12.5. Снижение токсичности отработавших газов

В сущности бензин состоит из молекул углерода и кислорода. При сгорании бензина в цилиндрах двигателя углерод соединяется с кислородом, находящимся в воздухе, в результате чего образуется двуокись углерода (углекислый газ СО2), водород соединяется с кислородом, образуя воду (Н2О). Из 1 л бензина получается примерно 0,9 л воды, которая обычно не видна, так как она выходит из системы выпуска отработавших газов в виде пара, в который превращается под воздействием высокой температуры. Только при холодном двигателе, особенно в холодное время года, видны белые облака отработавших газов, образованные сконденсированной водой.

Эти продукты горения образуются, когда воздух и топливо смешиваются в оптимальной пропорции (14,7:1). Но, к сожалению, это соотношение не всегда выдерживается, поэтому и присутствуют вредные вещества в отработавших газах.

Все без исключения автомобили оборудованы управляемым трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, автомобили с дизельными двигателями Endura-DE — окислительным каталитическим нейтрализатором. Управляемый каталитический нейтрализатор уменьшает содержание оксидов углерода примерно на 85%, углеводородов — на 80%, оксидов азота — на 70%. Окислительные каталитические нейтрализаторы не оказывают никакого влияния на концентрацию оксидов азота. С увеличением пробега эффективность каталитического нейтрализатора снижается. Обозначение «управляемый» говорит о том, что при работе двигателя состав отработавших газов постоянно контролируется с помощью датчика концентрации кислорода и содержание вредных веществ в газах уменьшается до предписанных законодательством норм.

Рис. 11.4. Расположение датчика (1) концентрации кислорода в приемной выхлопной трубе (2), где температура отработавших газов максимальна

Датчик концентрации кислорода (HO2S) на автомобиле Fiesta установлен перед каталитическим нейтрализатором в передней выхлопной трубе (рис. 11.4) и действует по принципу гальванического элемента с твердым электролитом в виде керамического материала, изготовленного из диоксида циркония и оксида иттрия. Керамический материал датчика подвергается снаружи воздействию отработавших газов, его внутренняя поверхность соединена с окружающим воздухом. Для уменьшения времени приведения датчика в нормальный рабочий режим его оборудуют электрическим подогревом. Вследствие разницы в содержании кислорода в отработавших газах и окружающем воздухе в датчике возникает разность потенциалов, которая при определенном остаточном содержании кислорода в отработавших газах сильно увеличивается. Этот скачок напряжения происходит точно при соотношении топлива и воздуха l=1. При недостатке кислорода (l<1), т.е. при богатой топливовоздушной смеси, напряжение составляет 0,9–1,1 В. При бедной смеси (l>1) напряжение уменьшается до 0,1 В.

Сигнал датчика концентрации кислорода передается блоку управления системой впрыска топлива. Блок обогащает или обедняет топливовоздушную смесь, чтобы поддерживать соотношение топлива и воздуха как можно ближе к оптимальному l=1.

Степень эффективности каталитического нейтрализатора является функцией рабочей температуры. Нейтрализатор начинает работать при температуре приблизительно 300 °С, которая достигается через 25–30 с движения. Рабочая температура в диапазоне 400–800 °С обеспечивает оптимальные условия для получения максимальной эффективности и большого срока службы нейтрализатора.

Керамический каталитический нейтрализатор восприимчив к сверхвысокой температуре. Если его температура превышает 900 °С, начинается процесс интенсивного старения, а при температурах свыше 1200 °С его работоспособность полностью нарушается.

Активный слой состоит из металлов, чувствительных к содержанию свинца в топливе, при отложении которого активность каталитического слоя быстро уменьшается. Поэтому двигатели с каталитическими нейтрализаторами следует эксплуатировать только на неэтилированном бензине.

Рис. 11.5. Схема работы каталитического нейтрализатора. От двигателя поступают вредные вещества NOx (оксиды азота), СО (угарный газ) и СН (углеводороды), а после реакции в каталитическом нейтрализаторе выходят N2 (азот), СО2 (углекислый газ) и Н2О (вода): 1,2 – металлические сетки; 3 – корпус; 4 – перфорированная воронка

Каталитический нейтрализатор имеет пористое керамическое основание, покрытое драгоценными металлами — платиной и родием и заключенное в оболочку из нержавеющей стали. Расположенное на проволочной сетке керамическое основание пронизано большим количеством параллельно расположенных каналов. На стенках каналов нанесен промежуточный слой для увеличения активной поверхности каталитического нейтрализатора (рис. 11.5).

Каталитический нейтрализатор содержит 2–3 г драгоценных металлов, причем платина способствует окислению, а родий — восстановлению окислов азота.

Каталитический нейтрализатор нейтрализует такие вредные вещества, как угарный газ, углеводород и оксиды азота (поэтому он называется трехкомпонентный каталитический нейтрализатор).

· Если двигатель автомобиля Fiesta не пускается из-за разрядки аккумуляторной батареи, не пытайтесь пустить двигатель, толкая или буксируя автомобиль. В каталитический нейтрализатор попадет очень много несгоревшего топлива, которое со временем приведет его в негодность.

· При перебоях в зажигании или пропусках зажигания необходимо сразу же проверить систему зажигания и при дальнейшем движении избегать высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя.

· Перед нанесением защитной мастики на днище кузова тщательно закройте каталитический нейтрализатор, иначе возможно возгорание.

· При каждом подъеме автомобиля обязательно проверяйте теплозащитные пластины.

· Негерметичность системы выпуска отработавших газов (прогоревшая прокладка, трещина от высокой температуры и т.д.) перед датчиком концентрации кислорода приводит к неправильным результатам измерения (высокая доля содержания кислорода). Поэтому электронный блок управления двигателем будет обогащать смесь, что приведет к увеличению расхода топлива и преждевременному износу каталитического нейтрализатора.

Оксид углерода (угарный газ — СО).

Чем богаче топливовоздушная смесь, тем больше образуется угарного газа. Точное управление количеством впрыскиваемого топлива, правильно установленный момент зажигания и равномерное распределение смеси в камере сгорания уменьшают содержание угарного газа в отработавших газах. Никогда не измеряйте содержание оксида углерода в закрытых помещениях, так как угарный газ ядовит и даже небольшая его концентрация в закрытых помещениях может быть смертельна. В воздухе угарный газ относительно быстро соединяется с кислородом и образует углекислый газ. Несмотря на то что углекислый газ не ядовит, он участвует в образовании «парникового» эффекта.

Соединения углеводородов объединены в одну группу. Содержание СН зависит от конструкции двигателя (неизменяемая величина). Слишком богатая или слишком бедная топливовоздушная смесь также увеличивает долю содержания СН в отработавших газах. Некоторые из них безопасны, другие могут вызывать раковые заболевания. Все соединения углеводородов совместно с оксидами азота (NOx) образуют смог (тяжело растворимые туманные облака отработавших газов).

Оксиды азота (NOx или NO) -

образуются, прежде всего, из-за наличия азота в воздухе, поступающего в камеру сгорания (свыше 3/4). Их концентрация особенно высока в конструкциях двигателей с низким расходом топлива и малым содержанием СО и СН в отработавших газах. Для этих двигателей характерны высокая температура сгорания и бедная топливовоздушная смесь. При сильной концентрации оксиды азота могут повредить органы дыхания. При соединении с водой образуются кислотные дожди.

Образуется при сгорании топлива, содержащего углерод, при соединении с кислородом воздуха. Углекислый газ уменьшает полезное воздействие озонового слоя Земли, защищающего от вредного ультрафиолетового излучения Солнца.

Ядовитые вещества, содержащиеся в отработавших газах дизельных двигателей.

При работе дизельного двигателя образуется незначительное количество СО и СН. Из-за более высокой компрессии дизельный двигатель выбрасывает меньше оксидов азота. Но для дизельного двигателя характерны другие вредные вещества в продуктах сгорания. Например, сажа — типичная составная часть отработавших газов дизеля. Сажа состоит из несгоревших углеродов и золы. Частицы сажи при попадании в органы дыхания становятся возбудителями рака. Двуокись серы (SO2) также образуется при наличии серы, прежде всего, в дизельном топливе. Способствует появлению серной или сернистой кислоты в дожде (кислотные дожди). Автомобили с дизельными двигателями становятся причиной 3% кислотных осадков.

Углекислый газ образуется при сгорании дизельного топлива только при более высоких концентрациях.