Способы уменьшения загрязнения окружающей среды токсичными компонентами отработавших газов автомобилей

Уменьшение количества и изменение качественного состава вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду с отработавшими газами, достигается целым комплексом мероприятий. Среди них следует отметить ряд конструктивных разработок — специальные конструкции камер сгорания для работы на бедных смесях, в том числе с различными типами форкамер, рециркуляция отработавших газов, т. е. подача их части на вход в двигатель, системы регулирования фаз газораспределения, уменьшающие перекрытие клапанов на пониженных режимах, и т. д. Однако даже при использовании в конструкции двигателей всех самых передовых решений удовлетворить нормам токсичности, установленным, например, в США, Японии и странах Европы, не удается. Вследствие этого современные автомобили с бензиновыми двигателями снабжаются каталитическими нейтрализаторами.

Нейтрализатор состоит из носителя, заключенного в корпус. Носитель представляет собой керамический материал (сотовой конструкции или в виде шариков), покрытый тонким слоем катализатора из благородных металлов, например платины, палладия, родия. При температуре поверхности катализатора свыше 250—300 °С содержащиеся в отработавших газах окислы углерода СО эффективно окисляются, а их концентрация в выхлопных газах снижается во много раз. Окисление углеводородов СН происходит при более высокой температуре (400 °С). Окисление СО и СН происходит в присутствии свободного кислорода воздуха, небольшое количество которого образуется в результате сгорания:

2СО + 02 -> 2С02;
СmНn + (m + n/4)02 -> mС02 + (n/2)Н20.

Такие реакции могут происходить в широком диапазоне изменения состава смеси — необходимо только, чтобы отработавшие газы имели коэффициент а более 1,0, что достигается работой двигателя на обедненной смеси или подачей в систему выпуска дополнительного воздуха.

Подобные нейтрализаторы получили широкое распространение на автомобилях с начала 80-х годов, в том числе с карбюраторной системой подачи топлива. Однако последовательное ужесточение норм токсичности потребовало создания нейтрализаторов, снижающих не только концентрацию.

Именно ужесточением норм токсичности (а не требованиями экономичности или мощности) объясняется повсеместное внедрение на автомобилях сложных электронных систем топливоподачи. Сложность этих систем со временем, вероятно, будет увеличиваться вместе с дальнейшим ужесточением норм токсичности.

В отличие от бензиновых двигателей дизели имеют существенно более низкий уровень выбросов СО, NOx и СН. Наиболее низкий уровень выбросов СО и СН достигается обычно в режимах средних нагрузок.

Большие различия в уровне и характере изменения выбросов в зависимости от состава смеси у дизелей по сравнению с бензиновыми двигателями связаны с иной природой процесса сгорания — у бензинового двигателя с помощью свечи поджигается хорошо перемешанная смесь воздуха и паров топлива, а в дизеле происходит самовоспламенение в факеле распыляемого топлива в зонах с концентрацией топлива около а = 1.

В выхлопных газах дизеля присутствуют, иногда в больших количествах, частицы углерода (сажа). Это происходит из-за наличия зон богатой смеси в струе распыляемого топлива. Сажевыделение дизеля создает характерный черный дым выхлопа и так же, как и другие вещества, ограничивается нормами токсичности. Снижение сажевыделения достигается более ранним впрыском (ограниченным, правда, «жесткостью» сгорания и повышением нагрузок на детали) и ограничением подачи насоса. Среди конструктивных мероприятий следует отметить увеличение скорости впрыска и качества распыливания топлива за счет увеличения давления подачи, а также электронное регулирование подачи. Дымление двигателя резко возрастает при приближении состава смеси к стехиометрическому (а = 1), поэтому дизели, несмотря на то, что вблизи а = 1 мощность и крутящий момент максимальны, имеют ограничение а по пределу дымления. Сравнительно низкий уровень СО, СН и NOx в отработавших газах дизеля не требовал в прошлом установки специальных устройств для снижения токсичности. Однако в последние годы ужесточение норм токсичности коснулось и дизелей — на многих моделях автомобилей с дизельными двигателями уже появились системы снижения токсичности выхлопа, включающие рециркуляцию выхлопных газов, каталитический нейтрализатор и специальный сажевый фильтр.