13. Снижение выброса токсичных веществ с отработавшими газами

Рост моторизации приносит с собой необходимость проведения мер по охране окружающей среды. Воздух в городах все более загрязняется веществами, вредными для здоровья человека, особенно окисью углерода, несгоревшими углеводородами, окислами азота, соединениями свинца, серы и т. д. В значительной мере это продукты неполного сгорания топлив, применяемых на предприятиях, в быту, а также в автомобильных двигателях.

Наряду с токсичными веществами при эксплуатации автомобилей вредное воздействие на население оказывает и их шум. За последнее время в городах уровень шума возрастал ежегодно на 1 дБ, поэтому необходимо не только приостановить возрастание общего уровня шума, но и добиться его снижения. Постоянное воздействие шума вызывает нервные заболевания, снижает трудоспособность людей, особенно занятых умственной деятельностью. Моторизация приносит шум в ранее тихие отдаленные места. Снижению шума, создаваемого деревообрабатывающими и сельскохозяйственными машинами, к сожалению, до сих пор не уделяется должного внимания. Цепная бензопила создает шум в значительной части леса, что вызывает изменения условий жизни животных и нередко бывает причиной исчезновения их отдельных видов.

Наиболее часто, однако, вызывает нарекания загрязнение атмосферы отработавшими газами автомобилей.

При оживленном движении отработавшие газы скапливаются у поверхности почвы и при наличии солнечной радиации, особенно в промышленных городах, расположенных в плохо проветриваемых котловинах, образуется так называемый смог^*. Атмосфера загрязняется в такой степени, что пребывание в ней вредит здоровью. Сотрудники дорожной службы, стоящие на некоторых оживленных перекрестках, в целях сохранения своего здоровья применяют кислородные маски. Особенно вредна располагающаяся вблизи земной поверхности относительно тяжелая окись углерода, проникающая в нижние этажи зданий, гаражи и уже не однажды приводившая к смертельным случаям.

^* (Выражение "смог" возникло из сочетания английских слов smoke - дым и fog - туман. - Примеч. авт.)

Законодательные предприятия ограничивают содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей, причем они постоянно ужесточаются (табл. 13).

Таблица 13. Допустимый выброс вредных веществ с отработавшими газами легковых автомобилей согласно законодательству шт. Калифорния, США

^* (Действующие в настоящее время в шт. Калифорния предписания ограничивают выбросы: СН_х = 0,39 г/миля (0,244 г/км), СО = 7,0 г/миля (4,36 г/км), NO_x = 0,4 г/миля (0,25 г/км). - Примеч. ред.)

Предписания приносят изготовителям автомобилей большие заботы; они также косвенно влияют и на эффективность автомобильного транспорта.

Для полного сгорания топлива можно допустить некоторый избыток воздуха с тем, чтобы обеспечить хорошее смешение с ним топлива. Необходимый избыток воздуха зависит от степени перемешивания топлива с воздухом. В карбюраторных двигателях на этот процесс отводится значительное время, поскольку путь топлива от смесеобразующего устройства до свечи зажигания достаточно большой.

Современный карбюратор позволяет образовать различные виды смеси. Наиболее богатая смесь нужна для холодного пуска двигателя, так как значительная доля топлива конденсируется на стенках впускного трубопровода и сразу в цилиндр не попадает. Испаряется при этом лишь небольшая часть легких фракций топлива. При прогреве двигателя также требуется смесь богатого состава.

При движении автомобиля состав топливовоздушной смеси должен быть бедным, что обеспечит хороший КПД и небольшой удельный расход топлива. Для достижения максимальной мощности двигателя нужно иметь богатую смесь, чтобы полностью использовать всю массу поступившего в цилиндр воздуха. Для обеспечения хороших динамических качеств двигателя при быстром открывании дроссельной заслонки необходимо дополнительно подать во впускной трубопровод некоторое количество топлива, что компенсирует топливо, осевшее и сконденсированное на стенках трубопровода в результате повышения в нем давления.

Для хорошего перемешивания топлива с воздухом следует создать высокую скорость воздуха и его вращение. Если сечение диффузора карбюратора постоянно, то при низких частотах вращения двигателя для хорошего смесеобразования скорость воздуха в нем мала, а при высоких - сопротивление диффузора приводит к уменьшению массы поступающего в двигатель воздуха. Этот недостаток можно устранить, используя карбюратор с переменным сечением диффузора или впрыск топлива во впускной трубопровод.

Существует несколько типов систем впрыска бензина во впускной трубопровод. В наиболее часто применяемых системах топливо подается через отдельную для каждого цилиндра форсунку, благодаря чему достигается равномерное распределение топлива между цилиндрами, устраняется оседание и конденсация топлива на холодных стенках впускного трубопровода. Количество впрыскиваемого топлива легче приблизить к оптимальному, требуемому двигателем в данный момент. Отпадает необходимость в диффузоре, исключаются возникающие при его прохождении воздухом потери энергии. В качестве примера такой системы подачи топлива можно привести часто применяемую систему впрыска типа "Бош К-Джетроник", уже упоминавшуюся ранее в 9.5 при рассмотрении двигателей с турбонаддувом.

Схема этой системы представлена на рис. 94. Конический патрубок 1, в котором перемещается качающийся на рычаге 2 клапан 3, выполнен так, что подъем клапана пропорционален массовому расходу воздуха. Окна 5 для прохода топлива открываются золотником 6 в корпусе регулятора при перемещении рычага под воздействием поступающего потока воздуха. Необходимые изменения состава смеси в соответствии с индивидуальными особенностями двигателя достигаются формой конического патрубка. Рычаг с клапаном уравновешен противовесом, силы инерции при колебаниях автомобиля не влияют на клапан.

Рис. 94. Система впрыска бензина 'Бош К-Джетроник': 1 - впускной патрубок; 2 - рычаг воздушного пластинчатого клапана; 3 - воздушный пластинчатый клапан; 4 - дроссельная заслонка; 5 - окна; 6 - дозирующий золотник; 7 - регулировочный винт; 8 - топливная форсунка; 9 - нижняя камера регулятора; 10 - распределительный клапан; И - стальная мембрана; 12 - седло клапана; 13 - пружина распределительного клапана; 14 - редукционный клапан; 15 - топливный насос; 16 - топливный бак; 17 - топливный фильтр; 18 - регулятор давления топлива; 19 - регулятор подачи дополнительного воздуха; 20 - перепускной клапан топлива; 21 - топливная форсунка холодного пуска; 22 - термостатный датчик температуры воды

Расход воздуха, поступающего в двигатель, регулируется дроссельной заслонкой 4. Демпфирование колебаний клапана, а с ним и золотника, возникающих при низких частотах вращения двигателя вследствие пульсаций давления воздуха во впускном трубопроводе, достигается жиклерами в топливной системе. Для регулирования количества подаваемого топлива служит также винт 7, расположенный в рычаге клапана.

Между окном 5 и форсункой 8 размещен распределительный клапан 10, поддерживающий с помощью пружины 13 и седла 12, опирающегося на мембрану 11, постоянное давление впрыска в распылителе форсунки 0,33 МПа при давлении перед клапаном 0,47 МПа.

Топливо из бака 16 подается электрическим бензонасосом 15 через регулятор давления 18 и топливный фильтр 17 в нижнюю камеру 9 корпуса регулятора. Постоянное давление топлива в регуляторе поддерживается редукционным клапаном 14. Мембранный регулятор 18 предназначен для сохранения давления топлива при неработающем двигателе. Это предотвращает образование воздушных пробок и обеспечивает хороший пуск горячего двигателя. Регулятор также замедляет рост давления топлива при пуске двигателя и гасит его колебания в трубопроводе.

Холодный пуск двигателя облегчают несколько устройств. Перепускной клапан 20, управляемый биметаллической пружиной, открывает при холодном пуске сливную магистраль в топливный бак, что снижает давление топлива на торец золотника. Этим нарушается равновесие рычага и одному и тому же количеству поступающего воздуха будет соответствовать больший объем впрыскиваемого топлива. Другим устройством является регулятор подачи дополнительного воздуха 19, диафрагму которого также открывает биметаллическая пружина. Дополнительный воздух необходим для преодоления повышенного сопротивления трения холодного двигателя. Третье устройство - это топливная форсунка 21 холодного пуска, управляемая термостатом 22 в водяной рубашке двигателя, который держит форсунку открытой, пока охлаждающая двигатель жидкость не достигнет заданной температуры.

Оснащение электроникой рассмотренной системы впрыска бензина ограничено минимумом. Электрический бензонасос при остановленном двигателе выключен и, например, при аварии топливоподача прекращается, что препятствует возникновению пожара в автомобиле. В неработающем двигателе находящийся в нижнем положении рычаг нажимает на расположенный под ним выключатель, который прерывает ток, подаваемый в стартер и нагревательные спирали термостата. Работа форсунки холодного пуска зависит от температуры двигателя и времени его работы.

Если в один цилиндр из впускного трубопровода поступает больше воздуха, чем в другие, то подача топлива определяется условиями работы цилиндра с большим количеством воздуха, т. е. с бедной смесью, чтобы в нем было обеспечено надежное воспламенение. Остальные цилиндры при этом будут работать при обогащенных смесях, что экономически невыгодно и ведет к повышению содержания вредных веществ.

В дизелях смесеобразование более затруднено, так как на смешение топлива и воздуха отводится очень короткое время. Процесс воспламенения топлива начинается с небольшим запаздыванием после начала впрыска топлива в камеру сгорания. В процессе сгорания впрыск топлива все еще продолжается и в таких условиях невозможно достигнуть полного использования воздуха.

В дизелях поэтому должен иметься избыток воздуха и даже при дымлении (что указывает на неполное сгорание смеси) в отработавших газах присутствует неиспользованный кислород. Это вызвано плохим перемешиванием капель топлива с воздухом. В центре топливного факела имеется недостаток воздуха, что и приводит к дымлению, хотя в непосредственной близости вокруг факела находится неиспользованный воздух. Частично об этом уже упоминалось в 8.7.

Преимущество дизелей состоит в том, что воспламенение смеси гарантируется и при большом избытке воздуха. Неиспользование всего количества поступившего в цилиндр воздуха при сгорании является причиной относительно небольшой удельной мощности дизеля на единицу веса и рабочего объема, несмотря на его высокую степень сжатия.

Более совершенное смесеобразование имеет место в дизелях с разделенными камерами сгорания, у которых горящая богатая смесь из дополнительной камеры поступает в основную камеру сгорания, заполненную воздухом, хорошо смешивается с ним и сгорает. Для этого требуется меньшее количество избыточного воздуха, чем при не-посредственном впрыске топлива, однако большая охлаждающая поверхность стенок приводит к большим потерям теплоты, что вызывает падение индикаторного КПД,