість, переважно СО, викидається в режимі холостого ходу (a < 1,0). Оскільки в такому режимі двигун автомобіля працює тривалий час (особливо в умовах інтенсивного міського руху), якраз на холостому ходу нормується токсичність ВГ у різних країнах.

У великої кількості бензинових двигунів дозування палива в потоці повітря, утворення з них суміші та регулювання її надходження в циліндри забезпечується карбюраторами. Деяким карбюраторам, зокрема К-151 (автомобілі ГАЗ, УАЗ, ИЖ, “Москвич”), властива система відмикання паливоподачі в режимі примусового холостого ходу (ПХХ).

Під час гальмування автомобіля двигуном (рух внаслідок інерції з ввімкненою передачею і відпущеною педаллю керування дроселем) умови згоряння суміші в циліндрах різко погіршуються, у ВГ зростає кількість продуктів неповного згоряння палива — здебільшого СО і СН. Відмикання подачі палива через систему холостого ходу в режимі ПХХ спеціальним клапаном — економайзером — усуває таке явище.

Режим ПХХ настає (припинення подачі), коли блок керування реєструє велику частоту обертання колінчастого вала (понад 1600 хв-1) і дросельна заслінка зачинена.

Припиняється режим ПХХ (відновлюється подача), якщо водій:

• не натискуючи на педаль керування дросельною заслінкою, зменшить швидкість руху, вимкне зчеплення або передачу (буде задіяний холостий хід);
• натисне на педаль керування дросельною заслінкою і продовжить рух із високою частотою обертання колінчастого вала двигуна.

Нестійка робота двигуна на холостому ходу може бути наслідком несправності клапана або системи керування ПХХ. Сучасним автомобільним карбюраторам властива збалансована поплавцева камера (порожнина її над рівнем палива сполучена з порожниною над горловиною карбюратора).

Цим зводиться нанівець вплив забруднення повітроочисника на склад суміші.

Вада такої системи: після зупинки гарячого двигуна відбувається інтенсивне випарювання палива з поплавцевої камери у впускну систему і почасти через повітроочисник в атмосферу (пуск гарячого двигуна ускладнюється).

Запровадження міжнародних обмежень на викиди в атмосферу пари палива призвело до відмови від спеціальних клапанів розбалансування (які були в деяких карбюраторах) й до застосування додаткових пристроїв — адсорберів, тобто невеликих заповнених активованим вугіллям місткостей, що з’єднуються після зупинки двигуна з паровим простором поплавцевої камери. Сучасний поплавцевий всмоктувальний карбюратор має добрий десяток додаткових пристроїв, окрім того, може бути оснащений електричним блоком керування сумішоутворенням (наприклад, “Ecotronic”).

Застосування карбюраторів з електронним керуванням дає змогу, поряд з іншими перевагами, зменшити вміст шкідливих викидів у ВГ. І все ж, будь-якому карбюратору властивий елемент “стихійності” в сумішоутворенні.

Впорскування бензину надає можливість оптимізувати процес сумішоутворення більшою мірою (за місцем, тривалістю і кількістю).

Одна з причин надання сучасними автомобілебудівниками переваги системам впорскування бензину — зниження токсичності ВГ. При впорскуванні можливе застосування більшого перекриття клапанів (коли відкриті впускний і випускний клапани водночас) для якіснішого продування циліндрів чистим повітрям (а не сумішшю).

Якісніше продування та рівномірний склад суміші в різних циліндрах приводять до зниження температури стінок циліндрів, днищ поршнів і випускних клапанів, що дає можливість застосовувати палива з меншими на 2—3 одиниці октановими числами (збільшити ступінь стискування без загрози детонації).

Крім того, знижується утворення оксидів азоту при згорянні. Не розглядаючи конструкційні особливості систем впорскування бензину (мета цієї статті інша), зазначимо, що переваги їх реалізуються за умови кваліфікованого технічного обслуговування.

Паливні баки автомобілів обладнуються розташованими в пробці заливної горловини або окремо пароповітряними клапанами (впускний спрацьовує за розрідження у баку (0,004—0,03 МПа), випускний — за надмірного тиску (0,01—0,02 МПа).

У деяких сучасних конструкціях для вентиляції бака передбачено клапан з електромагнітним керуванням (система “Motronic”): пара палива з бака надходить до двигуна через фільтр з активованим вугіллям і невеликою часткою зовнішнього повітря.

У магістралі від бака до впускного колектора знаходиться клапан, яким, залежно від режиму роботи двигуна, або дроселюється, або вільно пропускається потік пари палива. Після зупинки двигуна через 3 с внаслідок знеструмлення пружинний зворотний клапан припиняє надходження пари палива у впускний колектор. Системи рециркуляції забезпечують подачу ВГ із випускної труби у впускну для зменшення викидання оксидів азоту. В одній із простих систем (ЗМЗ-4025, ЗМЗ-4026) термовакуумний вмикач  розташований у головці циліндрів так, що рідина системи охолодження омиває його термочутливий елемент. Вмикач з’єднаний шлангом з клапаном рециркуляції  (закріпленим через прокладку на впускній трубі), а ще одним шлангом — з наддросельною порожниною вторинної камери карбюратора. Рециркуляція (подача) ВГ у впускний тракт здійснюється, коли двигун прогрітий до температури холодильної рідини понад 35°С. При цьому через канали термовакуумного вмикача роздрідження з наддросельної порожнини карбюратора шлангами надходить до наддіафрагмової порожнини клапана. У результаті діафрагма  під дією атмосферного тиску, долаючи тиск пружини, зміщується, з’єднуючи канали впускної  і випускної  труб для перетікання газу.

Така система рециркуляції не діє на холостому ходу і при повному відкритті дросельних заслінок (бо при цьому в наддросельному просторі карбюратора немає роздрідження). Через кожні 60 тис. км пробігу потрібно очищати отвір клапана рециркуляції ВГ у впускній трубі (після зняття карбюратора і клапана). У сучасніших системах рециркуляції використовують різні способи приводу клапана, зокрема електропривод, що дає змогу реалізувати вигідніший закон зміни ступеня рециркуляції R залежно від режиму роботи двигуна. До цього додамо, що за R=15...20% зменшення викидів NОx може сягати 60—80%.

Для того, щоб токсичні картерні гази не викидалися в атмосферу, в сучасних бензинових двигунах застосовують систему примусової вентиляції картера.

Під час роботи двигуна картерні гази, які просочуються через нещільність між деталями поршневої групи, відсмоктуються: на холостому ходу та малих навантаженнях  через калібрований отвір карбюратора у впускну трубу; на повних навантаженнях — шлангом 6 через повітроочисник 5; на проміжних режимах — через повітроочисник і калібрований отвір карбюратора. Гази піднімаються каналами у блоці  й головці  циліндрів під кришку  коромисел і далі через фільтрувальний елемент для видалення часток оливи. Наявність розрідження в картері двигуна характеризує справну роботу системи вентиляції.

Для перевірки її стану потрібно затиснути під час роботи двигуна з мінімальною частотою обертання колінчастого вала шланг, що підводить картерні гази до карбюратора: якщо двигун зупиняється — система діє нормально. Істотно впливає на кількість викидів NОх і СН бензиновими двигунами кут випередження запалювання (момент утворення іскри між електродами свічки в кутових градусах повертання колінчастого вала).

Це зумовлено тим, що зі збільшенням кута зростає температура процесу згоряння, а відтак — кількість NОх. Зі зменшенням кута — згоряння дедалі більше переходить у зону розширення, зростає температура ВГ наприкінці процесу розширення та в системі випуску, що призводить до повнішого окислення СН.

У момент запалювання мають перебувати відносно один одного у відповідному положенні колінчастий і розподільний вали та валик розподільника запалювання, тому нагадаємо: початковий кут випередження запалювання потрібно встановлювати з максимальною точністю, інакше відхилення за великих частот обертання колінчастого вала будуть великими; надійнішим засобом порівняно з контрольною лампою для встановлення кута є використання стробоскопа; частота обертання колінчастого вала багатьох двигунів на холостому ходу перебуває в межах 600...800хв-1 (двигуни з впорскуванням бензину за інтенсивного прогрівання можуть мати до 1800 хв-1), тобто відцентрові регулятори у більшості двигунів на холостому ходу не діють; вакуумний регулятор на холостому ходу майже завжди діє, тому під час встановлення запалювання або перевірки відцентрового регулятора його відмикають; остаточна перевірка встановлення запалювання здійснюється під час руху автомобіля без пасажирів (двигун прогрітий) на прямій передачі по рівному шляху.

Якщо після різкого натискання на педаль керування дроселем розгін супроводжується короткочасною (2—3 с) детонацією — момент запалювання встановлено правильно.

Численні дослідження засвідчили, що вдосконаленням процесу згоряння, оптимізацією керування складом суміші й кутом випередження запалювання не вдається досягти зниження токсичності ВГ до рівня встановлених норм. Тому набули поширення засоби для спеціальної обробки ВГ у випускній системі двигунів — нейтралізатори.

Вони поділяються на два типи: каталітичні й термічні (поширення обмежене). Каталітичні нейтралізатори з вмістом 1—2 г платини й паладію призначені для окислення СО і СН. Щоб окислювальна реакція відбулася за короткий проміжок часу, протягом якого ВГ рухаються через нейтралізатор, у ньому має бути температура 250...800°С (якщо температура нижча, ефективність каталізатора мала, якщо вища — настає дезактивація нейтралізатора, що призводить до руйнування ділянок платинової поверхні; особливо швидко відбувається дезактивація при використанні етильованого бензину).

Гранули оксиду алюмінію з вмістом каталітичного матеріалу розташовані всередині корпусу з жароміцної неіржавіючої сталі, для зниження вібраційного навантаження нейтралізатори приєднують до випускної системи двигунів через компенсатор або шарнірно.

Для нейтралізації оксидів азоту з одночасним окисленням СО і СН, що утворюються в процесі згоряння суміші, застосовують триметалеві каталізатори (платина, паладій, родій). Використання етильованого бензину в системах із трикомпонентним нейтралізатором неприпустимо.

Ефективна робота нейтралізатора можлива за підтримання складу суміші в межах a = 1,0 із високою точністю, що властиве системам впорскування бензину з електронним керуванням і зворотним зв’язком (від ВГ до складу суміші). Кількість палива, що впорскується в циліндр форсункою, залежить від тривалості дії, що визначається електронним блоком керування 1 залежно від сигналів вимірників витрати повітря  й частоти обертання колінчастого вала, а також від сигналу датчика кисню  (l-зонда), який реєструє відхилення складу суміші від стехіометричного.

Така система називається замкненою, бо відхилення складу суміші від потрібного викликає появу сигналу порушення узгодження, що використовується для коригування тривалості імпульсу впорскування палива форсункою.

Зовнішній і внутрішній електроди l-зонда виготовлені з платини (або її сплаву) і розділені шаром твердого електроліту з діоксиду цирконію. Зовнішній електрод , що омивається ВГ у випускній системі двигуна, захищений шаром кераміки, внутрішній — знаходиться у повітрі. Іонна провідність електроліту, що виникає внаслідок різниці парціальних тисків кисню на зовнішньому та внутрішньому електродах, викликає різницю потенціалів між електродами.

Температурне поле роботоздатності l-зонда 300...900°С (вища ефективність за 850...900°С). Перевищення температури призводить до руйнування захисного шару електродів, використання етильованого бензину — до виходу з ладу датчика. Для прискорення прогрівання нейтралізаторів до робочих температур під час пуску і прогрівання двигунів застосовують різні методи: встановлення пристрою поблизу двигуна, електричне підігрівання тощо.

У деяких конструкціях передбачено електричне підігрівання також l-зонда. Певний внесок у зниження токсичності ВГ двигунів з іскровим запалюванням зроблено впровадженням як палива стисненого й зрідженого газу. Досконаліше сумішоутворення пояснюється тим, що компоненти суміші надходять до сумішоутворювального пристрою в однаковому (газоподібному) агрегатному стані, внаслідок чого менше утворюється токсичних речовин неповного згоряння.

Поліпшенням якості бензину (обмеження вмісту свинцю, сірки, ароматичних вуглеводнів) і застосуванням спеціальних присадок можна досягти помітного зменшення токсичності ВГ.

Так, домішування до бензину 15% метанолу знижує шкідливі викиди на 25—30% (але він отруйний і корозійно агресивний відносно металів).

 Дизелі

Вирішальний вплив на утворення токсичних речовин справляє процес згоряння вуглеводного палива в циліндрах, основний токсичний компонент якого — сажа.

Чинниками, що зумовлюють димлення дизеля, є: технічний стан циліндропоршневої групи деталей, кут випередження впорскування палива форсунками, циклова подача, якість дизельного палива.

Створення турбулентного руху заряду в процесі впуску, що поліпшує використання кисню під час згоряння, забезпечується заширмленням впускних клапанів, спіральними вставками у впускних трубах, а також застосуванням вихрових камер і передкамер. Кут випередження початку впорскування впливає на склад суміші, його відхилення від оптимального призводить до зростання димлення (зміна кута на 4...6° зумовлює збільшення димлення на 25—30%).

Для оптимізації кута випередження початку впорскування палива залежно від частоти обертання колінчастого вала паливні насоси високого тиску сучасних дизелів обладнують автоматичними муфтами відцентрового типу: зі збільшенням частоти обертання кут збільшується, зі зменшенням — навпаки.

Збільшення подачі палива, що здійснюється для збільшення потужності двигуна, порушує співвідношення компонентів суміші (паливо — повітря). Збільшується тривалість згоряння та кількість незгорілих вуглеводнів і сажі у ВГ (зростає димлення).

Між димністю ВГ і вмістом у них сажі існує пряма залежність, на якій грунтується принцип дії приладів для діагностування систем живлення дизелів.

Для зменшення димності ВГ і підвищення економічності дизелів з наддувом на перехідних режимах і режимі розгону (коли тиск наддуву недостатній і кількість палива, що подається в циліндри, не відповідає кількості повітря — відбувається неповне згоряння), призначений обмежувач димлення.

Його встановлюють у задній кришці регулятора паливного насоса високого тиску, керується він тиском наддуву. Використання дизельного палива підвищеної здатності до самозаймання (характеризується цетановим числом) забезпечує краще згоряння і зменшення викидів NОх: що більше в дизельному паливі легких фракцій, то менше буде димність ВГ і вміст NОх. На зменшення емісії NОх і часток сажі спрямовано також застосування присадок. Можливе, наприклад, застосування антидимних присадок на основі барію (1% присадок знижує вміст сажі у ВГ на 70—80%).

Застосовують також нейтралізатори. Ускладнюється поліпшення екологічних параметрів дизелів тим, зокрема, що заходи, спрямовані на зниження NОх, спричиняють, зазвичай, зростання викиду часток; використанню нейтралізаторів перешкоджає велика кількість сажі й кисню у ВГ і їх невисока температура. Як у двигунах з іскровим запалюванням, рециркуляція ВГ у дизелях застосовується для зниження викидів NОх (поширена в конструкціях безнаддувних європейських легкових автомобілів). У дизелях легкових автомобілів набули поширення каталітичні окислювальні нейтралізатори. Зумовлено це тим, що температура ВГ таких дизелів достатня для окислення СО, СН і розчинних органічних часток, але вона недостатня для утворення великої кількості сульфатів: за температури понад 300°С концентрація СО зменшується на 85—90%, СН — на 75—80%. Застосуванням стартових (додаткових) нейтралізаторів у режимах пуску і прогрівання досягається також зменшення викидів NОx. Використання для дизелів звичайного трикомпонентного нейтралізатора для зниження викидів NОx неможливе.

Я. Білоконь, А. Окоча, доценти НАУ