Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема снижения вредных выбросов автотранспортными средствами с бензиновыми ДВС и пути ее решения. Постановка цели и задач исследования
1.1. Экологическое воздействие автотранспортного комплекса на состояние окружающей среды и нормирование вредных выбросов 11-16
1.2. Уменьшение вредных выбросов бензиновым двигателем в периоды холодного пуска и последующего его прогрева - эффективное средство обеспечения выполнения перспективных нормативных требований автомобилями массой до 3,5 т 16-28
1.3. Способы организации процесса предварительного термохимического преобразования моторного топлива (бензина) в составе системы питания двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием 28-42
1.4. Выводы, постановка цели и задач диссертационного исследования. 42-45
Глава 2. Теоретические исследования рабочих процессов в двигателе и в системе выпуска на режимах холодного пуска и прогрева
2.1 .Кинетика сгорания смесей бензина и продуктов его конверсии 46-52
2.2.Анализ термохимических процессов при синтезе водородосодержащих продуктов на борту автомобиля 52-61
2.3. Исследование термодинамического состояния отработавших газов в выпускном тракте в периоды пуска и прогрева двигателя 61-81
2.4. Выводы по теоретическому разделу работы 81 -83
Глава 3. Разработка и экспериментальные исследования технических мероприятий по уменьшению выбросов вредных веществ автомобилем в периоды холодного пуска и прогрева
3.1. Влияние теплового состояния двигателя и температуры окружающей среды на содержание токсичных веществ в отработавших газах 84-86
3.2. Особенности работы бензинового двигателя в периоды холодного пуска и последующего прогрева 86-91
3.3. Исследование и выбор мероприятий для снижения вредных выбросов двигателя в период холодного пуска и последующего прогрева 91 -96
3.4. Система термохимической активации топлива на впуске двигателя 96-98
Глава 4. Разработка комплекса быстрого выхода бифункциональной системы нейтрализации на режим максимальной эффективности после холодного пуска двигателя
4.1. Принципы построения комплекса быстрого разогрева двигателя и нейтрализатора 99-105
4.2. Принципиальная схема и элементы конструкции комплексной системы снижения выброса вредных веществ в период холодного пуска и прогрева двигателя 105-110
4.3. Алгоритм работы двигателя с комплексной системой 110-114
Глава 5. Экспериментальные исследования рабочего процесса двигателя и термогазодинамических процессов в выпускной системе и нейтрализаторе в период прогрева двигателя на холостом ходу после холодного пуска
5.1.Оборудование и измерительные средства для проведения экспериментальных исследований. Методики проведения исследований 115-118
5.2. Испытания антитоксичных систем и устройств 118-121
5.3. Испытания системы термической конверсии бензина для получения химически активных продуктов 122-124
5.4. Испытания комплекса быстрого разогрева двигателя и нейтрализатора -КАТС-3 125-127
Основные результаты и выводы 128-129
Библиографический список литературы 130-136
- Уменьшение вредных выбросов бензиновым двигателем в периоды холодного пуска и последующего его прогрева - эффективное средство обеспечения выполнения перспективных нормативных требований автомобилями массой до 3,5 т
- Исследование термодинамического состояния отработавших газов в выпускном тракте в периоды пуска и прогрева двигателя
- Принципы построения комплекса быстрого разогрева двигателя и нейтрализатора
- Испытания антитоксичных систем и устройств
Введение к работе
Актуальность работы. Автомобильный транспорт эксплуатируется в различных климатических условиях, которые оказывают большое влияние на его экологические показатели. Исследования, проведенные в США, Канаде и в Скандинавских странах, показывают, что выброс оксидов углерода и углеводорода с отработавшими газами (ОГ) при эксплуатации автомобилей с двигателями с искровым зажиганием при низких или отрицательных температурах увеличивается в 6 - 10 раз. Поэтому в современных Правилах ЕЭК ООН № 83.05 предусмотрен дополнительный тип испытаний автомобиля при минус 7С по первой городской фазе ездового цикла и введены отдельные нормы на выброс СО и СН автомобильным двигателем за эту фазу испытаний.
Подобные изменения в процедуре испытаний потребовали от производителей введения в конструкцию автомобильного двигателя новых технических решений, обеспечивающих эффективную работу системы бифункциональной нейтрализации в период прогрева ДВС, особенно при отрицательных температурах окружающей среды. Одним из наиболее эффективных решений является использование в качестве добавок к рабочему телу химически активных веществ.
Все это указывает на актуальность темы диссертационной работы, которая посвящена разработке комплексного метода повышения экологических качеств автомобильного двигателя в период его холодного пуска и прогрева на основе использования химически активного реагента.
Цель работы. Снижение вредных выбросов легковыми автомобилями до уровня нормативных требований действующих и перспективных стандартов РФ путем разработки комплексного метода ускорения прогрева и выхода на режимы эффективной работы бензинового двигателя и системы нейтрализации отработавших газов после холодного пуска.
Исходя из поставленной цели, определены следующие задачи исследования.
Сформулировать и методически обосновать комплексный метод улучшения экологических показателей автомобильного двигателя в период холодного пуска и последующего прогрева и ускоренного выхода системы нейтрализации на режим максимальной эффективности путем использования химического активного реагента, полученного в бортовой системе конверсии бензина.
Провести расчетно-теоретическое исследование влияния на температурно-энергетическое состояние рабочего тела во впускном и выпускном тракте ДВС и эффективность системы нейтрализации присадки водородосодержа-щих продуктов конверсии бензина, в период холодного пуска и последующего прогрева.
Разработать функциональную систему средств и технических решений для реализации предложенного комплексного метода, адаптированную к условиям работы двигателей легковых автомобилей.
Провести серию экспериментальных исследований на моторном стенде для проверки эффективности предложенной системы средств и технических решений, реализующих концепцию предложенного метода.
Провести исследование автомобиля с предложенной системой с целью оценки ее эффективности и соответствие перспективным экологическим требованиям Правил ЕЭК ООН № 83.
Объекты и методы исследований. Объектами исследований являются бензиновые двигатели и разрабатываемые на заводе ОАО «АвтоВАЗагрегат» каталитические нейтрализаторы ОГ для автомобилей семейства ВАЗ. Решение поставленных задач в соответствии с поставленной целью диссертационной работы осуществлялось с использованием методов теоретического анализа и обобщения ранее проведенных исследований, а также собственных расчетно-аналитических и экспериментальных исследований на основе использования стандартизованных и специально разработанных методик исследований.
Достоверность результатов исследований обеспечивалась использованием современных методов, оборудования для испытаний и средств измерений, приемлемым совпадением результатов расчетов с экспериментальными данными.
Научная новизна.
В процессе выполнения работы был решен ряд обладающих новизной научных задач, основными из которых являются:
Разработан расчетно-аналитический метод поэтапного определения характера изменения температурного состояния рабочего тела на отдельных участках выпускного тракта двигателя и в полостях нейтрализатора на режимах холодного пуска и прогрева ДВС.
Предложена оригинальная стратегия ускоренного прогрева двигателя после его холодного пуска с использованием бортовой системы генерирования и дозированной подачи на впуск химически активных водородосодержащих продуктов конверсии бензина (ПКБ), которые совокупно используются для интенсивного нагрева свежего заряда, а также для химической активации процесса сгорания.
Предложен оригинальный метод интенсификации прогрева и выхода на режим «light off» нейтрализатора путем подачи и экзотермического окисления в его рабочем пространстве химически активных водородосодержащих продуктов конверсии бензина.
Практическая ценность.
По результатам диссертационного исследования разработан комплекс средств для ускоренного выхода двигателя и системы нейтрализации на эффективный режим работы после холодного пуска. Были спроектированы и изготовлены следующие оригинальные компоненты системы:
Термохимический реактор для конверсии бензина с целью получения химически активных водородосодержащих газообразных продуктов.
Конвертер-дожигатель на впуске двигателя, служащий для каталитического доокисления продуктов конверсии бензина, которые используются для повышения температуры поступающего в двигатель свежего заряда, а также
для инициирования процессов смесеобразования, воспламенения и сгорания в
две.
Разработанный пакет рабочих программ, а также ряд практических рекомендаций могут служить основой при разработке новых моделей автомобильных ДВС, обеспечивающих выполнение перспективных нормативных требований по выбросу вредных веществ. Это позволит повысить эффективность проектных и доводочных работ и снизить трудозатраты на их реализацию.
Реализация результатов работы. Теоретические и расчетные результаты проведенного исследования переданы в ФГУП ГНЦ «НАМИ» для использования при выполнении программ фундаментальных и поисковых исследований. Материалы диссертации и ее результаты используются в учебном процессе кафедры теплотехники и тепловых двигателей РУДН.
Апробация работы.
Основные результаты работы были доложены в 2011 - 2012 г.г. на международной научно-технической конференции ГТУ «МАДИ» и на открытом заседании кафедры теплотехники и тепловых двигателей РУДН.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ в различных научных изданиях, в том числе и рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы.
Уменьшение вредных выбросов бензиновым двигателем в периоды холодного пуска и последующего его прогрева - эффективное средство обеспечения выполнения перспективных нормативных требований автомобилями массой до 3,5 т
Ужесточение нормированных вредных выбросов в новых поправках к Правилам 83 ЕЭК ООН (ЕВРО-3 и -4) и введение в ездовой цикл и процедуру испытаний изменений, учитывающих условия испытания автомобиля при низких температурах окружающей среды, потребовали от производителей введения в конструкцию автомобиля и двигателя новых технических решений, обеспечивающих эффективную работу системы бифункциональной нейтрализации в период прогрева двигателя, особенно после пуска при отрицательных температурах окружающей среды. На рисунке 1.2 показан график ездового цикла Правил 83 ЕЭК ООН, который включает 5 фаз движения автомобиля. Ездовой цикл начинается с холодного пуска двигателя и после работе на режиме холостого хода в течение 12 сек. Первые четыре фазы включают участки, имитирующие городское движение автомобиля. Причем первые две фазы практически протекают в режиме прогрева автомобиля и двигателя. Пятая фаза имитирует высокоскоростное загородное движение автомобиля. На том же рисунке ниже показаны три гистограммы массовых выбросов оксида углерода, углеводородов и оксидов азота за каждую фазу ездового цикла. Вариант I соответствует выбросам с классической конструкцией выпускной системы при удаленности реакторной полости нейтрализатора от двигателя 1230 мм, а вариант II - приближенный нейтрализатор, удаленность реактора от двигателя 850 мм. Вариант III предусматривает конструкцию системы выпуска с так называемым катколлектором, то есть нейтрализатор конструктивно сформирован как единое целое с выпускным коллектором цилиндров двигателя. При этом удаленность реакторной полости нейтрализатора от двигателя минимальная и составляет 200 мм. Справа приведены суммарные массовые вредные выбросы автомобиля за весь ездовой цикл.
Анализируя приведенные на рис. 1.2 данные можно отметить, что у автомобиля, удовлетворяющего нормативным требованиям ЕВРО-3 (вариант I), только за первые две фазы городской части ездового цикла выбрасывается 80 - 90% оксида углерода и углеводородов от полной массы их выбросов за весь ездовой цикл испытаний автомобиля.
Повышенные выбросы в первой фазе городского ездового цикла определяются несколькими факторами. К первой группе факторов относятся особенности рабочего процесса двигателя на режимах холостого хода и малых нагрузок, в частности, газодинамические параметры и массообмен, негативно влияющие на протекание процессов сгорания, низкие температуры отработавших газов на выходе из цилиндров двигателя, образование вредных веществ и процессы смесеобразования во впускной системе [7]. Ко второй группе относится неэффективность работы каталитического нейтрализатора и всей системы нейтрализации отработавших газов вследствие происходящих в выпускной системе и нейтрализаторе газодинамических явлений и процессов теплообмена в периоды холодного пуска и прогрева двигателя[8,9,13,14]. В эти периоды значительная часть тепла отработавших газов теряется вследствие теплообмена со стенками выпускного тракта на пути к нейтрализатору, что не позволяет быстро прогреться полости реактора до температуры "light off, то есть достичь эффективной конверсии вредных веществ в отработавших газах. Причем, чем ниже температура холодного пуска, тем медленнее протекает этот процесс и, как следствие, увеличивается доля вредных выбросов в фазах I и II при движении автомобиля в городском ездовом цикле, то есть в период прогрева двигателя и каталитических блоков нейтрализатора.
Для минимизации рассмотренных выше негативных процессов, влияющих на общий выброс вредных веществ автомобильным двигателем, был предложен ряд мероприятий по ускорению прогрева двигателя, в частности, системы его управления, и изменения конструкции выпускной системы и нейтрализатора, обеспечивающих ускорение выхода нейтрализатора на режим максимальной эффективности по обезвреживанию вредных выбросов отработавших газов[10,12,14,15,18].
Прогрев двигателя после холодного пуска практически всегда начинается с работы двигателя на режиме холостого хода. Как известно [7] этот режим работы двигателя характеризуется ухудшением процессов образования, воспламенения и сгорания рабочего заряда смеси, что значительно влияет на повышенный выброс вредных веществ. Так как двигатель работает на обогащенном составе топливовоздушной смеси, в отработавших газах содержится высокое содержание оксида углерода и углеводородов. Холодное состояние двигателя усугубляет это, дополнительно ухудшая процессы смесеобразования, воспламенения и сгорания рабочего заряда смеси. Поэтому к первой группе можно отнести мероприятия по уменьшению негативного влияния факторов работы холодного двигателя на режиме холостого хода. Сюда включены методы и устройства, направленные на интенсификацию процессов смесеобразования и воспламенения неоптимального по составу смеси рабочего заряда в цилиндрах двигателя, ускорение прогрева двигателя и, главное, на уменьшение времени выхода его на режим стехиометрического состава смеси, который необходим для эффективной работы бифункциональной системы нейтрализации вредных веществ в отработавших газах. Для ускорения прогрева двигателя, как правило, электронный блок управления сразу после холодного пуска обеспечивает его работу на повышенной частоте вращения холостого хода с регулировкой системы зажигания на более поздние углы опережениях[11], что увеличивает теплоотдачу в стенки цилиндров и быстрее прогревает охлаждающую жидкость и циркулирующее в двигателе моторное масло. В странах с холодным климатом используются системы предварительного прогрева масла в картере перед холодным пуском двигателя и накопители тепла для отдачи его в двигатель при холодном пуске.
В конце прошлого столетия получили распространение различные способы использования химически активных веществ в качестве добавок в двигатель для интенсификации рабочего процесса двигателя и ускорения прогрева двигателя. В этом плане представляет интерес техническое решение, предлагаемое в патенте США № 6698389, когда для ускорения прогрева двигателя после холодного пуска, водородное топливо, получаемый в бортовом электролизере водород, направляют в специальный каталитический конвертер, установленный в системе впуска двигателя. В конвертере в присутствии кислорода воздуха происходит интенсивный экзотермический процесс каталитического окисления водорода с выделением большого количества тепла. Это тепло расходуется на нагрев входящего в двигатель воздуха, нагрев охлаждающей жидкости и моторного масла в картере, таким образом, нагревая все детали двигателя. Принципиальная схема системы ускоренного прогрева двигателя приведена на рис. 1.3
Исследование термодинамического состояния отработавших газов в выпускном тракте в периоды пуска и прогрева двигателя
Проведение исследования температурно-энергетического состояния отработавших газов двигателя на режимах его холодного пуска и прогрева изначально предполагает необходимость комплексного изучения процессов, протекающих в камере сгорания двигателя и в полостях выпускного тракта.
Задача исследования заключается в сохранении теплового потока отработавших газов на пути от двигателя к термохимическому конвертеру и далее к нейтрализатору за счет уменьшения теплопередачи в окружающую среду.
Решение обозначенной задачи целесообразно проводить при соблюдении следующих условий. Во-первых, реализация возможных мер не должна значительно ухудшать экономические, ресурсные и энергетические показатели двигателя автомобиля, ресурсы конвертера и каталитического блока нейтрализатора. Во-вторых, при изучении динамики разогрева конвертера и нейтрализатора и ускорении выхода их на эффективный режим работы необходимо учитывать параметры двигателя (состав смеси, угол опережения зажигания, уровень нагрузки, частоту вращения вала, характеристики фаз газораспределения и др.), а также текущие (нестационарные) условия теплообмена в камере сгорания ДВС и в выпускном тракте. Естественно, что поиск решений столь сложных вопросов требует большого объема расчетно экспериментальных исследований. Алгоритм исследования должен формироваться с учетом особенностей прогрева системы «двигатель выпускной тракт» на режимах холодного пуска и его прогрева, и обеспечивать возможность прогнозирования эффективности возможных мер. С этой целью необходимо разработать расчетно-аналитический комплекс, включающий в себя два взаимосвязано функционирующих модуля:
1) модуль расчета рабочего цикла ДВС, позволяющий определять динамику изменения температуры ОГ на выходе из рабочего пространства двигателя с учетом отвода теплоты в непрогретые стенки камеры сгорания двигателя;
2) модуль расчета, позволяющий определять характер изменения температурно-энергетического потенциала теплоносителя (ОГ) на входе в конвертер и далее в нейтрализатор с учетом интенсивности отвода теплоты в стенки газового тракта в период прогрева ДВС.
Как отмечалось выше, проведение расчета рабочего цикла двигателя необходимо для определения динамики изменения температуры ОГ на выходе из рабочего пространства двигателя, работающего на режимах холодного пуска и прогрева. В отличие от нагрузочных режимов эти режимы характеризуются низкой скоростью тепловыделения при интенсивном отводе теплоты от рабочего тела к непрогретым поверхностям деталей, образующих рабочее пространство камеры сгорания (КС) [7]. В этих условиях достоверность результатов расчета температурного состояния рабочего тела в значительной степени зависит от корректности описания двух конкурирующих процессов: процессов сгорания (тепловыделения) и теплообмена.
В примененной методике расчета, сформированной на основе известных методов моделирования рабочего цикла ДВС искрового зажигания [33,34,37,38], состояние рабочего тела рассматривается как открытая термодинамическая система, обменивающаяся массой и энергией с остальными системами двигателя. Это позволяет сформировать математическую модель рабочего цикла в общепринятом представлении в виде подмоделей следующих процессов: 1) процессов газообмена (процессы выпуска, продувки и впуска); 2) процессов сжатия; 3) процессов сгорания -расширения.
Расчет начинают с момента начала открытия выпускного клапана. Полученные параметры рабочего тела в цилиндре в конце процесса газообмена являются исходными данными для расчета последующих процессов сжатия и сгорания - расширения. Заканчивается расчет, когда величина температуры рабочего тела в момент закрытия выпускного клапана, подсчитанная на предыдущем и последующем шагах, окажется меньше заданной погрешности (1 %). На каждом шаге счета сначала рассчитывается текущий объем цилиндра, скорость изменения объема, текущая площадь поверхности цилиндра, потом свойства рабочего тела (теплоемкость, показатель адиабаты, газовая постоянная) и параметры теплообмена (коэффициент теплоотдачи и скорость теплообмена со стенками). Затем последовательно моделируются процессы газообмена, сжатия и сгорания - расширения.
Традиционные методики расчета рабочего цикла ДВС обычно предполагают постоянство температуры стенок рабочего пространства двигателя, которая задается по данным экспериментального исследования. Учитывая особенности протекания рабочего цикла непрогретого двигателя, проведено дополнительное изучение условий обмена теплотой между рабочим телом и теплообменными стенками КС, температура которых определяется как функция времени.
Определение отвода теплоты от рабочего тела в стенки камеры сгорания. Температурное состояние рабочего тела на выпуске непрогретого двигателя к моменту открытия выпускного клапана в значительной степени зависит от интенсивности двух конкурирующих процессов: тепловыделения и теплоотвода. В этих условиях особую значимость приобретает точность определения теплоты, воспринимаемой теплообменными поверхностями стенок КС, которая традиционно определяется численным интегрированием уравнения Ньютона-Рихмана.
Принципы построения комплекса быстрого разогрева двигателя и нейтрализатора
Анализ рассмотренных в первой главе известных технических решений, направленных на снижение вредных выбросов бензиновым двигателем на различных режимах ездовому циклу, в том числе использования химических способов стартового разогрева двигателя и нейтрализатора в периоды холодного пуска и последующего прогрева при испытаниях автомобиля по Правила 83 ЕЭК ООН показал, что их практическая реализация в условиях эксплуатации российского автотранспортного комплекса связана с решением целого ряда серьезных проблем.
1. Устойчивая работа бензинового ДВС в период холодного пуска и прогрева (XIД Г) двигателя на режиме холостого хода, как известно, обеспечивается при обогащенных составах топливно-воздушной смеси и, соответственно, при практическом отсутствии в ОГ избыточного кислорода. В этих условиях организация экзотермических окислительных процессов бензина или продуктов его конверсии в каталитических блоках для прогрева рабочего заряда смеси на впуске двигателя или отработавших газов на входе в нейтрализаторе возможна лишь при наличии дополнительных устройств, обеспечивающих получение химически активных продуктов конверсии бензина, системы подачи первичной окислительной среды («вторичного» воздуха) и системы управления всего комплекса в целом в зависимости от алгоритма его работы.
2. Большинство рассмотренных устройств стартового прогрева нейтрализатора требуют предварительного, например, электрического нагревания блока нейтрализатора, что само по себе является дополнительным источниками выбросов оксидов азота, что связано, очевидно, с окислением азота «вторичного» воздуха при его контакте с горячими элементами нагревателя.
3. Для самостоятельного электрического или комбинированного (электрохимического) подогрева каталитических блоков преобразователей рабочего тела расходуется большое количество энергии от бортового источника электропитания автомобиля, установочная мощность которого должна быть не менее 2 кВт. В зимних условиях эксплуатации отечественных автомобилей с учетом снижения энергоемкости аккумуляторных батарей и их технического состояния проблема еще более усугубляется.
На основе приведенного в первой главе анализа известных технических решений и результатов испытаний первого варианта КАТС, которые приведены в разделе 3.3, а также испытаний второго варианта КАТС, в котором был реализован вариант использования в качестве добавки к топливу химически активных веществ, полученных путем термической обработки бензина и не давших требуемого эффекта, была поставлена задача создания принципиально новой комплексной системы интенсификации холодного пуска двигателя, ускорения его последующего прогрева и выведение бифункционального нейтрализатора отработавших газов на режим максимальной эффективности «light off», обеспечивающего снижение выброса вредных веществ с отработавшими газами до перспективных норм ЕВРО-5 и ЕВРО-6.
Ниже излагается концепция наиболее рационального (энергетически выгодного) решения этой задачи. Концепция реализуется на основе стратегии применения продукта с высокой реакционной активностью, которая проявляется в условиях относительно низких температур, без применения специальных энергоемких средств подогрева, а с использованием «бесплатного» штатного греющего носителя (ОГ). В качестве реакционно-активных веществ используются продукты конверсии базового топлива -бензина ПКБ, в структуру которых входит водород.
Предлагаемая концепция основана на известной способности продуктов конверсии бензина (ПКБ), содержащих в своем компонентном составе Д? и ряд других активных компонентов, к окислению (сгоранию) при существенном обеднении смеси (табл. 4.1). Кроме того, водород, содержащийся в продуктах конверсии, имеет уникальную способность экзотермически окисляться на поверхности платинового катализатора даже при комнатной температуре благодаря тому, что энергия, необходимая для начала реакции окисления водорода, примерно в 10 раз ниже той, которая необходима для углеводородов (табл.4.1).
Водород, как базовый химически активный элемент ПКБ, обладает высокой скоростью диффузии (табл. 4.1), что обуславливает его способность за очень короткий промежуток времени образовывать с другими компонентами горючую смесь как в цилиндре ДВС, так и при его введении в во впускной и выпускной тракт. При горении водорода толщина зоны гашения (пристеночный слой, в котором не идут окислительные процессы) примерно в 5 раз меньше, чем у углеводородных топлив (табл. 4.1). Это свойство водорода предопределяет высокую его эффективность воздействия как химического реагента в порах еще непрогретого каталитического блока. На рис. 4.1 представлена функциональная схема, поясняющая предложенную концепцию ускоренного разогрева и вывода двигателя и системы нейтрализации на эффективный режим работы после холодного пуска.
Из рассмотренного выше становится очевидным, что добавка химически активных веществ в топливовоздушную смесь в период холодной прокрутки в фазе пуска будет инициировать появление первых вспышек в цилиндрах и начало устойчивой работы двигателя. Во-вторых, увеличение добавки ПКБ при начале работы основного конвертера могут интенсифицировать процесс стабилизации рабочего процесса двигателя и быстрого перехода к устойчивой работе на обедненных, близких к стехиометрии составе смеси, то есть в фазу активного последующего прогрева двигателя. В-третьих, добавка ПКБ будет способствовать химическому разогреву нейтрализатора и кислородного датчика, то есть ускорения выхода системы нейтрализации на эффективный режим работы. С учетом поставленной концепции был сформулирован комплексный метод решения поставленной задачи, который включает несколько стадий реализации разработанной концепции и иллюстрируется функциональной схемой на рис. 4.1.
Первая стадия. Подогрев воздуха в период холодного пуска двигателя. Эта стадия подразумевает получение бензогаза в специальном электроиспарителе, частичном насыщении его химически активными продуктами в термокаталитическом реакторе и экзотермическом окислении полученной смеси в электронагреваемом каталитическом дожигателе, расположенном во впускной системе двигателя. Выделяемое тепло используется для повышения температуры воздуха на входе в двигатель, нагрев охлаждающей жидкости и всего двигателя. В этом случае улучшится испарение основной части бензина, что даст возможность активировать появление первых вспышек в первой фазе холодного пуска, быстрее обеднить состав смеси в процессе второй фазы холодного пуска и обеспечит выход двигателя на стабильный режим работы при повышенной частоте холостого хода.
Испытания антитоксичных систем и устройств
В этом разделе в таблице 5.1 приведены результаты испытаний приведенных в главе 3 на рис. 3.3 технических мероприятий, влияющих на вредные выбросы бензиновых двигателей при низких температурах и в процессе холодного пуска и прогрева. Целью этой работы было проверить их эффективность в процессе прогрева двигателя после холодного пуска в процессе выполнения автомобилем 4-х городских циклов при испытаниях по Правилам 83 ЕЭК ООН. В первой серии испытаний в таблице 5.1 приведены данные по вредным выбросам автомобиля «Таврия» при базовой комплектации двигателем МеМЗ-245 с электронным впрыском бензина и плазменной МП системой зажигания за первый и последующие городские ездовые циклы ГЕЦ-1 (строка 1,1), ГЕЦ-2 (строка 1,2), ГЕЦ-3 + ГЕЦ-4 (строка 1,3) и суммарно за 4 цикл ЕГЕЦ (строка 1,4), то есть по мере прогрева двигателя. Степень прогрева двигателя косвенно характеризует снижение выброса СО и СН и увеличение NOx в следующих после первого ездовых циклах (смотри первые три строки каждой серии испытаний).
Во второй серии таблицы даны результаты испытаний автомобиля, в комплектацию которого дополнительно в системе выпуска каждого цилиндра двигателя были установлены пульсары, которые подают воздух, смешанный с отработавшими газами в цилиндры и даже во впускной коллектор двигателя в периоды перекрытия впускных и выпускных клапанов. Это позволяет увеличить цикловой заряд смеси и обеднить ее состав, что интенсифицирует процесс ее последующего сгорания в цилиндре и догорания в выпускном коллекторе. При этом по сравнению с первой вариантом уменьшается содержание на выпуске двигателя продуктов неполного сгорания и ускоряется его прогрев (смотри первые три строки 2-ой серии испытаний).
В третьей серии испытаний проверялось влияние окислительной системы нейтрализации отработавших газов (ОСНОГ) блока, которая позволила радикально снизить выброс вредных веществ двигателем по всем компонентам.
На основе этих испытаний был разработан комплекс КАТС-2 для автомобиля «ТАВРИЯ» ЗАЗ-1102 в базовой комплектации с двигателем МеМЗ-245 с системой впрыска топлива с микропроцессорным управлением. Функциональная схема КАТС-2 и описание включенных в ее состав систем и устройств приведены в главе 3 на рис. 3.4. Результаты испытаний КАТС-2 приведены в таблице 5.2.
Последовательное наращивание базовой комплектации более совершенным двигателем фирмы «Фольксваген» рабочим объемом 1 л с электронной системой центрального впрыска топлива, окислительной системой нейтрализации (ОСНОГ) с нейтрализатором фирмы «Кемира» и системой рециркуляции ОГ (СРОГ) позволило значительно снизить вредные выбросы. Однако только включение в КАТС-2 бифункциональной системы нейтрализатора (БСНОГ) обеспечило выполнение норм ЕВРО-3. Результаты испытаний автомобиля «Таврия» ЗАЗ-1102 с КАТС-2 в базовой комплектации с двигателем У\приведены в таблице 5.3.
Все введенные в конструкцию КАТС-2 мероприятия подтвердили эффективность по снижению вредных выбросов. Однако их было недостаточно для выполнения нормативных требований ЕВРО-4.
