Экологичность отработавших газов автомобиля

Д.Соснин
В последние годы значительно возросли требования к очистке выхлопных отработавших газов автомобиля от токсичных компонентов. Наряду с этим стали нормироваться допуски и на испаряемость бензина из бензобака. Это привело к необходимости установки на современных легковых автомобилях специальных экологических систем, которые работают совместно с системой впрыска топлива

Современные легковые автомобили оборудуются системами экологической защиты окружающей среды в обязательном порядке. Есть несколько способов понижения концентрации вредных веществ (токсиногенов), попадающих в атмосферу и окружающую среду при работе автомобиля. Основные из них следующие.

1. Экологическая система автомобиля с кислородным датчиком (система ЭСК)

Система ЭСК предназначена для работы совместно с электронным карбюратором, либо в составе любой системы впрыска топлива, где она корректирует состав ТВ-смеси при изменении процентного содержания кислорода в выхлопных отработавших газах. При этом в систему впрыска добавляются:
1) кислородный датчик (КД), установленный в выпускном канале ДВС в потоке ОГ;

2) авторегулятор (блок РЭС), выполненный в виде электронной схемы, помещенной в корпус обычного реле или интегрированной в ЭБУ системы впрыска;

3) тактовый электробензоклапан (ТЭК), установленный между топливоподающей и обратной бензомагистралями и работающий по импульсным сигналам от блока РЭС;
4) термовыключатель (ТВК), установленный в системе жидкостного охлаждения ДВС (только для механических систем впрыска), или датчик температуры ДВС (для систем впрыска с электронным управлением).
Функциональная схема экологической системы ЭСК, которая включена в состав системы впрыска «К-Jetronic», показана на рис. 2.
Такая система работает следующим образом.

Пока двигатель холодный, термовыключатель ТВК 7 разомкнут, и система ЭСК не функционирует. Система впрыска в это время работает без коррекции состава ТВ-смеси по содержанию кислорода в ОГ, т.е. в обычном режиме обогащения ТВ-смеси для холодного двигателя.

После прогрева ДВС до определенной температуры (55. 60°С) термовыключатель 7 замыкается, и напряжение от бортсети автомобиля (по массе) подается на авторегулятор РЭC 2. С этого момента авторегулятор РЭС начинает реагировать на сигналы кислородного датчика 9, который к этому времени сам прогревается до рабочей температуры +300°С, так как установлен в выпускном коллекторе 10. Электронная схема авторегулятора (блок РЭC 2) представляет собой генератор электрических импульсов с постоянной длительностью, но с управляемой частотой следования. Частота следования управляется аналоговым сигналом Ед от кислородного датчика КД 9. В РЭC сигнал предварительно обрабатывается и преобразуется с помощью пороговой электрической схемы в последователь ность импульсов для управления тактовым электробензоклапаном ТЭК 3.

Таким образом концентрация кислорода в ОГ определяет периодичность следования импульсов, поступающих на тактовый клапан 3 от РЭC 2. Когда на тактовый клапан поступает электрический импульс, он открывается. При отсутствии импульсов тактовый клапан закрыт.

При открытии тактового клапана рабочее давление в главной топливной магистали ПБМ падает и топливовоздушная смесь обогащается, так как мембрана 6 дифференциального клапана в дозаторераспределителе 4 больше прогибается вниз, и топлива к форсункам поступает больше. Если тактовый клапан закрывается, то мембрана дифференциального клапана больше прогибается вверх, и смесь обедняется.

Система ЭСК регулирует коэффициент избытка воздуха а таким образом, чтобы он все время был близким к единице. Как следствие, концентрация окиси углерода СО и углеводородов СН в ОГ поддерживается на низком уровне. Однако, ЭСК не позволяет понизить концентрацию оксидов азота NOx, так как они образуются под большим давлением и особенно под действием высокой температуры и мало влияют на концентрацию кислорода в ОГ.

В тех случаях, когда применяется этилированный бензин, система ЭСК может быстро выйти из строя за счет оседания тяжелых соединений свинца на наружной платиновой поверхности кислородного датчика. Чувствительность активного катализатора из благородного металла резко падает. Датчик при этом перестает функционировать. Чтобы этого не происходило, кислородный датчик заменяется пробкой-заглушкой, а остальные компоненты системы ЭСК остаются на автомобиле. Система без кислородного датчика продолжает функционировать, но уже не в режиме регулирования частоты срабатывания тактового клапана, а в режиме подачи на него последовательности импульсов с постоянной скважностью 0,5. При этом 50% времени тактовый клапан открыт, а 50% закрыт. Частота следования импульсов достаточно высокая (50. 60 Гц) для того, чтобы в главной топливной магистрали рабочее давление не успевало изменяться от импульса к импульсу. При этом рабочее давление устанавливается на таком среднем уровне,при котором состав рабочей смеси может регулироваться обычным способом (штатными режимами работы системы впрыска).

Если автомобиль переведен обратно на эксплуатацию с неэтилированным бензином, то система ЭСК может быть быстро приведена в действие путем установки кислородного датчика вместо пробкизаглушки и его подключением к блоку РЭС.

2. Экологическая система автомобиля с рециркуляцией отработавших газов (система ЭСР)

Система ЭСР (в зарубежной литературе — система EGR) относится к таким системам, в которых имеет место воздействие на процесс горения ТВ-смеси в камере сгорания с целью понижения токсичности отработавших газов (ОГ).

Система ЭСР работает по принципу понижения температуры в цилиндре на режимах средних (самых распространенных) нагрузок ДВС. При этом интенсивность образования оксидов азота NOx значительно понижается.

Понижение температуры горения в цилиндре достигается путем введения в него части ОГ из выпускного коллектора через впускной коллектор, т.е. путем рециркуляции продуктов сгорания. Так как ТВ-смесь при этом разбавляется пассивными выхлопными газами, то рабочее соотношение «бензин-воздух» в смеси остается неизменным, но температура горения понижается.

Для реализации системы ЭСР в систему впрыска бензина добавляются следующие устройства:

1) клапан КР рециркуляции отработавших газов с управлением от разрежения в близкой преддроссельной зоне впускного коллектора (в системах группы К), либо с управлением от ЭБУ-впрыска (в системах группы L);

2) термопневмоклапан ТПК (в системах группы К), или датчик температуры двигателя (в системах группы L), которые устанавливаются в потоке охлаждающей жидкости ДВС и разрешают работу клапана рециркуляции после прогрева двигателя.

На рис. 3 представлена функциональная схема экологической системы с рециркуляцией которой оснащена система «K-Jetronic». Система ЭСР работает следующим образом.

При температуре охлаждающей жидкости ДВС ниже 45°С термопневмоклапан ТПК 16 закрыт, и рециркуляция не имеет места, так как пневматический канал к клапану рециркуляции КР перекрыт (рис. 4). При температуре выше 60°С клапан ТПК открывается за счет прогиба биметаллической диафрагмы 9 в сторону охлаждающей жидкости 10, и с этого момента разрешается работа пневмоклапана рециркуляции КР. Таким образом, как и в системе ЭСК, работа системы ЭСР начинается после прогрева ДВС.

Система рециркуляции ЭСР в системах впрыска группы К работает только на режимах частичных нагрузок. Как видно из рис. 4 а,

это имеет место потому, что вакуумный канал 2 клапана рециркуляции КР выведен не в задроссельную, а в ближнюю преддроссельную зону впускного коллектора (чуть выше края дроссельной заслонки 1). При таком положении вакуумного канала дроссельная заслонка может управлять степенью разрежения в клапане рециркуляции только в начале своего открытия, когда разрежение в канале достаточно высокое. Когда в режиме ХХ дроссельная заслонка закрыта (рис. 4 а), канал к клапану рециркуляции находится в зоне атмосферного давления и клапан КР тоже закрыт. На всех остальных (после ХХ) режимах работы ДВС (на частичных нагрузках) клапан КР открыт (см. рис. 4 б). Но как только дроссельная заслонка открывается более чем на 70 угловых градусов, разрежение в вакуумном канале начинает падать (переход на режим полной нагрузки) и под действием возвратной пружины клапан рециркуляции КР снова закрывается (см. рис. 4 в).

Следует отметить, что в некоторых вариантах систем ЭСР термопневмоклапан ТПК 4 (рис. 4 г) отсутствует. И тогда вакуумный канал несколько измененного по конструкции клапана рециркуляции КР подключается непосредственно к впускному коллектору. В системах впрыска с электронным управлением клапан рециркуляции управляется электрически от ЭБУ впрыска.

Вышеописанный процесс рециркуляции отработавших газов с помощью наружного пневматического клапана рециркуляции называется внешней рециркуляцией. Но рециркуляция отработавших газов может иметь место также непосредственно в камерах сгорания двигателя, механизм газораспределения которого работает со значительным смещением фазы перекрытия клапанов в сторону впуска. Такая рециркуляция называется внутренней. Предполагается, что на двигателях следующего поколения, когда станет возможным электронное управление клапанами в газораспределительном механизме, необходимость во внешней рециркуляции отпадет.

3. Экологические системы автомобиля с нейтрализацией отработавших газов в выпускном тракте (система ЭСН)

Нейтрализацию токсичных веществ в выпускном канале после их эвакуации из цилиндров можно реализовать с помощью различных газонейтрализаторов.

На современных легковых автомобилях самыми распространенными являются комбинированные каталитические газонейтрализаторы (КГН).

На рис. 5 а показан комбинированный трехкомпонентный

двухсекционный каталитический газонейтрализатор (КГН), состоящий из двух последовательно соединенных нейтрализаторов — восстановительного (ВГН) и окислительного (ОГН). В обоих случаях катализатором являются тонкие платино-родиевые пленки, нанесенные на внутреннюю поверхность сотовой керамики 2. Отработавшие газы пропускаются через соты. Сотовое тело комбинированного газонейтрализатора разделено на две секции. Конструкция сот и линейные размеры секций несколько различны. Ряд КГН изготавливается с применением керамических гранул вместо сотовых секций. Но гранулы, как и соты, покрываются тонкой пленкой катализатора из благородного металла. Первая секция (по направлению движения отработавших газов) выполняет функции однокомпонентного высокотемпературного (600. 700°С) восстановительного нейтрализатора для оксидов азота NOx. Здесь протекает химическая реакция 2NO + 2CO = N2 + 2СО2, из которой видно, что восстановление азота N2 из моноокиси азота NO происходит при наличии некоторого избытка угарного газа СО, который в данном случае является восстановительной средой. Таким образом, нейтрализация окиси азота NO протекает более эффективно, если двигатель работает на несколько обогащенной ТВ-смеси (а = 0,95), и восстановительный нейтрализатор установлен до окислительного. Для более эффективной работы в некоторых конструкциях КГН (для мощных ДВС с большим объемом цилиндров) предусматривается подача дополнительного воздуха в сек¬цию окислительного нейтрализатора через специальный штуцер.

При сгорании более богатых ТВ-смесей (а

бензина для двигателей, оборудованных электронным управлением от ЭБУ. Испарение бензина значительно увеличивается при температуре выше 25°С и герметичный бензобак оказывается под излишним внутренним давлением Рп. Под напором внутреннего давления пары бензина перепускаются по соединительному шлангу 17 в замкнутый объем угольного фильтра 16, где адсорбируются на гигроскопичных гранулах активированного угля 14. Активированный уголь обладает свойством легко накапливать в своих порах бензин и также легко отдавать его в поток 18 продувочного воздуха.

Поток продувочного воздуха (через угольный фильтр) формируется поршневым всасыванием при работе двигателя. Для этой цели воздушный шланг от входного штуцера 12 на угольном фильтре подведен к специ¬альному штуцеру на воздушном фильтре. Но перепускать пары бензина во впускной коллектор сразу после запуска двигателя нерационально, так как при пуске и прогреве ТВ-смесь обогащается по специальной программе, заложенной в памяти электронного блока управления (ЭБУ) впрыском. Поэтому в разрыв воздушного соединительного шланга 7 между угольным фильтром и двигателем устанавливается запорный пневмоклапан (ЗПК) 6 с электрическим управлением от ЭБУ 11. Этот клапан открывается только после прогрева и при таком режиме работы двигателя, при котором требуется обогащенная ТВ-смесь (например, при разгоне и полной нагрузке).

Если концентрация паров бензина в продувочном потоке воздуха через угольный фильтр составляет 1%, то обогащение ТВ-смеси во впускном коллекторе увеличивается на 20%. Чтобы не происходило более значительного обогащения, клапан ЗПК работает в тактовом режиме от импульсного сигнала ЭБУ. Программа управления тактовым клапаном ЗПК заложена в ЭБУ впрыска и обычно адаптирована под температуру Тд двигателя (датчик 8) и концентрацию кислорода в выхлопных отработавших газах (датчик 10).

Нейтрализация картерных газов, концентрация токсичных химических соединений в которых значительно выше концентрации в отработавших газах, на современных двигателях реализуется с помощью обычной подсистемы вентиляции картера.

В заключение следует подчеркнуть, что из всех проблем современного автомобильного двигателестроения нейтрализация выхлопных отработавших газов самая злободневная.
РЕМОНТ&СЕРВИС-12’2000

Загрязнение атмосферы выхлопными газами: влияние на человека и окружающую среду

Во второй половине 20 века во многих странах мира произошел резкий скачок развития автомобилестроения. Увеличение количества машин привело к усилению беспокойства как ученых, так и простых обывателей по поводу влияния продуктов сгорания топлива на здоровье человека и на экологию в целом.

Данная проблема загрязнения атмосферы выхлопными газами не потеряла своей актуальности. В их составе присутствует множество токсичных компонентов, поэтому выхлопные газы – одна из главных экологических проблем современности.

Что такое выхлопные газы?

Выхлопными газами автомобилей называют продукты переработки топлива, выбрасываемыми в атмосферу. Их состав и влияние на окружающую среду начали активно изучать еще в 60-е годы 20 века.

За последние десятилетия количество автомобилей на планете значительно увеличилось, а вредные выбросы, возникающие в процессе их работы стали серьезной проблемой. Особенно страдает от них экология крупных городов. Присутствие веществ, содержащихся в их составе, в мегаполисах превышает допустимые нормы и может привести к возникновению различных заболеваний.

Состав выхлопных газов

Состав выхлопных газов автомобилей зависит от качества используемого топлива и типа двигателя. Но отличия будут только в процентном составе тех или иных веществ. Выхлопы автомобилей состоят как из вполне безвредных веществ, так и из достаточно токсичных.

В большей части они состоят из таких газов, как азот, кислород, диоксид углерода и водяные пары. Эти вещества входят в состав атмосферного воздуха и не представляют никакой опасности для людей и окружающей среды. Объем каждой из вредных примесей в составе не превышает 1-2%, реже 5-10%. К опасным для здоровья можно отнести следующие компоненты:

• Оксид углерода.
• Альдегиды.
• Углеводороды.
• Диоксид серы.
• Сажа
• Бензапирен.

Компонент	Объемная доля в бензиновом двигателе, %	Объемная доля в дизельном двигателе, %	Токсичность
Азот	74–77	76–78	нетоксичен
Кислород	0,3–8	2–18	нетоксичен
Водяной пар	3–5,5	0,5–4	нетоксичен
Диоксид углерода	5–12	1–10	нетоксичен
Оксид углерода	0,1–10	0,01–5	токсичен
Углеводороды	0,2–3	0,009–0,5	токсичны
Альдегиды	0–2	0,001–0,009	токсичны
Диоксид серы	0–0,002	0–0,03	токсичен
Сажа, г/м3	0–0,04	0,1–1,1	токсична
Бензапирен, г/м3	0,01–0,02	0–0,01	токсичен

Монооксид углерода и углекислый газ

Эти вещества считаются опасными и наносящими серьезный ущерб экологии. В большинстве стран мира автомобили проходят проверку и сертификацию на соответствие международным нормам по их содержанию в составе выхлопных газов автомобилей.

Вред, наносимый этими примесями, зависит от их концентрации в воздухе. Так малое содержание (до 0,05%) углекислого газа может привести к возникновению головной боли и тошноты, а более высокое (0,5%) – вызывает удушье и смерть в течение 15 минут.

Причиной высокого содержания углекислого газа в воздухе является неполное сгорание топлива. Это чаще всего происходит при прогреве двигателя. Поэтому прогревать автомобиль рекомендуется в хорошо проветриваемом помещении или на свежем воздухе.

Также уменьшить количество указанных веществ в составе автомобильных выхлопов можно при помощи правильной настройки карбюратора, заменой старого воздушного фильтра или регулировкой впрыскивающих клапанов.

Углеводороды и органические масла

Остатки не прогоревших углеводородов и пары органических масел не представляют опасности для здоровья людей. Но под действием солнечных лучей они вступают в реакцию с другими компонентами воздуха и образуют токсичные соединения. Полученные вещества могут вызвать раздражение слизистых оболочек и дыхательных путей. Кроме того, одним из основных элементов смога являются углеводороды и их соединения.

Если следить за состоянием уплотнительных колец, а также настроить карбюратор и свечи зажигания таким образом, чтобы углеводороды в процессе работы двигателя прогорали полностью, то в результате будут выделятся безвредные вещества: углекислый газ и пары воды.

Формальдегид

В результате взаимодействия формальдегида, выделяемого автомобилями, с атмосферным азотом и рядом других компонентов воздуха образуются токсичные соединения. При их достаточной концентрации образуется туман, который может представлять опасность для человека.

Пыль и сажа

Мельчайшие твердые частицы, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей, оседают на обочинах и различных объектах вдоль автомобильных трасс. При постоянном вдыхании подобной пыли и сажи возникает риск развития заболеваний дыхательной и сердечно-сосудистой системы. Из-за малых размеров частиц сажи, они легко попадают непосредственно в кровеносные сосуды и оказывают пагубное влияние на них изнутри.

Возможности полностью исключить данные вещества из состава выхлопных газов пока не существует. Единственной возможностью уменьшить их количество – это применение качественного топлива.

Бензпирен

Бензпирен (Бензапирен) относится к группе полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Данные мутагенные и канцерогенные вещества способны накапливаться в природных объектах, воде и почве. Бензипрен самый распространенный из ряда опасных веществ этой группы. Со временем он накапливается в организме человека и, при достижении определенной критической концентрации, оказывает необратимые воздействия на его здоровье.

Объем выхлопных газов

В среднем при сжигании одного литра топлива выделяется 16 тысяч литров выхлопных газов. Примерный объем газов, выделяемых каждым автомобилем можно вычислить, исходя из среднего расхода топлива на 100 км пробега, заявленного производителем машины. Для этого придется суммировать пройденное расстояние и считать общий объем заправленного топлива.

Выхлопы каждого автомобиля за 1 день или пройденный километр сосчитать просто невозможно. Также нельзя определить общий объем выхлопа большого количества машин, так как неизвестно сколько проезжает ежедневно или ежечасно каждая машина. Поэтому любые данные подобных исследований можно считать сильно усредненными или приближенными.

Влияние выхлопных газов на здоровье человека

Высокая концентрация вредных веществ, содержащихся в выхлопах автомобилей, в атмосфере представляет серьезную опасность для здоровья. Одним из самых быстродействующих и наиболее опасных компонентов автомобильных выхлопов является угарный газ. Он не имеет вкуса и запаха, а при высокой концентрации в замкнутом объеме вызывает тошноту, головокружение, удушье, обмороки и смерть.

Долгое время в качестве автомобильного топлива использовался этилированный бензин, в продуктах его сгорания присутствовал свинец. Этот опасный для человека элемент способен накапливаться в организме. Сейчас этот металл исключен из состава бензина, но за время применения этилированного бензина, свинец мог серьезно повлиять на здоровье жителей крупных городов.

При нагревании углеводородов под воздействием прямых солнечных лучей они окисляются и при вдыхании вызывают раздражение слизистых оболочек глаз и обострение хронических заболеваний дыхательной системы.

Сажа и бензипрен, накапливаясь в организме человека, способны вызвать появление опухолей, в том числе и недоброкачественных.

При классификации веществ, вырабатывающихся в процессе сгорания автомобильного топлива, по степени опасности для человека выделяют 6 основных групп:

1. Безопасные.
   К ним относятся азот и его соединения, водород и водяные пары, кислород, углекислый газ и другие элементы земной атмосферы.
2. Оксид углерода или угарный газ.
   Наиболее опасная составляющая отходящих газов, он способен вызвать отравление и привести к смерти от сильнейшего удушья.
3. Оксид и диоксид азота.
   Эти вещества считаются более опасными чем угарный газ, при длительном воздействии данных газов даже в небольшой концентрации можно заболеть астмой, получить отек легких или хронический бронхит, а также они способствуют развитию заболеваний пищеварительной, сердечно-сосудистой и нервной систем.
4. Углеводородные соединения.
   В эту группу входит множество органических соединений, большинство из которых ядовиты, вредны для сердечно-сосудистой системы или приводят к возникновению опухолей.
5. Альдегиды.
   Вызывают раздражение слизистых оболочек, приводят к заболеваниям дыхательных путей и убивают нервные клетки.
6. Сажа и мелкодисперсные элементы
   Кроме непосредственного влияния на дыхательные пути и кровеносные сосуды способны впитывать в себя вредные вещества и способствовать их накоплению в организме.

Лечение при отравлении

В случае отравления продуктами сгорания топлива следует срочно обратиться в больницу. Для снижения вреда выхлопных газов автомобилей для сердечно-сосудистой системы производят инъекции препаратов для нормализации ее работы.

При отравлении угарным газом проводят искусственную вентиляцию легких, детоксикацию.

Первая помощь при отравлении

При подобных отравлениях необходимо вывести пострадавшего на свежий воздух, расположить его в сидячем или полусидячем положении и срочно вызвать скорую помощь. До приезда медицинской бригады можно укрыть пострадавшего теплым одеялом и дать теплое питье.

Влияние выхлопных газов на окружающую среду

Выхлопы автомобилей влияют на городскую экологию следующим образом:

• Загрязнение воздуха, воды и почвы вредными веществами.
• Отравление растений, растущих вдоль дорог.
• Возникновение ядовитых кислотных осадков.
• Отрицательное влияние на сельскохозяйственные и кормовые культуры на полях рядом с дорогами.

Все перечисленные факторы тем или иным образом влияют и на здоровье местных жителей.

Как защититься от выхлопных газов?

Для защиты от вредного воздействия газов в местах большого скопления техники или в автомобильных пробках можно применить противогаз или респиратор. Но они редко имеются под рукой. Уменьшить воздействие автомобильных выхлопов можно при помощи самодельной повязки из шарфа или платка.

Для защиты квартиры , расположенной вблизи дороги или парковки, рекомендуется приобрести плотные стеклопакеты, чаще применять специальные приборы – очистители воздуха и как можно больше времени проводить за городом или в парках.

Основные загрязнители атмосферы: классификация по агрегатному состоянию

Основные химические загрязнители атмосферы

Источники химического загрязнения воздуха и его последствия

Антропогенное загрязнение атмосферы: виды, основные источники, последствия

Ингредиентное загрязнение окружающей среды

Причины появления фотохимического тумана и смога

Влияние загрязнения атмосферы на здоровье человека и окружающую среду

Экологический класс транспортного средства: как узнать, таблица, по VIN

Контроль и критерии оценки качества атмосферного воздуха

Механизм образования кислотных дождей: кислоты из серы и азота

Экологические проблемы использования тепловых двигателей