|
СХЕМЫ---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 1-50---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 51-100
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СОВРЕМЕННОГО ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ
Д.Соснин
В последние годы значительно возросли требования к очистке выхлопных отработавших газов автомобиля от токсичных компонентов. Наряду с этим стали нормироваться допуски и на испаряемость бензина из бензобака. Это привело к необходимости установки на современных легковых автомобилях специальных экологических систем, которые работают совместно с системой впрыска топлива
Современные легковые автомобили оборудуются системами экологической защиты окружающей среды в обязательном порядке.
Есть несколько способов понижения концентрации вредных веществ (токсиногенов), попадающих в атмосферу и окружающую среду при работе автомобиля. Основные из них следующие.
1. Экологическая система автомобиля с кислородным датчиком (система ЭСК)
Основным элементом системы ЭСК является кислородный датчик.
Если кислородный датчик ввернуть в выпускной коллектор, то сигнал Ед на выходе датчика после прогрева будет изменяться от коэффициента избытка воздуха а (в ТВ-смеси) так, как показано на рис. 1 а. Из графика видно, что когда концентрация кислорода в отрабоьавших газах (ОГ) низкая, что соответствует выжиганию в цилиндрах богатой ТВ-смеси (при а < 1), то сигнал датчика может достигать значения 0,85 В. При работе двигателя на бедных смесях (при а>1) сигнал датчика стремит ся к значению 0,15 В. При переходе коэффициента избытка воздуха через границу (при а = 1) на электродах датчика имеет место резкий (ступенчатый) перепад Ед. Этот перепад может быть легко зарегистрирован с помощью пороговой электрической схемы в блоке РЭС, настроенной на среднее значение сигнала датчика (Ед = 0,45 В). Среднее значение Ед = 0,45 В является опорным аналоговым сигналом в цепи адаптивной обратной связи (от концентрации кислорода в ОГ к коэффициенту избытка воздуха ТВ-смеси в системе впрыска).
Система ЭСК предназначена для работы совместно с электронным карбюратором, либо в составе любой системы впрыска топлива, где она корректирует состав ТВ-смеси при изменении процентного содержания кислорода в выхлопных отработавших газах. При этом в систему впрыска добавляются:
1) кислородный датчик (КД), установленный в выпускном канале ДВС в потоке ОГ;
2) авторегулятор (блок РЭС), выполненный в виде электронной схемы, помещенной в корпус обычного реле или интегрированной в ЭБУ системы впрыска;
3) тактовый электробензоклапан (ТЭК), установленный между топливоподающей и обратной бензомагистралями и работающий по импульсным сигналам от блока РЭС;
4) термовыключатель (ТВК), установленный в системе жидкостного охлаждения ДВС (только для механических систем впрыска), или датчик температуры ДВС (для систем впрыска с электронным управлением).
Функциональная схема экологической системы ЭСК, которая включена в состав системы впрыска "К-Jetronic", показана на рис. 2.
Такая система работает следующим образом.
Пока двигатель холодный, термовыключатель ТВК 7 разомкнут, и система ЭСК не функционирует. Система впрыска в это время работает без коррекции состава ТВ-смеси по содержанию кислорода в ОГ, т.е. в обычном режиме обогащения ТВ-смеси для холодного двигателя.
После прогрева ДВС до определенной температуры (55...60°С) термовыключатель 7 замыкается, и напряжение от бортсети автомобиля (по массе) подается на авторегулятор РЭC 2. С этого момента авторегулятор РЭС начинает реагировать на сигналы кислородного датчика 9, который к этому времени сам прогревается до рабочей температуры +300°С, так как установлен в выпускном коллекторе 10. Электронная схема авторегулятора (блок РЭC 2) представляет собой генератор электрических импульсов с постоянной длительностью, но с управляемой частотой следования. Частота следования управляется аналоговым сигналом Ед от кислородного датчика КД 9. В РЭC сигнал предварительно обрабатывается и преобразуется с помощью пороговой электрической схемы в последователь ность импульсов для управления тактовым электробензоклапаном ТЭК 3.
Таким образом концентрация кислорода в ОГ определяет периодичность следования импульсов, поступающих на тактовый клапан 3 от РЭC 2. Когда на тактовый клапан поступает электрический импульс, он открывается. При отсутствии импульсов тактовый клапан закрыт.
При открытии тактового клапана рабочее давление в главной топливной магистали ПБМ падает и топливовоздушная смесь обогащается, так как мембрана 6 дифференциального клапана в дозаторераспределителе 4 больше прогибается вниз, и топлива к форсункам поступает больше. Если тактовый клапан закрывается, то мембрана дифференциального клапана больше прогибается вверх, и смесь обедняется.
Система ЭСК регулирует коэффициент избытка воздуха а таким образом, чтобы он все время был близким к единице. Как следствие, концентрация окиси углерода СО и углеводородов СН в ОГ поддерживается на низком уровне. Однако, ЭСК не позволяет понизить концентрацию оксидов азота NOx, так как они образуются под большим давлением и особенно под действием высокой температуры и мало влияют на концентрацию кислорода в ОГ.
В тех случаях, когда применяется этилированный бензин, система ЭСК может быстро выйти из строя за счет оседания тяжелых соединений свинца на наружной платиновой поверхности кислородного датчика. Чувствительность активного катализатора из благородного металла резко падает. Датчик при этом перестает функционировать. Чтобы этого не происходило, кислородный датчик заменяется пробкой-заглушкой, а остальные компоненты системы ЭСК остаются на автомобиле. Система без кислородного датчика продолжает функционировать, но уже не в режиме регулирования частоты срабатывания тактового клапана, а в режиме подачи на него последовательности импульсов с постоянной скважностью 0,5. При этом 50% времени тактовый клапан открыт, а 50% закрыт. Частота следования импульсов достаточно высокая (50...60 Гц) для того, чтобы в главной топливной магистрали рабочее давление не успевало изменяться от импульса к импульсу. При этом рабочее давление устанавливается на таком среднем уровне,при котором состав рабочей смеси может регулироваться обычным способом (штатными режимами работы системы впрыска).
Если автомобиль переведен обратно на эксплуатацию с неэтилированным бензином, то система ЭСК может быть быстро приведена в действие путем установки кислородного датчика вместо пробкизаглушки и его подключением к блоку РЭС.
2. Экологическая система автомобиля с рециркуляцией отработавших газов (система ЭСР)
Система ЭСР (в зарубежной литературе — система EGR) относится к таким системам, в которых имеет место воздействие на процесс горения ТВ-смеси в камере сгорания с целью понижения токсичности отработавших газов (ОГ).
Система ЭСР работает по принципу понижения температуры в цилиндре на режимах средних (самых распространенных) нагрузок ДВС. При этом интенсивность образования оксидов азота NOx значительно понижается.
Понижение температуры горения в цилиндре достигается путем введения в него части ОГ из выпускного коллектора через впускной коллектор, т.е. путем рециркуляции продуктов сгорания. Так как ТВ-смесь при этом разбавляется пассивными выхлопными газами, то рабочее соотношение "бензин-воздух" в смеси остается неизменным, но температура горения понижается.
Для реализации системы ЭСР в систему впрыска бензина добавляются следующие устройства:
1) клапан КР рециркуляции отработавших газов с управлением от разрежения в близкой преддроссельной зоне впускного коллектора (в системах группы К), либо с управлением от ЭБУ-впрыска (в системах группы L);
2) термопневмоклапан ТПК (в системах группы К), или датчик температуры двигателя (в системах группы L), которые устанавливаются в потоке охлаждающей жидкости ДВС и разрешают работу клапана рециркуляции после прогрева двигателя.
На рис. 3 представлена функциональная схема экологической системы с рециркуляцией которой оснащена система "K-Jetronic". Система ЭСР работает следующим образом.
При температуре охлаждающей жидкости ДВС ниже 45°С термопневмоклапан ТПК 16 закрыт, и рециркуляция не имеет места, так как пневматический канал к клапану рециркуляции КР перекрыт (рис. 4). При температуре выше 60°С клапан ТПК открывается за счет прогиба биметаллической диафрагмы 9 в сторону охлаждающей жидкости 10, и с этого момента разрешается работа пневмоклапана рециркуляции КР. Таким образом, как и в системе ЭСК, работа системы ЭСР начинается после прогрева ДВС.
Система рециркуляции ЭСР в системах впрыска группы К работает только на режимах частичных нагрузок. Как видно из рис. 4 а,
это имеет место потому, что вакуумный канал 2 клапана рециркуляции КР выведен не в задроссельную, а в ближнюю преддроссельную зону впускного коллектора (чуть выше края дроссельной заслонки 1). При таком положении вакуумного канала дроссельная заслонка может управлять степенью разрежения в клапане рециркуляции только в начале своего открытия, когда разрежение в канале достаточно высокое. Когда в режиме ХХ дроссельная заслонка закрыта (рис. 4 а), канал к клапану рециркуляции находится в зоне атмосферного давления и клапан КР тоже закрыт. На всех остальных (после ХХ) режимах работы ДВС (на частичных нагрузках) клапан КР открыт (см. рис. 4 б). Но как только дроссельная заслонка открывается более чем на 70 угловых градусов, разрежение в вакуумном канале начинает падать (переход на режим полной нагрузки) и под действием
возвратной пружины клапан рециркуляции КР снова закрывается (см. рис. 4 в).
Следует отметить, что в некоторых вариантах систем ЭСР термопневмоклапан ТПК 4 (рис. 4 г) отсутствует. И тогда вакуумный канал несколько измененного по конструкции клапана рециркуляции КР подключается непосредственно к впускному коллектору. В системах впрыска с электронным управлением клапан рециркуляции управляется электрически от ЭБУ впрыска.
Вышеописанный процесс рециркуляции отработавших газов с помощью наружного пневматического клапана рециркуляции называется внешней рециркуляцией. Но рециркуляция отработавших газов может иметь место также непосредственно в камерах сгорания двигателя, механизм газораспределения которого работает со значительным смещением фазы перекрытия клапанов в сторону впуска. Такая рециркуляция называется внутренней. Предполагается, что на двигателях следующего поколения, когда станет возможным электронное управление клапанами в газораспределительном механизме, необходимость во внешней рециркуляции отпадет.
3. Экологические системы автомобиля с нейтрализацией отработавших газов в выпускном тракте (система ЭСН)
Нейтрализацию токсичных веществ в выпускном канале после их эвакуации из цилиндров можно реализовать с помощью различных газонейтрализаторов.
На современных легковых автомобилях самыми распространенными являются комбинированные каталитические газонейтрализаторы (КГН).
На рис. 5 а показан комбинированный трехкомпонентный
двухсекционный каталитический газонейтрализатор (КГН), состоящий из двух последовательно соединенных нейтрализаторов — восстановительного (ВГН) и окислительного (ОГН). В обоих случаях катализатором являются тонкие платино-родиевые пленки, нанесенные на внутреннюю поверхность сотовой керамики 2. Отработавшие газы пропускаются через соты. Сотовое тело комбинированного газонейтрализатора разделено на две секции. Конструкция сот и линейные размеры секций несколько различны. Ряд КГН изготавливается с применением керамических гранул вместо сотовых секций. Но гранулы, как и соты, покрываются тонкой пленкой катализатора из благородного металла. Первая секция (по направлению движения отработавших газов) выполняет функции однокомпонентного высокотемпературного (600...700°С) восстановительного нейтрализатора для оксидов азота NOx. Здесь протекает химическая реакция 2NO + 2CO = N2 + 2СО2, из которой видно, что восстановление азота N2 из моноокиси азота NO происходит при наличии некоторого избытка угарного газа СО, который в данном случае является восстановительной средой. Таким образом, нейтрализация окиси азота NO протекает более эффективно, если двигатель работает на несколько обогащенной ТВ-смеси (а = 0,95), и восстановительный нейтрализатор установлен до окислительного. Для более эффективной работы в некоторых конструкциях КГН (для мощных ДВС с большим объемом цилиндров) предусматривается подача дополнительного воздуха в сек¬цию окислительного нейтрализатора через специальный штуцер.
При сгорании более богатых ТВ-смесей (а <0,9) в выхлопных газах образуется водород, который в таком случае работает также как восстановительная среда для моноокиси азота: 2NO + 5H2 = 2NH3 + 2H2O, где NH3 — аммиак.
Образовавшийся водный раствор аммиака способствует промывке труб и глушителя выпускной системы и выбрасывается в парообразном состоянии вместе с ОГ в атмосферу. Пары аммиака хотя и токсичны, но менее опасны, чем оксиды азота NOx.
Вторая секция — каталитический окислительный нейтрализатор (ОГН). В ОГН происходит нейтрализация двух компонентов — СО и СН.
Комбинация из ВГН и ОГН представляет собой составной трехкомпонентный нейтрализатор, который конструктивно выполнен в одном моноблоке и устанавливается в выпускном тракте вместо переднего глушителя (см. рис. 5 б).
Экологическая система автомобиля с нейтрализатором КГН работают только совместно с кислородным датчиком (или с двумя кислородными датчиками), так как главным условием нормального функционирования нейтрализатора КГН является требование строгого поддержания коэффициента избытка воздуха a в заданных пределах. Это возможно обеспечить при регулировании состава смеси в системах впрыска топлива с обратной связью по содержанию кислорода в ОГ.
На выходе экологической системы ЭСН с нейтрализатором КГН и кислородным датчиком картина концентрации токсичных веществ резко отличается от концентрации этих веществ на входе. На рис. 1 б приведены графики зависимости СН, СО, NOx от коэффициента избытка воздуха а для современной системы ЭСН. Из графиков видно, что концентрация всех токсичных веществ после их обработки в ЭСН с кислородным датчиком практически приближается к нулю. Но зона экологически чистой работы ДВС очень узкая: 0,99 <а< 1,01. Зона называется "окном экологической безопасности"(ОЭБ), и ее ширина должна строго удерживаться в режимах частичных нагрузок при работе двигателя. Это достигается в системе впрыска топлива высокой стабильностью работы всех составных ее частей.
Важно отметить, что при работе холодного двигателя на обогащенных ТВ-смесях (пуск, прогрев) кислородный датчик в системе ЭСН отключается электронным блоком управления. Но даже в таком случае нормы выброса токсичных веществ не нарушаются, так как продолжает функционировать КГН, перед которым устанавливается адсорбер.
Адсорбер — это накопитель токсиногенов, содержащий полиобменную смолу— цеолит. Пока двигатель не прогрет, цеолитовая смола адсорбирует (накапливает) токсичные вещества, которые после разогрева комбинированного газонейтрализатора КГН (до Т= 500...600°С) перетекают в первую его ступень (в ВГН).
В последнее время стали применять и однокомпонентный накопитель для оксидов азота NOx, который выполнен из пористого алюминия, покрытого тонкой пленкой катализатора (например, родия). Родиево-алюминиевый накопитель (РАН) монтируется перед КГН, но в отличие от адсорбера с цеолитом может накапливать только NOx. Сброс накопленных в
РАН оксидов азота происходит при повышенных нагрузках двигателя, когда температура ОГ заметно возрастает.
РАН предназначен для использования совместно с системой впрыска бензина из группы "D" (непосредственный впрыск в камеру сгорания), которая обеспечивает работу автомобильного двигателя в режимах частичных нагрузок на очень бедных ТВ-смесях.
4. Нейтрализация паров бензина и картерных газов
Наряду с токсичными веществами, которые входят в состав отработавших газов, автомобиль загрязняет окружающую среду парами бензина и картерными газами.
Пары бензина попадают в атмосферу при испарении из бензобака и неплотных сочленений в системе топливоподачи. Картерные газы выбрасываются в окружающую среду вместе с выхлопными газами.
Для предотвращения прямого попадания в атмосферу паров бензина и картерных газов бензобак и бензомагистрали, а также масляный картер надежно уплотнены и герметизированы. Для связи бензобака с атмосферой его горловина с герметической пробкой снабжены перепускными пневмоклапанами.
На рис. 6 показана схема экологической системы утилизации паров
бензина для двигателей, оборудованных электронным управлением от ЭБУ. Испарение бензина значительно увеличивается при температуре выше 25°С и герметичный бензобак оказывается под излишним внутренним давлением Рп. Под напором внутреннего давления пары бензина перепускаются по соединительному шлангу 17 в замкнутый объем угольного фильтра 16, где адсорбируются на гигроскопичных гранулах активированного угля 14. Активированный уголь обладает свойством легко накапливать в своих порах бензин и также легко отдавать его в поток 18 продувочного воздуха.
Поток продувочного воздуха (через угольный фильтр) формируется поршневым всасыванием при работе двигателя. Для этой цели воздушный шланг от входного штуцера 12 на угольном фильтре подведен к специ¬альному штуцеру на воздушном фильтре. Но перепускать пары бензина во впускной коллектор сразу после запуска двигателя нерационально, так как при пуске и прогреве ТВ-смесь обогащается по специальной программе, заложенной в памяти электронного блока управления (ЭБУ) впрыском. Поэтому в разрыв воздушного соединительного шланга 7 между угольным фильтром и двигателем устанавливается запорный пневмоклапан (ЗПК) 6 с электрическим управлением от ЭБУ 11. Этот клапан открывается только после прогрева и при таком режиме работы двигателя, при котором требуется обогащенная ТВ-смесь (например, при разгоне и полной нагрузке).
Если концентрация паров бензина в продувочном потоке воздуха через угольный фильтр составляет 1%, то обогащение ТВ-смеси во впускном коллекторе увеличивается на 20%. Чтобы не происходило более значительного обогащения, клапан ЗПК работает в тактовом режиме от импульсного сигнала ЭБУ. Программа управления тактовым клапаном ЗПК заложена в ЭБУ впрыска и обычно адаптирована под температуру Тд двигателя (датчик 8) и концентрацию кислорода в выхлопных отработавших газах (датчик 10).
Нейтрализация картерных газов, концентрация токсичных химических соединений в которых значительно выше концентрации в отработавших газах, на современных двигателях реализуется с помощью обычной подсистемы вентиляции картера.
В заключение следует подчеркнуть, что из всех проблем современного автомобильного двигателестроения нейтрализация выхлопных отработавших газов самая злободневная.
РЕМОНТ&СЕРВИС-12'2000
|
