Что такое селективный мотор

Выхлопная система (совокупность выхода отработанных газов) — предназначена для вывода отработанной смеси из состава рабочих систем транспортного средства. Помимо основной функции удаления газов, совокупность выхлопа отвечает за снижение шума при работе транспортного средства. Рассматриваемая система производит вывод сгоревших веществ из цилиндров двигательной системы, тем самым охлаждая рабочие компоненты ДВС. Еще одной, не менее важной функцией выхлопной совокупности в составе современного транспортного средства является поддержание уровня экологичности транспортного средства, поскольку именно система выпуска отработавших газов производит частичную очистку сгоревших веществ перед их выпуском в атмосферу.

Поскольку нормы экологии к современным автомобилям постоянно возрастают, продукты современного автомобилестроения имеют более совершенную выхлопную совокупность с хорошими показателями снижения токсичности. В последних моделях транспортных средств между трубкой приема газового потока и резонатором устанавливается катализатор, который отвечает за снижение уровня токсичных веществ перед выпуском газов в атмосферу. Помимо этого, данный элемент способствует более равномерной работе системы, что позволяет снизить уровень шума в ходе ее эксплуатации.

Сегодняшняя совокупность выпуска отработавших газов имеет в себе достаточно большое количество составляющих, среди которых: коллектор выпуска отработанных веществ, нейтрализатор, глушитель, патрубки соединения. Помимо всех указанных компонентов, выхлопная система дизеля оснащается сажевым фильтрующим элементом. Все компоненты выхлопной совокупности находятся в донной части транспортного средства.

Фильтрация сажи

Первый удар раскаленных газов принимает на себя сажевый фильтр, который обязан задержать твердые частички углерода — сажу. Работает он аналогично воздушному фильтру, с той лишь разницей, что не требует замены фильтрующего элемента, а периодически чистится или саморегенерируется.

Главная деталь сажевого фильтра представляет собой жаростойкие сотовые керамические блоки, которые изготавливаются по специальной технологии из искусственного или натурального минерала — кордиерита. Впрочем, небезосновательно и применение других материалов с аналогичными физико-химическими свойствами. Неизменным остается одно — рабочее тело сажевого фильтра, которое в любом случае представляет собой монолитный модуль с параллельно ориентированными каналами (квадратной, круглой или иной формы) площадью сечения 2-4 мм квадратных. Благодаря физическим свойствам применяемых в производстве фильтров минералов, стенки каналов имеют сквозные поры размером от 15 до 35 мкм. Каждый канал заглушен только с одной стороны. В качестве материала заглушки используют, как правило, нитрид кремния. Закрытые и открытые каналы расположены в шахматном порядке. При этом если канал закрыт с одной стороны блока, то он открыт с другой, и наоборот.

Работает такой сажевый фильтр следующим образом. Отработавшие газы из цилиндров двигателя поступают в не заглушенные каналы фильтровального модуля, проходя сквозь микроскопические поры в стенках и в итоге покидая фильтр. Поскольку львиная доля частичек сажи имеет размеры большие, нежели поры керамики, то основная часть грязи остается в каналах керамического блока. Практика свидетельствует, что степень фильтрации у большинства существующих на сегодняшний день сажевых фильтров составляет примерно 50-70 %. Естественно, что по прошествии некоторого времени сажа забьет поры каналов фильтра и его сопротивление резко возрастет, что, в свою очередь, не замедлит отразиться на работе мотора, у которого упадет мощность и возрастет расход топлива. Чтобы не доводить технику до «критической черты», конструкторы включили в систему очистки электронные компоненты диагностики. Так, на некоторых системах наступление кризисного момента отслеживают два независимо работающих датчика, которые фиксируют сопротивление потоку газов в выпускном трубопроводе. На основании этих данных электронный блок управления рассчитывает эффективное время работы сажевого фильтра. Допустим, фильтр засорился, потерял эффективность и начал «душить» мотор. По сигналу электронного блока автоматически включается система регенерации (очистки) фильтра. Принцип ее действия также основан на выжигании сажи высокотемпературной газовой струей, получаемой в миниатюрном «реактивном двигателе». Этот принцип реализован на автобусах, выполняющих междугородные рейсы. Система регенерации может также активироваться через определенные промежутки времени, как правило, через каждые 8 часов. Восьмичасовой цикл работы фильтра продиктован продолжительностью рабочей смены водителя и предполагает по истечении контрольного срока очистку системы на стационарной установке (СТО).

Коллектор выпуска отработанных газов.

Данный элемент отвечает непосредственно за отвод сгоревшей топливной смеси из цилиндров двигательной системы. Также коллектор выпуска производит вентилирование рабочих цилиндров движка, поддерживая их оптимальный температурный режим. Несмотря на то что первичная функция выхлопной системы кажется простой и понятной, нельзя недооценивать ее роль в работе двигателя авто. Габариты и форма коллектора выпуска во многом определяет направление газового потока, что также влияет на уровень вибрации при прохождении сгоревшего топлива. В связи с этим выпускной газовый коллектор влияет на производительность двигательной системы.

Поскольку для своевременной подачи новой топливной смеси, необходим регулярный отвод отработанных газов из системы двигателя — процесс вывода сгоревшего топлива должен происходить согласно процессу подачи бензина. В ходе эксплуатации транспортного средства, коллектор выпуска отработанных газов постоянно работает в сложных температурных условиях. Для увеличения срока эксплуатации коллектора выпуска даже при постоянном воздействии высоких температур, его корпус изготавливают из специального чугунного сплава, который является устойчивым к воздействию больших тепловых нагрузок.

Принцип работы

Постоянные усилия разработчиков по улучшению процессов сгорания, оптимизации управления системами двигателя достигли определённой точки, при которой требовались новые методы и способы для уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу многочисленными автомобилями. Разработаны и применяются т.н. нейтрализаторы отработанных газов, которые устанавливаются в выпускной системе. В настоящее время используются нейтрализаторы нескольких типов:

В каталитических процесс нейтрализации интенсифицируется за счёт применения катализаторов, а в термических — за счёт высокой температуры с добавлением воздуха к отработанным газам.

Каталитические нейтрализаторы

Каталитические нейтрализаторы называют окислительными, т.к. они предназначены для окисления СО и СН, находящихся в отработанных газах. За короткое время, пока газы проходят через нейтрализатор, все реакции должны завершиться при температуре 250 — 800 град.

При температуре менее 250 град, эффективность нейтрализатора мала, а при температуре выше 1 000 гр. происходит «спекание» мелких кристаллов платины и разрушение активной поверхности, т.е. дезактивация нейтрализатора.

Рис. Окислительный нейтрализатор

На рисунке представлена конструкция каталитического нейтрализатора. 1 — керамическая пористая основа с нанесённым покрытием из платины и родия, 2 — изоляционные и теплоотводящие компоненты, 3 — датчик содержания кислорода в отработанных газах. Дезактивация катализатора особенно велика в первые 20 тыс.км. Особенно быстро дезактивация наступает при использовании этилированного бензина. Повторим, что рабочая температура в нейтрализаторе 400-700 гр., поэтому для быстрого прогрева и эффективной работы нейтрализатор располагают ближе к выпускному коллектору. Такое расположение является положительным фактором при холодном пуске и прогреве двигателя — нейтрализатор быстрее начинает работать, но при этом повышается его эксплуатационная температура, а это может способствовать дезактивации катализатора.

Блок-носитель каталитического нейтрализатора делают из керамики сотовой структуры, гофрированной фольги из нержавеющей стали или в виде сферических гранул из оксида алюминия, которые укладывают в металлический цилиндр, закрытый по торцам сетками. На поверхность носителя наносится каталитический материал и помещают внутрь корпуса из нержавеющей жаропрочной стали. Между блоком-носителем и корпусом ставится терморасширяющаяся прокладка. Для уменьшения вибрационных нагрузок нейтрализатор присоединяется шарнирными соединениями или компенсаторами колебаний.

Рис. Эффективная зона работы нейтрализатора

На рисунке показана зона эффективной работы нейтрализатора. Заштрихованная область — зона «стехиометрической» смеси, по оси абсцисс (В) отображено отношение «воздух-топливо», по оси ординат (А)-эффективность работы нейтрализатора.

В зоне «богатых» смесей — от 10 до 14,6 преобладают высокие концентрации оксида азота(NОх) и низкие СО и СН. Нейтрализаторы, преобразующие СО, СН, N0, называют трёхкомпонентными или бифункциональными. Для нейтрализации смеси оксида азота, получающегося в процессе сгорания смеси, используются реакции его восстановления до азота N2 и аммиака NH3. В материалах, служащих катализатором при нейтрализации вредных веществ, используются платина, палладий, родий и др.

Трёхкомпонентные нейтрализаторы являются окислительными и восстановительными. В связи с тем, что состав вредных веществ резко меняется в зависимости от «обогащения» или «обеднения» топливовоздушной смеси, необходимо поддерживать работу двигателя в районе «стехиометрической» смеси.

Для выполнения такой задачи используется электронное управление работой двигателя с системой обратной связи (замкнутая система). Датчики, обеспечивающие работу обратной связи, называются: лямбда зондами (отношение «воздух-топливо») и устанавливаются до и после нейтрализатора, а также термометры газов в зоне процессов нейтрализации и окисления вредных веществ.

Термические нейтрализаторы

Термические нейтрализаторы представляют собой камеру, в которой при высокой температуре окисляются СО и СН. При работе двигателя на обогащенной смеси, требуется подача воздуха перед нейтрализатором. При работе на обеднённой смеси температура будет не высокой и требуется дополнительный прогрев нейтрализатора. Термический нейтрализатор начинает работать при температуре 600 гр, что существенно выше, чем у каталитических нейтрализаторов. Кроме этих требований, нужны более прочные и жаростойкие материалы, стойкость к высокой коррозионной агрессивности. Не получили широкого распространения.

Ранее отмечалось, что нейтрализатор не работает на режимах прогрева двигателя, т.к. температура в нём не достаточно высока, кроме того, двигатель в это время работает на обогащенных смесях и в отработанных газах нет достаточного количества кислорода, необходимого для окисления СН в нейтрализаторе.

Для ускоренного прогрева нейтрализатора уменьшается угол опережения зажиганием, или электрическим подогревом нейтрализатора путём сжигания перед ним топлива в горелке, или подачи воздуха в, поток отработанных газов с помощью специального насоса.

Рис. Методы подогрева нейтрализатора: 1 — топливная форсунка, 2 — нейтрализатор, 3 — свеча для поджигания смеси, 4 — воздушный насос

В некоторых системах используют «стартовый» нейтрализатор, который устанавливается перед или параллельно основному При параллельном расположении весь поток отработанных газов направляется в стартовый нейтрализатор, который быстро прогревается и начинает эффективно работать.

После прогрева двигателя поворотом заслонки поток газов направляется в основной нейтрализатор. На рисунке приведена одна из схем построения системы с параллельным и основным нейтрализаторами.

Рис. Система со стартовым нейтрализатором: 1 — двигатель, 2 — стартовый нейтрализатор, 3 — глушитель, 4 — основной нейтрализатор, 5 — кислородный датчик (лямбда-зонд), 6 — заслонка

При очистке отработанных газах дизельных двигателей внимание уделяется сокращению содержания твёрдых частиц и оксидов азота (NOx). Приведём краткое описание некоторых способов очистки ОГ, применяемых в дизельных двигателях.

Фильтр твёрдых частиц используется для сбора и их дальнейшей регенерации. Используется с окислительным нейтрализатором. Перед и после нейтрализатора и фильтра твёрдых частиц устанавливаются датчики давления и температуры, по которым косвенным способом определяется загрязнение элементов. Далее ЭБУ двигателем переводит работу двигателя на разные режимы для запуска системы регенерации твёрдых частиц.

Накопительный нейтрализатор NOx

Накопительный нейтрализатор NOx собирает на своей поверхности оксиды азота, а затем конвертирует их в азот (N2). При холодном пуске отработанные газы нагреваются для сокращения количества NOx. ЭБУ двигателем периодически обогащает, а затем обедняет рабочую смесь и, тем самым, создаёт условия для разложения оксидов азота.

Труба глушителя.

Следующим элементом выхлопной системы, который непосредственно соединен с коллектором отвода сгоревшего топлива, является глушащая трубка. Для правильной работы выхлопной совокупности, производители транспортных средств были вынуждены предусмотреть в системе дополнительную изоляцию, для защиты от посторонних воздействий двигательной совокупности. Функцию снижения воздействий, поступающих от двигателя выполняет специальная муфта, изолирующая вибрацию. Данный элемент выходной совокупности транспортного средства имеет вид эластичного шланга, покрытого защитной оболочкой из стали.

Выхлопные газы

Во время работы различные системы автомобиля (ДВС, топливная, вентиляционная, а также ходовая часть) выделяют вредные вещества в виде газа и мелкодисперсной пыли. Часть из них – неядовитые соединения, которые содержатся в обычном воздухе. Другая часть является ядовитыми, токсичными и канцерогенными веществами, которые не только негативно влияют на окружающую среду, но и разрушают здоровье человека.

Основные загрязнители:

1. СО
   (он же – оксид углерода, или угарный газ) не имеет цвета и запаха, однако приводит к патологии ЦНС, угнетению сердечно-сосудистой и дыхательной системы, и в концентрации 0,3% от объема воздуха приводит к летальному исходу. Возникает он в результате неполного сгорания топлива.
2. СН
   (углеводороды) – обширная группа соединений с общей структурой, которые возникают при неполном или недостаточно быстром сгорании топлива. К ним относятся парафин, олефин, альдегид, формальдегид, бензол, толуол, ксилол и прочие полициклические соединения. Эти мутагены и канцерогены разрушают органы дыхания и способствуют росту и развитию раковых клеток, в том числе рака крови – лейкемии.
3. NОх
   (окислы азота) – основная причина возникновения кислотных дождей, так как при соединении с водой образуются азотная и азотистая кислоты. Это один из серьезных канцерогенов, вызывающих раковые опухоли. Ядовитый газ разрушает органы дыхания и накапливается в крови. Образуется в момент сгорания топлива.
4. SОх
   (оксиды серы) аналогично предыдущему химическому элементу. При контакте с водой образуют серную и сернистую кислоты. В состоянии газа вызывает патологию органов зрения и дыхания.
5. Н2S
   (сероводород) — вызывает общее отравление организма, возникает при использовании низкокачественного топлива с высоким содержанием серы.
6. NH3
   – аммиак – вызывает слепоту и ожоги верхних дыхательных путей.
7. Частицы сажи – продукт неполного сгорания топлива и масла.
   В основном, проблема возникновения канцерогена характерна для дизельных двигателей.
8. Мелкодисперсные частицы пыли углеводорода, серы, тяжелых металлов
   менее опасны, так как способны отфильтровываться непосредственно организмом.
9. Дым синего или белого цвета
   – продукт испарения масла дизельных двигателей.
10. СО2
    – углекислый газ – вызывает угнетение ЦНС, сердечно-сосудистой системы и органов дыхания, при содержании в атмосфере 6% от общего объема воздуха приводит к летальному исходу.
11. Прочие, незначительные, но не менее опасные составляющие выхлопных газов
    : метан, закись азота, фторуглеводород, гексафторид серы.

В современном законодательстве проблема экологии и нормы предельно допустимых выхлопных газов для автотранспортных средств регулируются техрегламентом Таможенного союза ТР ТС 018/2011 в поправке от 11.07.2016. Однако с 11 ноября 2020 и в него будут внесены поправки, ну а пока допускаются следующие предельные показатели: СО — 85 г/кВт•ч, НС — 5 г/кВт•ч, NO — 17 г/кВт•ч.

А к обязательным компонентам автомобилей относятся системы нейтрализации отработавших газов, в том числе сменные каталитические нейтрализаторы (за исключением систем нейтрализации на основе мочевины).

Проблемы системы нейтрализации выхлопных газов

Все вышеописаные системы характерны для автомобилей импортного производства и моделей последнего поколения. Для отечественного автопрома с карбюраторами установка нейтрализатора не популярна, не пользуется спросом, а также может быть весьма накладна.

Существенная стоимость систем нейтрализации выхлопных газов при их выходе из строя на импортных автомобилях чаще всего приводит к попытке избавиться от такой «нужной» детали.

А выйти из строя он может по ряду причин:

• Использование некачественного или «улучшенного» присадками топлива;
• Попадание в рабочую полость топлива или масла;
• Нестабильная работа двигателя;
• Механические повреждения корпуса;
• Резкий перепад температур на корпусе.

Предугадать точный пробег нейтрализатора невозможно: на одних машинах он едва ли переваливает за 100 тыс. км, на других отлично ведет себя при пересечении отметки в 200 тысяч.

Езда с неисправной системой нейтрализации выхлопных газов ведет к поломкам в автомобиле: провалу или периодической самопроизвольной потере скорости, проблемам с запуском ДВС, потере компрессии в цилиндрах, у дизельных моторов – к неисправности турбины.

Как решить проблему системы нейтрализации выхлопных газов?

Не стоит спешить и демонтировать нейтрализаторы, ведь борьба за экологию только началась. Кроме того, что могут возникнуть непредвиденные поломки, которые не сможет диагностировать «обманутая» электроника, требования к выхлопам при прохождении ТО ужесточаются, а значит, не все владельцы смогут его пройти. Да и токсичные выхлопы и канцерогены смогут в большой концентрации попасть в салон и нанести непоправимый вред здоровью водителя и пассажиров.

Гораздо целесообразнее проводить своевременную профилактическую проверку состояния нейтрализатора и сажевого фильтра и при возникновении критической для работы поломки или неисправности – заменить на новый. Ведь суммарная стоимость устранения возникших по причине отсутствия этого важного элемента неполадок может быть существенно выше.

Анализ окислов азота

Принцип измерения использует явление хемилюминесценции (оптическое излучение, вызванное химической реакцией), которая происходит в области длин волн между 590 и 3000 нм после реакции между окисью азота (N0) и озоном (03).

Образец газа не содержит окись азота, образованную при сгорании топлива в двигателе, но также соединяется с остаточным азотом в выхлопных газах для образования других окислов азота (например, NO2, N20). Вместе с избыточной долей N0 по сравнению с другими окислами азота, N02 также может достигнуть заметной концентрации, тогда как другие окислы азота имеют концентрацию чуть больше основных значений в окружающем воздухе. Наличие N0 в образце делает необходимым его термическое или термокаталитическое превращение в N0. В камере для реакций концентрация окислов азота преобразуется в концентрацию N0. Излучение от хемилюминесценции, вызванной 0 3, соответствует общему содержанию окиси азота. Для того чтобы уменьшить постороннюю люминесценцию, вызванную другими молекулами, содержащимися в смеси газов, учитывается только излучение в области длин волн между 600 и 660 нм, которое фильтруется с помощью оптического фильтра. Благодаря такому процессу отбора и очень низкому регистрируемому пределу принцип хемилюминесценции подходит для измерений N0 в «разбавленных» или «неразбавленных» выхлопных газах дизельного двигателя. Так как NO2 растворяется в воде, то измерительный контур нагревается до 80°С, чтобы предотвратить конденсацию водяных паров.

Рис. Хемилюминесцентный детектор CLD: 1. Вакуумный насос; 2. Молекулярное сито; 3. Базовый контур; 4. Регулятор количества; 5. Фильтр; 6. Воздух; 7. Кислород; 8. Генератор озона; 9. Капиллярная трубка; 10. Камера для реакций; 11. Оптический фильтр; 12. Фотоэлектронный умножитель; 13. Усилитель; 14. Индикаторный прибор; 15. Выхлопные газы; 16. Преобразователь N02/N0.

Источник