Кроме того, в эксплуатации при плановых технических осмотрах и выборочном контроле на дороге проверяется выброс CO и СН на двух режимах холостого хода: при минимальной nx.x.min и повышенной nпов частотах вращения коленчатого вала, устанавливаемых предприятием-изготовителем, обычно (nпов) изменяется от 2000 мин-1 до 0,8 nном. Нормы на выброс CO и СН приведены в гл. «Диагностирование, регулирование и ремонт карбюратора».
Для двигателей грузовых автомобилей токсичность отработавших газов оценивается на моторном стенде. Испытание состоит из восьми различных нагрузочных режимов при n = 2000 мин-1, включая и принудительный холостой ход и самостоятельный холостой ход при nx.x.min.
Содержание CO и СН в отработавших газах определяется факторами:
- составом топливовоздушной смеси в каждом из цилиндров. Теоретически при α=1, если топливо сгорает полностью, CO должно присутствовать, однако практически при α=1 содержание CO находится в пределах 0,5...1,2 %. По мере обогащения смеси концентрация CO возрастает, достигая 7% при а = 0,8 (рис. 6);
- отношением поверхности камеры сгорания к ее объему. Это определяется образованием СН в пристеночном слое, имеющем более низкую температуру и менее интенсивную турбулентность смеси;
- наличием объемов в зазоре между цилиндром и поршнем в зоне до первого поршневого кольца, в вытеснителе — объемом между днищем поршня и головкой цилиндра. Например, у двигателя с полуклиновидной камерой сгорания увеличение высоты вытеснителя с 2 до 4 мм снижает выброс СН примерно на 200 м.'иГ1;
- перебоями в воспламенении и вялым сгоранием смеси из-за нарушений в системе зажигания;
- недостаточным прогревом охлаждающей жидкости, особенно в системе подогрева впускного трубопровода;
- неравномерностью распределения смеси по цилиндрам. Особенно заметно отклонение от средних значений αср бывает на режимах холостого хода. Иногда α приходится уменьшать до 0,75...0,8, особенно для восьмицилиндровых двигателей. В цилиндрах с обедненным составом смеси резко увеличивается выброс СН из-за нестабильности процесса сгорания, а в цилиндрах с переобогащенной смесью возрастает выброс и СО, и СН. В результате иногда на режиме холостого хода двигателя нормы ГОСТ 17.2.2.03—87 на содержание CO (1,5%) и СН (3000 мин-1) не выполняются. Одним из способов снижения выброса CO и СН на режимах холостого хода и малых нагрузок является применение систем холостого хода с подачей топлива в зону высоких (околозвуковых) скоростей воздуха. За счет улучшения качества распыливания топлива и более равномерного распределения топлива (по составу) удается существенно (в среднем в 2 раза) снизить выброс CO и СН. Одновременно расширяется и зона стабильной работы двигателя (без перебоев), а следовательно, снижаются требования к точности регулирования состава смеси.
Рис. 6. Зависимости компонентов отработавших газов от состава смеси:
———— расчетные кривые;
——·—— экспериментальные
Одним из способов снижения выброса СН является уменьшение угла опережения зажигания. Однако это сопровождается увеличением расхода топлива, перегревом деталей выпускной системы, особенно тарелок выпускных клапанов. Если не удается обеспечить существующие нормы на выбросы при оптимальных углах опережения зажигания, его характеристики выбираются так, чтобы значения СН были близкими к заданным нормам.
Снижение выброса СН может быть достигнуто и повышением интенсивности искрового разряда. Наибольший эффект обеспечивает применение системы зажигания с искровым факелом, энергия искрового разряда которого увеличивается до 550 мДж, т. е. в 20—30 раз. При значении n = 2000 мин и средних нагрузках минимальный выброс СН отличается на небольшую величину, минимальный удельный расход топлива снижается на 7%. Однако на холостом ходу снижение выброса СН может доходить до 40%.
Преимуществом системы зажигания с повышенной энергией разряда является более пологое протекание характеристик СН и GT, что в эксплуатационных условиях может дать существенный эффект за счет снижения требований к стабильности регулировок карбюратора и характеристик автомата опережения зажигания.
Одним из наиболее токсичных компонентов в отработавших газах являются оксиды азота — NO, NO2, N2O5, обозначаемые условно NOx. К числу основных факторов, определяющих выброс NOx относятся максимальная температура цикла, состав смеси, количество отработавших газов в заряде. Температура цикла зависит от весового заряда цилиндра (его наполнения), угла опережения зажигания, скорости сгорания, турбулизации смеси и других факторов. Максимальный выброс NOx при полной нагрузке наблюдается при α=1...1,05 (см. рис. 6). По мере снижения нагрузки соответствующие NOx max значения а снижаются (при 50% нагрузки αNOx max = 0,8...0,9).
Увеличение угла опережения зажигания до оптимального значения вызывает рост максимального давления и температуры заряда, что приводит к существенному повышению выброса NOx. Стремление улучшить топливную экономичность, следовательно повышение степени сжатия, также определяет рост выброса NOx.
Для выполнения норм на выброс NOx на большинстве современных двигателей применяются системы и устройства, некоторые из которых перечислены ниже.
1. Система частичной рециркуляции отработавших газов (до 10...15% расхода воздуха) на частичных нагрузках, на режимах, соответствующих ездовому циклу, по которому определяется токсичность. При подаче более 7...10% рециркулируемых газов увеличивается расход топлива и выброс СН.
По значению вакуума во впускном трубопроводе или в смесительной камере (в зоне положения кромки дроссельной заслонки при ее частичном открытии) осуществляется управление клапаном рециркуляции. Одна из систем управления клапаном рециркуляции приведена на рис. 7. В случае отказа клапана он может быть временно отключен: достаточно снять шланг 1 и заглушить штуцер 2 в карбюраторе. В случае заклинивания клапана 3 в открытом положении или нарушении его герметичности под клапан необходимо поставить прокладку 4 без отверстия. При отключении системы рециркуляции необходимо на этих режимах уменьшить угол опережения зажигания (в среднем на 3...5°).
Рис. 7. Система управления клапаном рециркулиции
В двигателях новых моделей количество рециркулируемых отработавших газов дозируется с помощью микропроцессорной системы управления, что позволяет добиться снижения выброса NOx практически без ухудшения топливной экономичности.
2. Микропроцессорная система управления зажигания позволяет снизить NOx в результате установки более поздних углов опережения зажигания только на режимах, на которых проводятся испытания на токсичность.
3. Система питания двигателя с послойным распределением смеси позволяет работать на переобедненных смесях (α > 1,3). Одним из вариантов такого процесса является двигатель автомобиля «Волга» с форкамерно-факельным зажиганием и качественным регулированием нагрузки.
Для выполнения норм по токсичности в США, Японии и некоторых европейских стран необходимо применять каталитические нейтрализаторы. По функциональному назначению существуют двух- и трехкомпонентные нейтрализаторы. Основной проблемой при эксплуатации автомобилей является полное исключение применения этилированного бензина, в результате чего даже после короткого пробега нейтрализатор выводится из строя. Для этого топливный бак выполняется с горловиной меньшим диаметром в соответствии с размером наконечника шланга бензоколонки.
Наполнители нейтрализаторов выполняются в виде сот или гранул, покрытых тончайшим слоем платины. В двухкомпонентных нейтрализаторах происходит дожигание CO и СН. Для большинства режимов в нейтрализатор приходится добавлять воздух. Это осуществляется с помощью приводного нагнетателя обычно лопаточного типа. Для некоторых двигателей применяют пульсары, устанавливаемые в выпускном трубопроводе и представляющие собой автоматические клапаны, подающие воздух за счет пульсационных явлений, создающих хотя и на мгновение вакуум в выпускных патрубках.
В трехкомпонентных нейтрализаторах, называемых иногда бифункциональными, в первой секции происходит реакция, преобразующая оксиды азота в кислород и азот, во второй секции — дожигание CO и СН. Для эффективной работы таких нейтрализаторов состав смеси должен выдерживаться с высокой степенью точности α = 0,99±0,01. Обогащение смеси от указанных пределов вызывает повышение выброса CO и СН, обеднение смеси — повышение выброса NOx. Чтобы выдержать состав топливовоздушной смеси с требуемой точностью применяется электронная система управления с обратной связью. В качестве сигнала обратной связи в большинстве двигателей используется кислородный датчик (λ-зонд), который устанавливается в выпускном трубопроводе. При работе на обедненной смеси, когда в отработавших газах имеется кислород, электрохимический потенциал равен нулю. На обогащенной смеси при отсутствии кислорода в отработавших газах значение потенциала резко увеличивается, в электронный блок подается сигнал, преобразуемый в сигнал управления топливоподачей. В карбюраторах имеются системы, регулирующие состав смеси. Обычно в качестве актюатора используется электромагнитный клапан, изменяющий подачу топлива. В двигателях с впрыскиванием топлива в зависимости от сигнала кислородного датчика формируется сигнал, управляющий продолжительностью открытия иглы форсунки.
Учитывая, что нормы ГОСТа обычно выполняются без нейтрализаторов, а неэтилированный бензин есть только в нескольких крупных городах, при выходе из строя нейтрализатора на автомобиле иностранного производства его целесообразно заменить на обычную систему глушения, однако при этом должно быть обеспечено ее необходимое аэродинамическое сопротивление для снижения уровня шума до существующих норм и сохранения настройки системы газообмена, чтобы не ухудшить динамические качества автомобиля.