Конструктивное обеспечение экологической безопасности автомобиля

Лекция 3

Аудиторская организация, аудитор могут являться членами только одной саморегулируемой организации аудиторов.

Конструкция автомобиля постоянно совершенствуется. Одним из приоритетных направлений совершенствования автомобильных систем является снижение экологической опасности.

Современные экологические нормы ЕВРО-5, которыми автопроизводители руководствуются с 2005 года, предполагают снижение выбросов вредных веществ и уровня шума за счет изменений в выпускной системе и системе управления двигателем.

Выпускная система (другое наименование – система выпуска отработавших газов, выхлопная система) предназначена для отвода отработавших газов из цилиндров двигателя, их охлаждения, а также снижения шума и токсичности.

Система выпуска отработавших газов имеет следующее общее устройство (рисунок 1):

· выпускной коллектор;

· приемная труба глушителя;

· виброизолирующая муфта;

· каталитический нейтрализатор;

· сажевый фильтр;

· кислородный датчик;

· предварительный глушитель;

· основной глушитель;

· соединительные трубы.

На примере системы бензинового двигателя с турбонаддувом:

1. турбонагнетатель

2. кислородный датчик перед нейтрализатором

3. каталитический нейтрализатор

4. кислородный датчик за нейтрализатором

5. выпускная труба с виброизолирующей муфтой

6. выпускная труба

7. предварительный глушитель

8. основной глушитель

9. подвеска выпускной системы

Рисунок 1 – Схема выпускной системы

Все конструктивные элементы выпускной системы расположены под днищем автомобиля.

Выпускная система современных автомобилей включает каталитический нейтрализатор. Каталитический нейтрализатор (обиходное название – катализатор) предназначен для снижения выброса вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами.

Каталитический нейтрализатор применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Нейтрализатор обычно устанавливается непосредственно за выпускным коллектором или перед глушителем.

Каталитический нейтрализатор имеет следующее устройство:

· блок-носитель;

· теплоизоляция;

· корпус.

Основным элементом каталитического нейтрализатора является блок-носитель, который служит основанием для катализаторов. Блок-носитель изготавливается из специальной огнеупорной керамики. Конструктивно блок-носитель состоит из множества продольных сот-ячеек, которые значительно увеличивают площадь соприкосновения с отработавшими газами.

На поверхность сот-ячеек тонким слоем наносятся вещества- катализаторы. В качестве таких веществ используются платина, палладий и родий. Катализаторы ускоряют протекание химических реакций в нейтрализаторе.

Платина и палладий относятся к окислительным катализаторам. Они способствуют окислению несгоревших углеводородов (СН) в водяной пар, оксида углерода (угарный газ, СО) в углекислый газ.

Родий является восстановительным катализатором. Он восстанавливает оксиды азота (NO_x) в безвредный азот.

Таким образом, три катализатора снижают содержание в отработавших газах трех вредных веществ. Такой нейтрализатор называется трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

Блок-носитель помещается в металлический корпус. Между ними обычно располагается слой теплоизоляции. В корпусе нейтрализатора устанавливается кислородный датчик.

Кислородный датчик (другое наименование лямбда-зонд, датчик концентрации кислорода) служит для определения количества кислорода в отработавших газах.

Для обеспечения эффективной (экономичной и экологичной) работы двигателя внутреннего сгорания соотношение воздуха и топлива в топливно-воздушной смеси должно быть постоянным на всех режимах работы. Это достигается использованием кислородного датчика в выпускной системе. Сам процесс управления содержанием кислорода в выхлопных газах называется лямбда-регулированием.

Так, при недостатке воздуха в топливно-воздушной смеси, углеводороды и угарный газ полностью не окисляются. С другой стороны, при избытке воздуха оксиды азота полностью не разлагаются на азот и кислород.

На отдельных моделях автомобилей применяется два кислородных датчика: один устанавливается до каталитического нейтрализатора, другой – после. Применение двух кислородных датчиков усиливает контроль над составом отработавших газов и обеспечивает эффективную работу нейтрализатора.

Помимо кислородного датчика в выпускном тракте могут устанавливаться другие входные устройства: датчик температуры отработавших газов, датчик оксидов азота.

Условием эффективной работы каталитического нейтрализатора является температура 300°С. При такой температуре задерживается порядка 90% вредных веществ. С целью быстрого прогрева нейтрализатора при запуске двигателя осуществляются следующие мероприятия:

· установка нейтрализатора непосредственно за выпускным коллектором;

· повышение температуры выхлопных газов за счет обогащения топливно-воздушной смеси.

На легковых автомобилях с дизельным двигателем в составе выпускной системы с 2004 года применяется сажевый фильтр. Сажевый фильтр предназначен для снижения выброса сажевых частиц в атмосферу с отработавшими газами.

В выпускной системе дизельного двигателя сажевый фильтр обычно объединен с каталитическим нейтрализатором окислительного типа. Такой фильтр имеет название сажевый фильтр с каталитическим покрытием. Сажевый фильтр с каталитическим покрытием устанавливается за выпускным коллектором в непосредственной близости от двигателя.

Основным конструктивным элементом сажевого фильтра является т.н. матрица, которая изготавливается из керамики (карбида кремния). Керамическая матрица имеет ячеистую структуру, состоящую из каналов малого сечения, попеременно закрытых с одной и с другой стороны. Стенки каналов имеют пористую структуру и выполняют роль фильтра. На поверхность стенок нанесен тонкий слой катализатора – титана. Матрица помещена в металлический корпус.

При прохождении отработавших газов через сажевый фильтр, частицы сажи задерживаются на поверхности стенок матрицы. Нанесенный на стенки матрицы катализатор способствует окислению несгоревших углеводородов и угарного газа.

Очистка фильтра от накопившейся сажи происходит путем регенерации. Различают активную и пассивную регенерацию сажевого фильтра.

При пассивной регенерации происходит непрерывное окисление сажи за счет действия катализатора и высокой температуры отработавших газов (350-500°С). Цепочка химических преобразований при пассивной регенерации имеет следующий вид:

· оксиды азота вступают в реакцию с кислородом в присутствии катализатора с образованием диоксида азота;

· диоксид азота вступает в реакцию с частицами сажи (углеродом) с образованием оксида азота и угарного газа;

· оксид азота и угарный газ вступают в реакцию с кислородом с образованием диоксида азота и углекислого газа.

При определенных режимах работы двигателя (небольшая нагрузка и др.) наблюдается недостаточно высокая температура отработавших газов и пассивная регенерация происходить не может. В этом случае осуществляется активная (принудительная) регенерация сажевого фильтра. Активная регенерация происходит при температуре 600-650°С, которая создается при помощи системы управления двигателем. При данной температуре частицы сажи вступают в реакцию с кислородом с образованием углекислого газа.

Управление активной регенерацией сажевого фильтра осуществляется с помощью следующих датчиков:

· расходомер воздуха;

· датчик температуры отработавших газов до сажевого фильтра;

· датчик температуры отработавших газов после сажевого фильтра;

· датчик перепада давления в сажевом фильтре.

На основании электрических сигналов датчиков электронный блок управления производит дополнительный впрыск топлива в камеру сгорания, а также снижает подачу воздуха в двигатель и прекращает рециркуляцию отработавших газов. При этом температура отработавших газов поднимается до требуемой величины.

Глушитель является важным конструктивным элементом выпускной системы, без которого эксплуатация современного автомобиля просто невозможна. Автомобильный глушитель выполняет следующие основные функции:

· снижение уровня шума отработавших газов;

· преобразование энергии отработавших газов, снижение их скорости, температуры, пульсации.

Отработавшие газы, покидающие цилиндры двигателя, имеют высокое давление. При движении отработавших газов по выпускной системе создаются звуковые волны, распространяющиеся быстрее газов. Глушитель преобразует энергию звуковых колебаний в тепловую энергию, чем достигается снижение уровня шума до определенного (заданного) значения. Вместе с тем с применением глушителя в выпускной системе создается противодавление, которое приводит к некоторому снижению мощности двигателя.

В глушителе используется несколько технологий снижения уровня шума:

· расширение (сужение) потока;

· изменение направления потока;

· интерференция звуковых волн;

· поглощение звуковых волн.

Расширение потока реализовано посредством нескольких камер разного объема, разделенных перегородками. Позволяет эффективно гасить низкочастотные звуковые колебания. Наряду с расширением в глушителе осуществляется сужение потока с помощью диафрагменного отверстия (дросселя). Используется для гашения высокочастотного шума.

В глушителе, за исключением прямоточных глушителей, предусматривается изменение направления движения потока отработавших газов. Угол поворота потока находится в пределе 90-360°, чем достигается гашение средне- и высокочастотных звуковых колебаний.

Интерференция звуковых волн, в зависимости от характера их наложения, приводит к увеличению (конструктивная интерференция) или уменьшению (деструктивная интерференция) амплитуды колебаний. В глушителе используются оба вида интерференции. Технология реализована с помощью перфорационных отверстий в трубах глушителя. Изменяя размер отверстий и объем окружающей трубу камеры можно добиться гашения звуковых колебаний в широком диапазоне частот.

При прохождении звуковых волн через специальный звукопоглощающий материал происходит их поглощение. Данный способ эффективен при гашении высокочастотных звуковых колебаний.

Для достижения наибольшего эффекта данные технологии в глушителях используются, как правило, в комплексе.

В современных автомобилях устанавливается от одного до пяти глушителей, в основном – два. Ближайший к двигателю глушитель называется предварительным (передним) глушителем или резонатором. За ним следует основной (задний) глушитель. Для каждой конкретной модели автомобиля и марки двигателя используется свой набор глушителей.

На примере глушителя автомобиля ВАЗ-2109

1. корпус;

2. теплоизоляция;

3. глухая перегородка;

4. перфорированная труба;

5. дроссель

Рисунок 2 – Схема предварительного глушителя (резонатора)

Резонатор служит для предварительного снижения уровня шума и уравновешивания пульсаций потока отработавших газов. Конструктивно резонатор представляет собой перфорированную трубу, помещенную в металлический корпус. Для повышения эффективности гашения колебаний в трубе выполняется дроссельное отверстие.

На примере глушителя автомобиля ВАЗ-2109

6. передняя перфорированная труба;

7. впускной патрубок;

8. средняя перегородка;

9. выпускной патрубок;

10. передняя перегородка;

11. задняя перфорированная труба;

12. задняя перегородка4

13. корпус

Рисунок 3 – Схема основного глушителя

Основной глушитель обеспечивает окончательное шумоподавление. Он имеет более сложную конструкцию. В металлическом корпусе размещается несколько перфорированных трубок. Корпус разделен перегородками на 2-4 камеры. Некоторые камеры могут заполняться звукопоглощающим материалом. В основном глушителе поток отработавших газов многократно меняет свое направление – лабиринтный глушитель.

В современном автомобиле помимо выпускной системы применяются и другие экологические системы, среди которых:

· система вентиляции картера;

· система рециркуляции отработавших газов;

· система улавливания паров бензина.

Система вентиляции картера предназначена для уменьшения выброса вредных веществ из картера двигателя в атмосферу. При работе двигателя из камер сгорания в картер могут просачиваться отработавшие газы. В картере также находятся пары масла, бензина и воды. Все вместе они называются картерными газами. Скопление картерных газов ухудшает свойства и состав моторного масла, разрушает металлические части двигателя.

На современных двигателях применяется принудительная система вентиляции картера закрытого типа. Система вентиляции картера у разных производителей и на разных двигателях может иметь различную конструкцию. Вместе с тем можно выделить следующие общие конструктивные элементы данной системы (рисунок 4):

· маслоотделитель;

· клапан вентиляции картера;

· воздушные патрубки.

На примере системы дизельного двигателя TDI

1. центробежный маслоотделитель

2. клапан вентиляции картера

3. охладитель нагнетаемого воздуха

4. турбонагнетатель

5. отработавшие газы

Рисунок 4 – Схема системы вентиляции картера

Маслоотделитель предотвращает попадание паров масла в камеру сгорания двигателя, тем самым уменьшает образование сажи. Различают лабиринтный и циклический способы отделения масла от газов. Современные двигатели оборудованы маслоотделителем комбинированного действия.

В лабиринтном маслоотделителе (другое наименование успокоитель) замедляется движение картерных газов, за счет чего крупные капли масла оседают на стенках и стекают в картер двигателя.

Центробежный маслоотделитель производит дальнейшее отделение масла от картерных газов. Картерные газы, проходя через маслоотделитель, приходят во вращательное движение. Частицы масла под действием центробежной силы оседают на стенках маслоотделителя и стекают в картер двигателя.

Для предотвращения турбулентности картерных газов после центробежного маслоотделителя применяется выходной успокоитель лабиринтного типа. В нем происходит окончательное отделение масла от газов.

Клапан вентиляции картера служит для регулирования давления поступающих во впускной коллектор картерных газов. При незначительном разряжении клапан открыт. При значительном разряжении во впускном канале клапан закрывается.

Работа системы вентиляции картера основана на использовании разряжения, возникающего во впускном коллекторе двигателя. Посредством разряжения газы выводятся из картера. В маслоотделителе картерные газы очищаются от масла. После чего, газы по патрубкам направляются во впускной коллектор, где смешиваются с воздухом и сжигаются в камерах сгорания.

В двигателях с турбонаддувом осуществляется дроссельное регулирование вентиляции картера.

Система рециркуляции отработавших газов (EGR – Exhaust Gas Recirculation) предназначена для снижения в отработавших газах оксидов азота за счет возврата части газов во впускной коллектор.

Оксиды азота образуются в двигателе под действием высокой температуры. Чем выше температура в камерах сгорания, тем больше образуется оксидов азота. Возврат части отработавших газов во впускной коллектор позволяет снизить температуру сгорания топливно-воздушной смеси, и, тем самым, уменьшить образование оксидов азота. При этом соотношение компонентов в топливно-воздушной смеси остается неизменным, а мощностные характеристики двигателя изменяются незначительно.

Система рециркуляции отработавших газов применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. На бензиновых двигателях внутреннего сгорания, оборудованных турбонаддувом, система рециркуляции отработавших газов не применяется.

На разных конструкциях двигателей система рециркуляции отработавших газов имеет различное устройство. Вместе с тем, можно выделить общие конструктивные элементы данной системы (рисунок 3):

· клапан рециркуляции;

· управляющий клапан;

· воздушные патрубки.

На примере системы дизельного двигателя TDI

1. блок управления двигателем

2. сигнал датчика частоты вращения коленчатого вала

3. сигнал датчика массового расхода воздуха

4. сигнал датчика температуры охлаждающей жидкости

5. электромагнитный клапан управления рециркуляцией

6. электромагнитный клапан управления заслонкой охладителя

7. клапан рециркуляции отработавших газов

8. электропривод впускной заслонки

9. вакуумный привод заслонки охладителя

10. охладитель перепускаемых отработавших газов

11. вакуумный насос

12. каталитический нейтрализатор

Рисунок 5 – Схема системы рециркуляции отработавших газов

Клапан рециркуляции непосредственно осуществляет перепускание отработавших газов из выпускной системы во впускной коллектор. Работа клапана основана на разряжении, возникающем во впускном коллекторе. За счет разряжения вакуумный преобразователь перемещает вал клапана. Величина открытия клапана определяет объем отработавших газов, поданных к впускному коллектору.

Управляющий клапан (другое наименование – активатор) регулирует величину разряжения, подающегося на клапан рециркуляции. Управляющий клапан представляет собой электромагнитный клапан. Работа клапана осуществляется по команде электронного блока управления в зависимости от режимов работы двигателя.

На основании электрического сигнала от электронного блока управления открывается электромагнитный клапан. Разряжение из впускного коллектора подается на вакуумный преобразователь. Клапан рециркуляции открывается на определенную величину, и часть отработавших газов направляется во впускной коллектор.

Система рециркуляции отработавших газов не работает на холостом ходу, при холодном двигателе, а также при полностью открытой дроссельной заслонке.

На современных двигателях рециркуляция отработавших газов производится под контролем системы управления двигателем. Конструктивно такая система рециркуляции включает дроссельный клапан с элетроприводом. Срабатывание системы происходит по команде блока управления двигателем на основании показаний входных датчиков. По сигналу включается электродвигатель и открывает дроссельную заслонку. Положение дроссельной заслонки контролируется потенциометрическим датчиком. Сигнал от датчика используется для определения величины перепускаемых газов.

На отдельных двигателях в системе рециркуляции отработавших газов применяется охлаждение газов. Охлаждение отработавших газов дополнительно снижает температуру сгорания и, тем самым, уменьшает образование оксидов азота. Охлаждение производится путем прохождения охлаждающей жидкости через клапан рециркуляции. Реже в системе рециркуляции отработавших газов используется специальный радиатор, включенный в систему охлаждения.

Система улавливания паров бензина (EVAP - Evaporative Emission Control) предназначена для предотвращения утечки паров бензина в атмосферу. Система применяется на всех современных моделях бензиновых двигателей.

Система улавливания паров бензина имеет следующее устройство (рисунок 6):

· угольный фильтр (адсорбер);

· запорный клапан;

· соединительные шланги и патрубки.

На примере системы двигателя с турбонаддувом

1. адсорбер

2. топливный бак

3. патрубок подачи в турбонагнетатель

4. турбонагнетатель

5. впускной коллектор

6. патрубок подачи в впускной коллектор

7. обратный клапан

8. запорный электромагнитный клапан

9. интеркулер

Рисунок 6 – Схема системы улавливания паров бензина

Основу конструкции системы составляет адсорбер, который собирает пары бензина из топливного бака. Адсорбер имеет соединение с воздушным фильтром.

Освобождение адсорбера от паров бензина осуществляется с помощью электромагнитного запорного клапана. На клапан воздействует электронный блок управления.

По команде электронного блока управления запорный клапан открывается. В адсорбере пары бензина продуваются за счет разряжения и направляются во впускной коллектор. Далее они сжигаются в камерах сгорания двигателя.

В двигателях с турбонаддувом продувка адсорбера производится при отсутствии давления наддува непосредственно в впускной коллектор. С ростом давления наддува срабатывает обратный клапан и пары бензина поступают в турбонагнетатель.

На холостом ходу и при холодном двигателе продувка паров бензина из адсорбера во впускной коллектор не производится.

Системой управления двигателем называется электронная система управления, которая обеспечивает работу двух и более систем двигателя.

Генератором развития систем управления двигателем в мире является немецкая фирма Bosch. Технический прогресс в области электроники, жесткие нормы экологической безопасности обусловливают неуклонный рост числа подконтрольных систем двигателя.

Простейшей системой управления двигателем является объединенная система впрыска и зажигания. Современная система управления двигателем объединяет значительно больше систем и устройств, среди которых:

· топливная система;

· система впрыска;

· система впуска;

· система зажигания;

· выпускная система;

· система охлаждения;

· система рециркуляции отработавших газов;

· система улавливания паров бензина;

· вакуумный усилитель тормозов.

Система управления двигателем имеет следующее общее устройство (рисунок 7):

· входные датчики;

· электронный блок управления;

· исполнительные устройства систем двигателя.

На примере двигателя с непосредственным впрыском топлива

1. адсорбер

2. запорный клапан системы улавливания паров бензина

3. датчик давления во впускном коллекторе

4. топливный насос высокого давления

5. датчик давления топлива в контуре низкого давления

6. датчик давления топлива в контуре высокого давления

7. форсунка впрыска

8. клапан регулирования фаз газораспределения

9. катушка зажигания

10. датчик Холла

11. датчик температуры воздуха на впуске

12. блок управления дроссельной заслонкой с датчиком положения

13. управляющий клапан системы рециркуляции отработавших газов

14. потенциометр заслонки впускного коллектора

15. датчик детонации

16. датчик частоты вращения коленчатого вала

17. кислородный датчик

18. датчик температуры охлаждающей жидкости

19. блок управления

20. диагностический интерфейс

21. датчик положения педали газа

22. топливный насос

23. кислородный датчик

24. датчик температуры отработавших газов

25. датчик оксидов азота

Рисунок 7 – Схема системы управления двигателем

Принцип работы системы управления двигателем основан на комплексном управлении величиной крутящего момента двигателя. Другими словами, система управления двигателем приводит величину крутящего момента в соответствия с конкретным режимом работы двигателя. Система в своей работе различает следующие режимы работы двигателя:

· запуск;

· прогрев;

· холостой ход;

· движение;

· переключение передач;

· торможение;

· работа системы кондиционирования.

Изменение величины крутящего момента производиться двумя способами – путем регулирования наполнения цилиндров воздухом и регулированием угла опережения зажигания.

Дата добавления: 2014-01-03