Фильтруем воздух для мотора. история, технологии, современность

Определение выбросов сажи

Методы фильтрации и поглощения обычно указываются в требованиях по контролю выхлопных газов как методы измерения содержания сажи в выхлопных газах дизельного двигателя. Существует взаимосвязь между результатами измерений обоих методов, если для измерений поглощения (прозрачности) выхлопные газы не содержат паров воды и топливного тумана. Оба метода измерения дают измеряемые величины, которые возрастают логарифмически с увеличением концентрации сажи. Повышенная точность измерений (10%) может быть достигнута с помощью оптических приборов.

В случае метода фильтрации используется почернение фильтровальной бумаги в качестве меры для количества сажи, осажденной на ней.

В некоторых странах (например, Швейцарии) фильтрующее устройство предписано для измерения выбросов дыма при свободном (без нагрузки) разгоне в качестве критерия для оперативного контроля. Для этой цели продолжительность движения плунжера насоса фильтра должна быть увеличена до 6 секунд, чтобы полный выброс дыма мог пройти через фильтровальную бумагу (2) в течение хода плунжера (3 — положение плунжера перед измерением, 5 — после измерения). Оценка производится с помощью фотоячейки (Ь) или с помощью специальной шкалы серости (9).

Дымомер (измеритель поглощения или прозрачности) (а) использует ослабление интенсивности луча света в качестве меры концентрации сажи. При измерении часть выхлопных газов (4) прокачивается насосом через заборное устройство и через шланг в измерительную камеру. Процесс, указанный выше предотвращает давление выхлопных газов и его флуктуации, отрицательно влияющие на результаты измерений.

Луч света (8 — источник света), проходящий через выхлопные газы, поступает в измерительную камеру. Уменьшение интенсивности света измеряется фотоэлектрическим способом (10 — приемник света) и отображается в % коэффициента прозрачности Т или как коэффициент поглощения к. Высокая точность к воспроизводимость измерений требуют, чтобы длина измерительной камеры была точно определена, а окошко измерительной камеры поддерживалось чистым от сажи с помощью методов термической очистки.

Электронный метод измерения концентрации кислорода

Поскольку методом NDIR нельзя определить концентрацию кислорода (он не поглощает инфракрасные лучи), то на выходе измерительной камеры или в отдельной измерительной камере устанавливается электрохимический датчик кислорода. В зависимости от содержания кислорода в выхлопе меняется поток электронов между катодом и анодом датчика. Падение напряжения на нагрузочном резисторе служит показателем содержания кислорода в выхлопе и анализируется измерительной электроникой. Так как нагрузочный резистор имеет зависимость от температуры, то даже при разных температурах окружающей среды гарантируется постоянная точность измерений. Срок службы датчика кислорода ограничен процессами окисления. Принципиальная схема кислородного датчика изображена на рисунке.

Дымомер (метод прокачки через фильтр)

Устройство обеспечивает пропуск определенного количества отработавших газов через бумажный фильтрующий элемент. На каждой стадии испытаний осуществляется регистрация объемов анализируемого газа, что позволяет получить полные и сравнимые между собой результаты. Система также позволяет контролировать и компенсировать действие других факторов (давления, температуры и др.). Для оптико-электронной оценки почернения фильтрующей бумаги применяется

светоотражающий фотометр. Результаты представляются в виде показателя сажесодержания Бош или массовой концентрации сажи в газе (мг/м3).

Прочие системы катализаторов для дизельных двигателей

Катализатор CH-SCR (Катализатор с СН-селективным каталитическим восстановлением)

Функцию аммиака, как восстановителя, могут выполнять и другие, безазотные восстановители — например, углеводороды, которые всегда содержатся в выхлопе в известной концентрации. При необходимости можно впрыскивать дополнительный восстановитель (топливо) либо сразу после сжигания в камеру сгорания или непосредственно перед катализатором в систему выпуска. Удаление оксидов азота происходит путем восстановления имеющихся углеводородов. Чтобы система работала оптимально, необходимо определенное соотношение СН и NOx. Степень нейтрализации может составлять до 60% NOx. При температуре ниже 100°С поглотительная способность системы очень мала, а свыше 350°С могут окислиться используемые цеолиты (щелочные силикаты алюминия). До сих пор известно два основных способа: низкотемпературные катализаторы на базе платины и высокотемпературные катализаторы на базе цеолитов.

На рисунке показана зависимая от температуры картина нейтрализации молекул СН.

Селективная рециркуляция оксидов азота (SNR)

Еще один перспективный вариант — селективная рециркуляция оксидов азота. В NO-адсорбере со щелочным или щелочноземельным покрытием улавливаются и отфильтровываются оксиды азота NCK Во время накопления оксиды азота каталитически окисляются. Затем в камеру сгорания возвращается NO, где преобразуется. Оксиды азота NOx улавливаются уже при температуре ОГ 150°С, а отдаются лишь при 350°С.

Плазменная технология и микроволновая индукция

При плазмоиндуцированной очистке в отработавших газах создаются радикалы. Радикалы запускают реакции разложения или превращения вредных компонентов. Отработавшие газы проходят через реактор, в котором высокоэнергетические электроны создают радикалы. Плазма — это газ, ионизирующийся при подаче электрического напряжения. Из-за большого количества свободных электронов она обладает высокой химической активностью. Эта активность используется для проведения реакций, для которых потребовалось бы большое количество энергии при значительно более низких температурах. Помимо восстановления оксидов азота также происходит уменьшение выбросов частиц. Преимуществом этих систем является независимость от температуры ОГ и мгновенное действие при включении плазмогенератора. Таким образом, система может начать работать сразу после холодного пуска. Проблемы этих систем заключаются в их очень высоком энергопотреблении, приводящем к увеличению расхода топлива и снижению степени нейтрализации оксидов азота до неудовлетворительного уровня. Эти разработки пока находятся на начальной стадии.

Для снижения вредных выбросов также апробируются технологии с микроволновой индукцией. По микроволновому нагреву уже есть перспективные наработки и небольшие прототипы, но еще требуется прояснить множество моментов:

• обеспечение надежного экранирования микроволновой энергии;
• обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) системы в целом;
• обеспечение достаточно большой микроволновой энергии без дополнительной нагрузки на бортовую сеть;
• обеспечение достаточно компактной конструкции для встраивания в автомобиль.

Приемлемые решения и в этой системе появятся лишь через несколько лет.

Критерий истины

Эффективность работы воздушного фильтра характеризуется коэффициентом пропуска пыли. Суть этого показателя понятна из названия, измеряется он в процентах и зависит от типа системы и режима работы двигателя.

Другой важный показатель – это предельное сопротивление засасываемому воздуху. Он измеряется в единицах давления (чаще всего в килопаскалях). Данная характеристика определяет не качество фильтрации, а эксплуатационные показатели двигателя в условиях недостатка воздуха при смесеобразовании. Поясним это на примере.

По мере засорения фильтрующего элемента его сопротивление воздушному потоку растет. Следовательно, при постоянном угле открытия дроссельной заслонки количество поступающего воздуха уменьшается. И если настройка системы питания останется неизменной, в определенных режимах это может привести к обогащению смеси, а следовательно, и к неполному ее сгоранию. При этом мгновенная мощность двигателя снизится, а расход топлива и концентрация токсичных веществ в отработавших газах увеличатся.

Таким образом, предельное сопротивление воздушного фильтра – это граница, после которой фильтрующий элемент из помощника превращается во врага. Конечно, водителю не нужно знать численных значений предельного сопротивления различных фильтров. Ему достаточно помнить, что в процессе эксплуа­тации сопротивление воздушного фильтра постоянно растет. Помнить и вовремя менять фильтрующие элементы.

Замена топливного фильтра

Основной порядок выполнения действий при замене ТФ на большинстве видов авто схож – по окончанию срока эксплуатации фильтрующего элемента старое устройство снимается, а вместо него ставится новый фильтр.

Главная отличительная особенность у разных двигателей — это расположение самого фильтра. А от этого зависит сложность выполнения работ и другие детали

Для демонтажа/монтажа ТФ у автомобилей с разными типами двигателей может потребоваться специальный инструмент и приспособления. Их нужно подготовить заранее. Далее мы расскажем, как поменять ТФ для каждого конкретного типа двигателя, объяснив, как снять старый и поставить новое фильтрующее устройство.

Замена ТФ на карбюраторе

У карбюраторного двигателя фильтрующее устройство, как правило, расположено под капотом. Изготовлено он из пластмасс/легкосплавных металлов, а его монтаж будет простым и понятным для каждого.

Во-первых, необходимо убрать зажим с каждой стороны, после этого демонтировать само фильтрующее устройство

Ставя новый ТФ, чрезвычайно важно поставить его правильно, не перепутав направление (впуск/выпуск). Чтобы автовладельцу было проще сориентироваться, на корпусе имеется стрелочка, которая при установке должна смотреть на бензобак

Поставив зажимы на место, надо закачать топливо при помощи ручки бензонасоса. Если в этот момент будет слышаться легкий свист, следовательно, нарушена герметичность. Обеспечить надёжный крепёж помогут металлические хомуты.

Замена ТФ на инжекторе

Подача рабочей смеси в цилиндры инжекторного двигателя происходит под высоким давлением, а потому ТФ для таких моторов делают металлическими с резьбовым крепежом на соединениях. Находиться ТФ инжектора может в моторном отсеке или под днищем.

1. Для начала следует понизить давление в системе, для чего в предохранительном блоке, который расположен у рычага коробки передач, необходимо убрать средний (обычно он ответственен за функционирование насоса).
2. Затем надо запустить двигатель и подождать, когда он заглохнет (обычно, не больше минуты).
3. Далее с помощью соответствующих инструментов производится демонтаж старого фильтра и произвести установку нового. Здесь стрелка должна показывать в направлении движения топлива.

Закончив работы, нужно поставить предохранитель на место. После этого попытайтесь запустить силовой агрегат.

Замена ТФ на дизеле

В заключение расскажем, как менять фильтр на машинах с дизельным двигателем, которые крайне чувствительны к характеристикам заливаемого топлива. От значительного объема примесей забиваются форсунки, а это сказывается на корректной работе силового агрегата.

Мы уже упоминали выше, что на дизельных машинах установлено 2 фильтра (предварительной/тонкой очистки). Второй, обычно, необходимо менять через 10-15 000 км пробега. Расположен он во фронтальной части автомобиля, а чтобы до него добраться, потребуется демонтировать колесо с подкрылком. После этого нужно произвести следующие действия:

1. Скрутить лоток.
2. Отделить фишку с водяного измерителя.
3. Удалить штуцера, нажав на кнопки, находящиеся на задней стенке.
4. Снять измеритель водяного уровня и пробочку снизу.
5. Снабдить демонтированные запчасти новыми деталями, обеспечивающими герметичность (резиновые прокладки/шайбы поставляются с фильтром).
6. Поставить водяной измеритель с пробкой на устанавливаемое фильтрующее устройство, после этого поставить его на машину.

При монтаже не следует ударять по водяному измерителю – все работы требуется провести с максимальной аккуратностью.

Коэффициент избытка воздуха и выбросы вредных веществ бензиновыми двигателями

Все важные параметры двигателя зависят от коэффициента избытка воздуха. Из-за очень сложных химических и физических процессов сгорания конструктивные параметры двигателя в плане мощности, крутящего момента, расхода топлива и выбросов вредных веществ, всегда являются суммой большого числа компромиссов. Если в камере сгорания образуется небольшое количество вредных веществ, то можно повысить эффективность систем очистки отработавших газов (например, катализатора). Основной проблемой всех высокооборотных ДВС является очень маленький интервал, в котором все сложные процессы должны протекать по возможности оптимально.

На рисунке показана зависимость отдельных компонентов отработавших газов от коэффициента избытка воздуха.

Ниже приведены важнейшие условия образования вредных выбросов и зависимость мощности двигателя от коэффициента избытка воздуха. При этом рассматривается только обычный рабочий диапазон традиционных бензиновых двигателей и — для упрощения понимания — только тенденции характеристик. У двигателей с непосредственным впрыском топлива выбросы углеводородов и NOх смещаются в диапазон более бедных смесей.

Мощность

Бензиновые двигатели развивают максимальную мощность при Л=0,9, так как при этом используется почти весь всасываемый кислород. Но одновременно большая часть компонентов топлива не сгорает. При Л >1 мощность снижается, так как неизрасходованному кислороду не с чем реагировать. Расход топлива при этом падает, так как почти все топливо сгорает.

Оксид углерода (СО)

Оксид углерода всегда образуется при недостатке кислорода, которого не хватает для полного сгорания топлива и превращения его в углекислый газ. Теоретически, начиная с Л = 1, доля СО в отработавших газах должна быть равна нулю. Но поскольку сгорание происходит в закрытой системе и на охлаждаемых стенках камеры сгорания окисление прерывается, кроме того, сгорание происходит с задержкой, а в «мертвых зонах» (например, зазор в области огневой перемычки) не происходит вовсе, то в бедной смеси также образуется оксид углерода.

Углеводороды (СН)

В диапазоне Л<1 для полного сгорания топлива и превращения углеводородных соединений в углекислый газ и воду не хватает кислорода. Минимум выбросов углеводородов приходится на диапазон А от 1,1 до 1,2. При еще более бедной смеси пропуски зажигания и задержка сгорания снова приводят к увеличению выбросов углеводородов.

Окислы азота (NOх)

Повышенные выбросы оксидов азота всегда происходят при сгорании более бедной смеси. Максимальный выброс оксидов азота происходит при Л=1,1. Для образования окислов азота необходимы два условия:

1. высокая температура сгорания, при которой активизируется содержащийся в воздухе инертный азот;
2. свободный кислород, который уже не может вступить в реакцию с углеродом и водородом.

Должны всегда выполняться оба условия. Они достигаются при коэффициенте избытка воздуха, составляющем около 1,1.

Ориентировочные значения для компонентов ОГ

В таблице приведены общие ориентировочные значения для компонентов ОГ при безупречно работающей системе подготовки смеси. Часто уже по результатам измерения и грамотного анализа состава ОГ можно выполнить первичную диагностику и оценку ее погрешности. Поскольку отдельные компоненты ОГ образуются лишь при определенных условиях, можно ограничить объем диагностических работ. Обработка блоков измеряемых величин в режиме 1 системы OBD еще больше сужает круг неисправностей. Окислы азота при измерении ОГ на СТО не учитываются. Выбросы окислов азота должны измеряться под нагрузкой (с целью повышения температуры) на мощном испытательном стенде. Методы для вычисления количества окислов азота по другим компонентам ОГ слишком неточны и до сих пор не нашли применения.

Отработанные газы

Основное внимание при диагностике ДВИГАТЕЛЯ необходимо уделить процессам смесеобразования, горения и обработки выпускных газов. Сгорание топлива в двигателе внутреннего сгорания сопровождается образованием большого количества продуктов неполного сгорания и термического разложения углеводородов топлива, оксидов азота, соединений серы и свинца

На приведённых диаграммах представлен состав отработанных газов без применения систем нейтрализации.

Азот не вступает в реакции и не участвует в горении топлива. Кроме основных составляющих, приведённых на диаграммах, в ОГ присутствуют доли процента оксида углерода и азота, углеводороды и др.

Уровень эмиссии СО и СН у дизельных двигателей значительно ниже, чем у бензиновых.

Оксид углерода (СО) образуется в бензиновых двигателях и зависит от состава смеси: чем она «богаче», тем выше концентрация СО. В дизельных двигателях СО образуется при горении смеси с недостатком кислорода. СО — бесцветный, не имеющий запаха газ. При попадании в лёгкие соединяется с гемоглобином крови, что уменьшает сё способность снабжать организм кислородом. Отравление оксидом углерода проявляется в затруднённом дыхании, тошноте, учащённом сердцебиении и головной боли.

Углеводороды (СН или НС or hidrocarbon) образуются из-за гашения пламени вблизи относительно холодных стенок камеры сгорания и состоят из исходных или распавшихся молекул топлива. В дизельных двигателях углеводороды образуются or распада молекул топлива под действием высоких температур при отсутствии химических реагентов, т.е. отсутствие достаточного количества кислорода. Углеводороды могут образовываться вследствии пропусков воспламенения, негерметичности выпускного клапана или системы вентиляции картера.

При длительном воздействии на организм человека могут вызвать раковые заболевания.

Оксиды азота (NOx) образуются в цилиндрах двигателя при температуре выше 1500 гр. Азот и кислород воздуха вступают в реакцию и образуют оксид азота NО. В малых концентрациях не имеет запаха. NO, оказывает влияние на нервную систему, воздействует на слизистые оболочки глаз и носа.

Сажа и частицы (С) представляют собой твёрдый продукт, в основном состоящий из углерода. Кроме углерода в саже содержится небольшое количество водорода. Образование сажи происходит при температуре выше 1500 гр. в результате разложения топлива при недостатке кислорода.

Содержание сажи в отработанных газах бензиновых двигателей незначительно. В дизельных двигателях наличие сажи зависит от степени неоднородности топливовоздушной смеси и характеризустся чёрным дымом на выпуске. Сажа имеет размеры 0,4 — 5 мкм и является механическим загрязнителем носоглотки и лёгких. Кроме этого сажа накапливает на своей поверхности канцерогенные вещества и является их переносчиком.

Свинец и сера. Свинец в виде свинцовых солей выбрасывается в атмосферу с отработанными газами. Попадая в организм с атмосферным воздухом и через кожу, накапливаются и негативно действуют на нервную систему. Сера содержится в дизтопливе в большем количестве, чем в бензине и выбрасывается в атмосферу в форме диоксида серы (SО2), который очень вреден для растений и человека. Предельное содержание серы для бензиновых двигателей 0,015%, а для дизельных — 0,035%. В некоторых странах уже используется бензин и дизельное топливо с содержанием серы 0,001%.

Выше перечислены основные загрязнители окружающей среды, получаемые от работы автомобильных двигателей

С каждым годом автомобилей становится больше и проблема снижения норм выброса отравляющих веществ от работающих двигателей становится всё более важной

В Европе и, особенно, в Америке, где плотность автомобилей гораздо больше чем в России, давно обеспокоены и постоянно ужесточают нормы выброса отравляющих веществ в атмосферу.

Ниже приведена таблица норм выброса отравляющих веществ в отработанных газах автомобилей. Стандарты не зависят от рабочего объема двигателя, поэтому их легче выполнить для двигателей малого объема. Выпускные системы автомобиля наряду с другими системами призваны выполнять задачу снижения количества выбросов отравляющих веществ в атмосферу.

Система CRT

Система CRT (Continuous Regeneration Trap) представляет собой сочетание окислительного катализатора и сажевого фильтра, объединенных в общий блок. CRT-фильтры зависят не только от добавки присадок, но и от точной регулировки системы управления двигателем для восстановления фильтра. Эта система была разработана компанией HJS для автобусов и грузовиков.

В этой системе для сжигания сажи вместо кислорода может использоваться диоксид азота. Такое сгорание возможно уже при 250°С.Таким образом, порог температуры для восстановления фильтра опускается еще ниже. Тем не менее, в выхлопе из NO сначала должен образоваться NO2. В системах CRT это происходит в окислительном катализаторе, расположенном перед фильтром. В окислительном катализаторе NO преобразуется в NO2, а тот, в свою очередь, вступает в реакцию с частицами и в результате получаются N2, СО2 и Н2О. Это возможно при температуре ОГ от 250°С до 400°С и нулевом содержании серы в топливе. Если сера в топливе есть, то в выпускном тракте образуется сернистая или серная кислота. Если температура ОГ слишком большая, то образуется излишек ядовитого NO2. Если она будет слишком мала, то не все частицы смогут окислиться, и фильтр засорится.

Для сжигания решающим является соотношение NO2 к саже. При слишком низкой концентрации NO2 сгорание не происходит, и фильтр постепенно засоряется. При слишком высокой концентрации возникает утечка NO2, нежелательная в силу его токсичности. Система предполагает очень небольшое количество серы в топливе, так как иначе катализатор можно отравить серой.

Благодаря использованию модульной системы CRT с SCR-катализатором компании HJS вредные выбросы двигателя могут снизиться на 90%, что является порогом обнаружения в современной технике измерения выбросов. Модульная система CRT встроена в корпус глушителя (из нержавеющей стали). Катализатор окисляет СН, СО и N0 до N02 Отложившаяся сажа в сажевом фильтре непрерывно сгорает за счет накопившегося в катализаторе оксида азота. Однако выбросы оксидов азота уменьшаются незначительно. Система не требует никакой помощи в восстановлении и работает почти без обслуживания.

Для восстановления оксидов азота необходим дополнительный SCR-катализатор и впрыск восстановителя.

Для оптимальной работы системы необходимы следующие условия:

• содержание серы в топливе менее 50 промилле;
• подходящие условия эксплуатации, т.е. диапазон температуры 250-450 °С в зоне фильтра;
• обслуживание двигателя согласно инструкциям изготовителя.