3. Способи зниження забруднення навколишнього середовища від автомобільного транспорту

Велика розмаїтість шкідливих компонентів у відпрацьованих газах двигунів, відмінності в природі їх утворення, вплив на токсичність ВГ великого числа факторів (конструктивних особливостей ДВЗ, його регулювальних характеристик, технічного стану як самого двигуна, так і автомобіля в цілому, умов експлуатації автомобіля і т. п .) сильно ускладнюють завдання поліпшення екологічних характеристик автотранспорту.

Основними напрямками зниження негативного впливу автомобільного транспорту на довкілля є:

1 ) вдосконалення робочого процесу ДВЗ (поліпшення сумішоутворення і згоряння палива , рециркуляція ВГ і т. п.);

2 ) фізико-хімічна обробка ВГ ( нейтралізація ВГ у випускній системі , застосування сажових фільтрів) ;

3 ) підвищення якості традиційних палив (використання нетоксичних антидетонаційних присадок до бензину , застосування проти димних присадок для дизпалива , зменшення вмісту сірки в паливі) ;

4 ) використання для ДВЗ альтернативних палив з кращими екологічними характеристиками ;

5 ) заходи з раціональної організації дорожнього руху та автомобільних перевезень ( оптимізація завантаження вулично-дорожньої мережі , вдосконалення маршрутної мережі пасажирського транспорту , оптимізація пропуску транзитного транспорту , впровадження схем одностороннього руху і т. п.);

6 ) містобудівні заходи (будівництво багаторівневих транспортних розв'язок , підземних пішохідних переходів , раціональна забудова магістральних вулиць і т. п.).

3.1. Удосконалення систем харчування

Якість приготування паливо повітряної суміші (ППС) багато в чому визначає процеси її займання і згорання, тому робота системи живлення, її тип суттєво впливають на екологічні та економічні показники автомобільних ДВС. У загальному випадку система харчування повинна забезпечувати:

- Оптимальний склад ТВС для кожного з режимів роботи двигуна;

- Рівномірний розподіл заряду всередині кожного з циліндрів і по циліндрах;

- Максимальну гомогенність заряду (в ДВЗ із зовнішнім сумішеутворенням);

- Оптимальне розшарування ППС (при реалізації відповідного робочого процесу);

- Стійку роботу двигуна на бідних сумішах;

- Якісне протікання несталих режимів (насамперед розгонів);

- Надійний пуск двигуна в різних температурних умовах.

Аж до останнього часу протягом декількох десятиліть в ДВЗ з іскровим запалюванням домінувала карбюраторних система харчування. Карбюратори постійно вдосконалювалися , і , в загальному випадку , сучасний карбюратор (зазвичай двокамерний ) включає в себе дві головні дозуючі системи (першої та другої камер) , систему холостого ходу першої камери з перехідною системою , перехідну систему другого камери , економайзер потужністних режимів , еконостат , діафрагмовий прискорювальний насос , пусковий пристрій , економайзер примусового холостого ходу.

Ці системи необхідні для виконання перерахованих вище вимог . Наприклад , прискорювальний насос забезпечує динаміку розгону автомобіля , вприскуючи додаткове паливо при повороті дросельної заслінки. Однак викид токсичних компонентів при цьому значно посилюється. Економайзер потужністних режимів і еконостат включаються в роботу на режимах великих навантажень , збагачуючи суміш до значень α = 0,9 ... 0,95 , і тим самим , забезпечуючи можливість отримання великих потужностей .

Економайзер примусового холостого ходу ( ЕПХХ ) відключає подачу палива через систему холостого ходу на примусовому холостому ходу ( під час гальмування автомобіля двигуном , при русі під ухил , при перемиканні передач ) , різко знижуючи викиди СО і CnHmі економлячи паливо. На автомобілях ВАЗ найбільшого поширення получили ЕПХХ , в яких для відключення подачі палива використовується електромагнітний клапан. Працює система таким чином . На режимі ПХХ при частоті обертання колінчастого вала більше 2100 хв -1 і при замкнутому на «масу» кінцевому вимикачі карбюратора ( педаль газу відпущена ) запірний електромагнітний клапан вимикається , подача палива переривається.

При зниженні частоти обертання колінчастого вала на примусовому холостому ходу до 1900 хв - 1 блок управління включає клапан ( хоча кінцевий вимикач залишається замкнутим на «масу» ), починається подача палива через жиклер холостого ходу , двигун поступово виходить на режим холостого ходу.

Карбюратор - досить складний механічний пристрій , надійність його роботи залишає бажати кращого. Характерними несправностями є негерметичність запірного клапана камери поплавця і неправильно встановлений рівень палива в ній , засмічення жиклерів , знос приводу прискорювального насоса , негерметичність мембран та ін.. Крім того , реалізація перспективних напрямків у сумішоутворення (наприклад , розшарування заряду) з використанням карбюраторного живлення просто неможливо.

У 2000 році понад 95 % випущених у світі автомобілів були оснащені системою розподіленого впорскування палива ( РВТ ), тобто етап застосування карбюраторів практично завершився. Центральне впорскування палива ( ЦВП ) також не витримав конкуренції з РВП, незважаючи на більш низьку вартість і простоту конструкції. В даний час ЦВП використовується , головним чином , на малорозмірних двигунах сільськогосподарського призначення та засобів малої механізації.

Домінуюче застосування РВП на автотранспорті пояснюється його наступними перевагами .

1 . При використанні електромагнітних форсунок з керуванням від контролера легко забезпечується оптимальний склад суміші для кожного з режимів роботи двигуна.

2 . Підвищений тиск , з яким паливо впорскується у впускний колектор , забезпечує дрібноту розпилу і полегшує його подальше випаровування і гомогенізацію суміші.

3 . Впорскування бензину дозволяє більш рівномірно розподілити паливо по циліндрах . При використанні РВП склад суміші в різних циліндрах може відрізнятися на 6 ... 7% , а при живленні від карбюратора - на 11 ... 17 %.

4 . Відсутність додаткового опору потоку повітря на впуску у вигляді карбюратора і дифузора забезпечує високий коефіцієнт наповнення циліндрів і підвищує літрову потужність двигуна.

5 . При уприскуванні можливе використання більшого перекриття клапанів ( коли відкриті одночасно обидва клапана) для кращої продувки камери згоряння чистим повітрям , а не сумішшю.

6 . Краще продування і велика рівномірність складу суміші по циліндрах знижує температуру стінок циліндра , днища поршня і впускних клапанів , що в свою чергу дозволяє знизити потрібне октанове число палива на 2 ÷ 3 одиниці або збільшити ступінь стиснення без небезпеки детонації. Крім того , зменшується утворення оксидів азоту при згорянні , і поліпшуються умови змащування дзеркала циліндра.

В результаті досягається підвищення паливної економічності і зниження токсичності відпрацьованих газів.

Системи РВП на сьогоднішній день мають усталену структуру і конструкцію окремих компонентів. На кожен циліндр двигуна є окрема форсунка , зазвичай з електромагнітним керуванням. Форсунки встановлюються у впускному колекторі поблизу впускних клапанів. Уприскування палива (зазвичай фазований ) здійснюється під надлишковим тиском 0,2 ... 0,6 МПа.

Управління форсунками ведеться від електромагнітного блоку - контролера , який керує також системою запалення і іншими системами двигуна та автомобілем в цілому. В останні роки розвиток системи мікропроцесорного управління йде по шляху підвищення надійності , нарощування числа функцій , введення самодіагностики , елементів адаптації та т.п.. Як приклад на рис. 3.1 показана схема системи упорскування LH - Jettronic.

В останні роки провідними автомобілебудівними фірмами розпочато освоєння промислового виробництва принципово нової системи сумішоутворення - системи безпосереднього впорскування палива ( БВП ) в циліндри двигуна.

Рис. 3.1. Схема системи упорскування палива LH - Jettronic: 1 - паливний бак; 2 - паливний насос, 3 - паливний фільтр; 4 - контролер; 5 - форсунка; 6 - розподільник палива; 7 - стабілізатор перепаду тиску палива; 8 - впускний колектор; 9 - датчик положення дросельної заслінки; 10 - вимірювач масової витрати повітря; 11 - кисневий датчик; 12 - датчик температури охолоджуючої рідини; 13 - розподільник запалення; 14 - регулятор частоти обертання колінчастого вала на холостому ходу; 15 - акумулятор; 16 - вимикач запалювання.

Сама концепція БВП не є новою . Ще в XIX столітті робилися спроби уприскувати бензин безпосередньо в циліндри двигуна. У 50-х роках XX століття фірмою " R.Bosch " в невеликих обсягах вироблялися механічні системи БВП для деяких легкових автомобілів. Проте електронна версія БВП довгий час не могла вийти на рівень промислового виробництва через низку технічних труднощів її реалізації ( закоксовування розпилювача форсунки , електронне управління уприскуванням при високому тиску палива та ін.) Створення промислових зразків електронних систем БВП стало результатом проведення провідними автомобільними фірмами багаторічних дослідних і дослідно-конструкторських робіт з використанням сучасних технологій. Початок промислового виробництва систем БВП знаменує собою початок нового витка в розвитку систем паливоподачі бензинових двигунів.

На рис. 3.2 показана схема системи БВП типу Motronic MED 7 фірми " R. Bosch " .

У системі застосований термоанемометричний витратомір повітря нової конструкції (з твердо-плівковим чутливим елементом ) , а також використаний ряд традиційних для систем упорскування датчиків. Ключовими і найбільш складними в системі є нові вузли - паливний насос високого тиску і електромагнітні форсунки для вприскування бензину під високим тиском. Крім цього застосовується датчик тиску палива , що підкачує електробензонасос занурювального типу , клапан рециркуляції ВГ нової конструкції та ін.

Стратегії управління дозуванням палива в таких системах можуть бути різними і вибираються окремими фірмами - розробниками залежно від параметрів швидкісних і навантажувальних режимів роботи двигуна. При цьому склад суміші, як правило, змінюється від гомогенного (при α, близьких до 1) до гранично розшаровуваного (α = 1,3 ... 2,2).

Рис. 3.2. Схема системи БВП Motronic MED 7: 1 - витратомір повітря; 2 - електрокерована дросель; 3 - датчик тиску у впускному трубопроводі; 4 - паливний насос високого тиску; 5 - стабілізатор перепаду тиску палива; 6 - паливна рампа; 7 - котушка запалювання на свічці; 8 і 10 - кисневі датчики; 9 - каталітичний нейтралізатор; 11 - підкачує електробензонасос; 12 - електромагнітна форсунка; 13 - датчик тиску палива; 14 - клапан рециркуляції ОГ; 15 - мікропроцесорний блок керування.

Найбільшою мірою переваги двигунів з БВП проявляються при роботі на збіднених сумішах на часткових навантаженнях. Стійка робота двигуна досягається розшаруванням суміші з утворенням зони багатої суміші поблизу свічки запалювання, після займання якої починається процес горіння всього заряду в циліндрі.

Для більш надійного запалення суміші використовується запалювання з підвищеною енергією іскрового розряду. Момент уприскування і тиск того палива також змінюються залежно від режиму роботи двигуна для забезпечення необхідних умов сумішоутворення в циліндрі при даному складі суміші. Наприклад , якщо на холостому ходу тиск палива підтримувані на рівні 3 МПа , то при повному навантаженні і номінальній частоті обертання (до 6000 хв -1 ) воно зростає до 10 ... 12 МПа. Всі ці заходи дозволяють досягти ефективного згорання екстремально збіднених сумішей ( α > 2,0 ) , що й забезпечує підвищення паливної економічності двигунів з НВТ , приблизно , на 20 % порівняно із застосуванням РВП . Крім цього , реалізація БВП дозволяє підвищити показники потужності двигуна , приблизно на 10 % (за рахунок можливості використання високих ступенів стиснення ε = 11 ... 12 і збільшення наповнення ) , також знизити сумарну токсичність ВГ на 20 % порівняно з іншими системами уприскування. Останнє досягається високим ступенем рециркуляції ВГ (до 40 %) і застосуванням трьохкомпонентного нейтралізатора з іридієвим каталізатором. У цілому системи БВП на сьогоднішній день характеризуються значною вартістю і складністю , що поки стримує їх широке застосування.

Порівняльна оцінка різних систем упорскування палива наведена в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1

Порівняльна оцінка концептуально різних систем упорскування палива

Параметри оцінки	Системи впорскування
	ЦВП	РВП	БВП
1	2	3	4
Складність конструкції і технології	невисока	підвищена	висока
Забезпечувана паливна економічність двигуна (у порівнянні з карбюратором)	поліпшення на 3 ... 5%	поліпшення на 5 ... 15%	поліпшення на 25 ... 35%
Можливість підвищення потужнісних показників двигуна (у порівнянні з карбюратором)	0…8%	5…15%	20…25%
Реалізований спосіб сумішоутворення	зовнішнє (гомогенний заряд)	зовнішнє (гомогенний заряд)	внутрішнє (гомогенний і розшарований заряд)
Вартість системи	невисока (400 ... 500 $)	середня (700 ... 800 $)	висока (3000 ... 5000 $)
Робочі склади паливо повітряної суміші	0,85…1,1	0,85…1.2	0,95…2,5
Інші особливості	Не вимагає вимірювання конструкції двигуна. Взаємозамінність з карбюратором. Більш надійна робота форсунки. Розширення можливості форсування двигуна при роботі з наддувом	Вимагає зміни конструкція впускного трубопровода, головки циліндра, повітряного фільтра. Допускає підвищення ε на 0,5 ... 1,5 одиниці порівняно з карбюраторним варіантом. Добре поєднується з газодинамічними і газотурбінним наддувом.	Вимагає особливої ​​форми камери згоряння, днища поршня, спеціального профілю впускних каналів, зміни конструкції головки циліндрів і впускного трубопроводу. Допускає підвищення ε до 12 одиниць. Можливість коксування форсунки.