ОСВЕЖИТЬ ДЫХАНИЕРовно два года назад мы обращались к проблемам экологического совершенствования железных коней (ЗР, 1998, № 12). За такой короткий срок перспективные нормы сделались действующими, появились новые требования: автомобили поднялись на еще одну ступеньку экологической лестницы и готовятся сделать следующий шаг.Алексей ВОРОБЬЕВ-ОБУХОВПРОТИВОГАЗ НА ВЫХЛОПНОЙ ТРУБЕ В 1975-м на американских машинах впервые появилась дорогая игрушка - каталитический нейтрализатор в выпускном трафорсунками и, самое главное, электронными "мозгами". Именно в этом ключ к стабильности работы, поддержанию заданных параметров. И еще - в обратной связи по... составу выхлопных газов. Для этого в выпускном коллекторе устанавливают датчик кислорода (лямбда-зонд), напряжение на котором резко падает в момент перехода от богатой к бедной смеси. Стали ли автомобили с впрыском лучше ездить? Отнюдь. Стандартные программы, зашитые в блок управления, например, не позволят слишком резко прибавить или сбросить газ: экология! Зато вполне простят небольшие вольности с октановым числом бензина, не допустят провалов и рывков при резких движениях педалью акселератора. Вернемся, однако, к нейтрализатору. В 1977-м к нему добавили "противоазотную" секцию, а еще через пару лет объединили все в едином корпусе, дав неправильное название "трехступенчатый" нейтрализатор. На самом деле речь идет не о ступенях, а о трех подавляемых классах вредных веществ. К 1990 году нейтрализатор переехал вплотную к выпускному коллектору, чтобы быстрее нагреваться до рабочих 300°С - тем самым уменьшили вредные выбросы на стадии прогрева. Через пять лет появился мощнейший электроподогрев, приводящий нейтрализатор "в чувство" за 10 секунд (!). Правда, пришлось установить дополнительную аккумуляторную батарею, но чего не сделаешь ради чистоты окружающей среды! (Собственной "спиралью" обзавелся и лямбдазонд, также не работающий в холодном состоянии). Ну и, наконец, в 2000 году появилась цеолитовая ловушка углеводородов (СН), задерживающая их при пуске мотора и лишь после нагрева до 220°С отдающая на "съедение" готовому к работе катализатору. Эта предложенная "Хондой" новинка позволила уже сегодня с лихвой0,925 0,95 0,975 1,00 1,025 1,05 1,075 Богатая Стехиометрическая Бедная Лямбда-окно: лишь газ от такой смеси обезвредит нейтрализатор.кте. Керамическая "губка", покрытая драгоценными металлами, превращает ядовитый угарный газ в СОг- Но устройство эффективно работает только в определенных условиях: состав рабочей смеси должен быть близок к стехиометрическому, то есть коэффициент избытка воздуха Х=0,98...1,01! Склонному к сбоям карбюратору пришлось дать отставку и вспомнить о давно придуманном, но тогда еще не нашедшем широкого применения на автомобилях впрыске топлива (ЗР. 2000, № 8). Он обзавелся многочисленными датчиками, электромагнитными5212/2000 ЗР ТАК РАБОТАЕТ SCC (SAAB Combustion Control) из ШВЕЦИИперевыполнить даже перспективный калифорнийский стандарт SULEV (СО 0,1 г/км, CH - 0,002 г/км!). Совершенствуется и сам нейтрализатор. Еще недавно его губка делалась из вспененной керамики, но возможное при этом количество ячеек - около 60 на 1 см2 - уже не устраивает конструкторов. Фирма "Эмитек" разработала "набивку" из тончайшей (25 мкм) металлической фольги "Алюхром" с втрое большей плотностью ячеек и гораздо меньшим сопротивлением. Правда... она на столько же дороже. Широкое использование нейтрализаторов "взорвало" мировой рынок благородных металлов: 35% потребляемой платины, 45% палладия, 90% родия идет в автомобильные выпускные системы. Выручают ЮАР и, как всегда, Россия. НЕ НЕЙТРАЛИЗАТОРОМ ЕДИНЫМ... Недешевые датчики кислорода стали размножаться, измеряя состав выхлопа до и после каждой составной части системы нейтрализации. Теперь, если по какой-то причине драгоценное платиновое покрытие перестанет выполнять свои функции, второй лямбда-зонд включит на панели приборов тревожный сигнал. Более того, появились настолько быстродействующие датчики кислорода (работающие на иных, чем лямбда-зонд, принципах), что стало возможным отслеживать процесс сгорания топливной смеси в каждом цилиндре! Перерабатывая токсичные вещества в выхлопе, конструкторы параллельно улучшали рабочий процесс, чтобы "уничтожить врага в зародыше". Стремление к экономичности и одновременно чистоте выхлопа вызвало к жизни системы непосредственного впрыска бензина. Застрельщиками здесь были японцы ("Мицубиси"). Работа на сверхбедных рабочих смесях, когда в цилиндрах переизбыток воздуха. вывела на первый план проблему "утилизации" окислов азота. Борются с ними, снижая температуру горения рециркуляцией выхлопных газов (часть возвращают во впускной коллектор) и применяя накопительный нейтрализатор, за состоянием которого следит электроника. Как только его элемент переполнится вредными окислами, двигатель ненадолго переходит на обогащенную смесь, что повышает температуру выхлопных газов и разлагает NOx. На самом деле не все так просто. Например. увеличивая долю возвращаемых в цилиндр выхлопных газов (в некоторых режимах - до 60%), так снизили температуру. что... двигатель стал с трудом прогреваться. Чтобы не одевать его (и себя) зимой в тулуп, пришлось ставить теплооб-а) Выхлоп еще не закончился, а порция бензина уже впрыскивается, и в дополнение к выпускному открылся впускной клапан. Бурно испаряющееся (газы весьма горячи), но не воспламеняющееся (кислорода-то нет!) топливо... вылетает в оба коллектора... б) ...Правда, недалеко - начинается всасывание. Сперва смесь паров бензина и отработавших газов из-за большего давления в выпускном тракте устремляется во впускной коллектор, в) но тут выпускной клапан закрывается и движущийся вниз поршень засасывает из впускного коллектора тройную смесь бензина, ОГ и воздуха обратно в цилиндр.г) Такт сжатия ничем не отличается от обычного, разве что на полпути поршня вверх через форсунку подается импульс сжатого воздуха для возбуждения вихревого процесса в цилиндре. д) Теперь пришло время искры. И тут - все необычно. Вопервых, свеча сделана заодно с форсункой. Во-вторых, искровой зазор меняется в зависимости от режима работы двигателя. При частичной нагрузке, когда в цилиндре больше выхлопных газов, искра "бьет" на боковой электрод через зазор 3,5 мм! Такая молния с энергией разряда 80 мДж зажжет, пожалуй, и "негорючую" смесь. е) А вот при полной нагрузке угол опережения зажигания, как обычно, уменьшается и функцию электрода берет на себя "гребешок" в центре поршня, который успевает подойти к свече ближе. (Эта идея, кстати, была предложена на СААБе еще в 1995-м во Франкфурте, а с форсункой помог австралийский "Орбитал".)менники, передающие тепло "Тосолу" непосредственно от системы выпуска (ЗР, 2000, № 6). Еще неприятность - сера в топливе. Мало того, что она появляется в выхлопе в виде ядовитейшего сернистого газа ЭОгСера снижает эффективность накопительного нейтрализатора, заставляя электронику то и дело переключаться на режим выжигания, сводит на нет достигнутую было экономию топлива. К битве за чистый воздух пришлось подключаться нефтяникам. Появились сорта бензина и солярки, в которых серы почти нет. Хорошо? Для бензинового мотора - да. А вот высоконагруженным топливным насосам дизелей так не показалось: лишенные серы сорта топлива перестали смазывать их детали. Пришлось разрабатывать и вводить специальные безвредные присадки. СДЕЛАНО С УМОМ Но трудности преодолимы, и наши скандинавские соседи показали в Париже. что непосредственный впрыск может работать по-иному. Если в обычных двигателях топливо подается во время такта впуска, в моторах с непосредственным впрыском - в конце такта сжатия, то инженеры СААБ вводят бензин... на выпуске, незадолго до прихода поршня в ВМТ! Получился рабочий процесс, когда бензин и чистый воздух находятся в соотношении 1:14,7, то есть Х=1 (что позволяет обойтись обычным нейтрализатором - нет проблем с NOx!) и в то же время смесь "бедная", если учесть, что 60-70% объема занимают инертные отработавшие газы, попадающие в цилиндр без всякой рециркуляции. Новый двигатель вкупе с привычным нейтрализатором укладывается в калифорнийские нормы U LEV, что покруче Евро IV. И даже сера в бензине ему не помеха.ДИЗЕЛЬ: ОТКАЗ ОТ ЭКЗОТИКИПрестарелые грузовики чадят не чем иным, как канцерогенной сажей. Если в 1976 году допускалось выбрасывать в атмосферу до 1г несгоревших частиц на 1 км пробега, то сегодня трехлитровый "Фольксваген-Лупо", выполняющий требованияЗР 12/2000 53 ТЕХНИКА ОбозрениеОбедненная смесь NO,+0 Спой накопительного катализатора Обогащенная смесь CHн2о со,+-^N0+0со'ильтр нейтрализатора Накопление N0, Сажа ^ С Ог Слой накопительного катализатора Разложение N0, Сажа—•Яш£ильтр нейтрализатора Окисление сажи атомарный кислородомОкисление сажи атомарным кислородом и кислородом воздухаPt - Ппатина Атомарный О • Ai"Химический завод" системы DPNR.кислородом, возникающим теперь уже при разложении накопленных окислов в безвредный азот. DPNR показала снижение содержания сажи и NO x на 80% по сравнению с действующими сегодня нормами, но применима лишь для дизелей последнего поколения, работающих с системой "коммон рейл" высокого давления на топливе с пониженным содержанием серы.Евро IV, источает их лишь 0,023 г! Правда, для этого пришлось поднять давление впрыска до немыслимых 2000 атм, когда даже металл трубопроводов становится "мягким". В дизельном двигателе топливо впрыскивается в цилиндр, уже наполненный раскаленным сжатым воздухом и на образование "правильной" горючей смеси просто не остается времени. Даже при тончайшем распылении (для чего и повышают давление) не все микрочастицы топлива успевают обзавестись нужным количеством молекул кислорода - вот вам и сажа. Снижение температуры в цилиндре по бензиновому рецепту только ухудшает картину. Вообще, основное противоречие дизеля, которое еще никто до конца не разрешил, - между снижением выбросов сажи и окислов азота: улучшая один параметр, неизбежно портим второй. Фирмы, пропагандирующие экономичные легковые дизели, ради экологии пускаются во все тяжкие. Например, предлагают устанавливать дополнительные бачки с дорогими реактивами, снижающими температурный порог разложения накопившейся в специальном нейтрализаторе сажи ("Пежо-607").АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ПУТЬ К "ЗЕЛЕНОМУ МИРУ" Сегодня наиболее сложна, однако борьба с СОг, виновником "парникового' эффекта. В самом деле, что бы ни горело углекислый газ всегда выделяется. Вот если бы окислять водород, получая на выпуске воду... И тут на пятки двигателю внутреннего сгорания наступает электромотор: получать энергию он мог бы от топливных элементов, питающихся водородом. Однако заправляться этим газом пока слишком дорого и хлопотно. А если получать водород прямо на борту - в специальном катаВредные составляющиелитическом реакторе-реформере? Тут в качестве первичного топлива подойдет чуть ли не любой "растворитель": спирт, метанол, бензин... Да-да, наш старый любимый бензин, причем неважно, с каким октановым числом, лишь бы без примесей вроде серы. Нефтяные компании "Эссо", "Мобил" и "Экссон-Мобил" вместе с "Дженерал моторе" ведут интенсивные исследования, дабы продлить жизнь бензина как топлива будущего. Недавно объявлено о прорыве: создан реформер с КПД около 80% для питания водородом топливного элемента мощностью 25 кВт. Результатом явится автомобиль, работающий на традиционном бензине, но... без двигателя внутреннего сгорания! Выхлоп - лишь углекислый газ (да и то в меньшем, чем обычно, количестве) и вода. Кажется, это промежуточное решение удовлетворит всех: и экологов, и нефтяни-Реформер и топливный элемент: на входе - бензин, на выходе - электричество.ков, и автопроизводителей. Какие перемены оно сулит всем, кто пользуется машинами? Возможно, лет через десять узнаем об этом наверняка - по собственному опыту.-. Мы очень надеемся, что прочитавший этот материал не будет "Тойота" разработала свою, не 0,1% считать экологические проблемы менее эффективную систему очистУглеводороды СН далекими от реальной жизни. Наоки, названную DPNR. Она одновреборот, проблема для России стоит менно обезвреживает и канцерогендаже острее, чем для давно озабоные частицы сажи, и просто вредные ченных ею высокоразвитых стран, окислы азота (о CH и СО сегодня гоДиаграмма состава выхлопных газов. - сравните-ка среднюю продолживорить уже стыдно - пройденный ЕВРОПЕЙСКИЕ И КАЛИФОРНИЙСКИЕ (LEV. ULEV. SULEV] СТАНДАРТЫ тельность жизни у нас ив Европе! Чисэтап). Главную роль играет новый микропоДоепьнывазигатель Бензиновый деятель Нормы тый воздух, качественные продукты питаристый керамический фильтр, покрытый токсичности Н "в, С N0, CHtNO, Сив СОСО ния особенно важны нашим - вашим и мослоем накапливающего азот материала и ] Евро 11с 2000 г. 2,3 1. 0.05 0,15 0,64 0.5 0.56 им - детям, здоровье которых только закатализатором на основе платины. Во вреЕвро IV. с 2005 г. 1,0 0.1 0.08 0,5 055 0,30 0.025 кладывается. Пусть и они успеют понянмя работы двигателя на бедной смеси часLEV 2,1 02 0,15 ULEV 1,0 0.02 0,03 чить внуков и правнуков, спокойно ездят тицы сажи окисляются (читай - выгорают) SULEV. с 2004 г. 0,62 0.006 0.0125 0.006 мимо пустующих корпусов онкоцентра в атомарным кислородом, освобождающимОбратите внимание: все показатели абсолютные - они свой загородный дом в зеленом лесу. Дуся при соединении N0 и Ог из выхлопных стимулируют производителей, кроме всего прочего, газов в процессе накопления N0 2 - Периодисокращать рабочий объем двигателей, повышая их эфмаете, очередная сказка? Так сделаем ее чески, когда компьютер кратковременно фективность. Учитывая, что измерения производятся былью!Слабо? в течение 20 минут на всевозможных режимах, вклюобогащает смесь, эти частицы окисляются чая пуск при -7*С, замеры российских экологических постов - детская забава по сравнению с зарубежными D 73,0% 13,0% 11,0% 1,7% АзотЫ] Водяной Двуокись Кислород Ог nap HjO углерода и инертные С02 1 газы —,1,0% Окись углерода — СОмтребованиями.5412/2000 ЗР