В настоящее время недостаточно проводить частные разработки по снижению выброса отдельных компонентов отработавших газов (ОГ) и расхода топлива авто. Автомобиль должен рассматриваться как одно целое, причем конструкции его компонентов должны быть взаимно согласованы. Исходя из этой технологии создания автомобиля как цельного объекта, выявлены три направления стратегического развития с целью снижения вредных выбросов, а именно:
- снижение расхода топлива,
- очистка отработавших газов,
- диагностика агрегатов, от которых зависит состав ОГ.
Ниже рассмотрены мероприятия в соответствии с их принадлежностью к названным выше направлениям развития автомобильной техники.
Снижение расхода топлива
Аэродинамика
Обтекаемые формы кузова авто позволяют снизить его аэродинамическое сопротивление, обеспечивая тем самым снижение расхода топлива. За последние десятилетия коэффициент аэродинамического сопротивления cw автомобилей Volkswagen был снижен с 0,45 до 0,30. Это большое достижение, так как уже при скорости автомобиля 100 км/ч около 70% затрачиваемой на его перемещение энергии приходится на преодоление сопротивления воздуха.
Снижение массы автомобиля
Снижению собственной массы автомобиля противостоят нормы пассивной безопасности и мероприятия, направленные на увеличение комфорта. Однако, облегчение авто необходимо для снижения его расхода топлива. Примерами могут служить автомобили Audi A8/A2 (Space Frame) и Lupo 3L TDI. Кузова этих авто частично изготовлены из легких материалов (алюминия и магния).
Кузов авто Audi A8/A2 (Space Frame) и Lupo 3L TDI
Оптимизация конструкций двигателя и коробки передач
Расход топлива авто в значительной степени зависит от конструкции его двигателя и коробки передач. Экономичный рабочий процесс обеспечивается у современных двигателей в результате применения:
- насос-форсунок у дизелей (TDI),
- непосредственного впрыска у бензиновых двигателей (FSI).
Передаточные числа коробки передач должны быть согласованы с размерами и массой автомобиля. Помимо этого начат выпуск 6-ступенчатых коробок передач. Это необходимо для обеспечения работы двигателя на наиболее экономичных режимах.
Рециркуляция отработавших газов
У современных двигателей рециркуляция ОГ применяется как для снижения насосных потерь, так и для оказания благоприятного воздействия отработавших газов на процесс сгорания на некоторых режимах движения автомобиля.
Системы управления двигателем
Двигатель автомобиля Lupo 3L TDI
Современные системы управления двигателем воздействуют на все его регулируемые компоненты (исполнительные устройства). Это означает, что все сигналы датчиков (например, частота вращения коленчатого вала, расход воздуха, давление наддува) обрабатываются в электронном блоке управления двигателем, который вырабатывает соответствующие управляющие сигналы для исполнительных устройств (регулирующих, например, количество и момент впрыска топлива или угол опережения зажигания). В результате обеспечивается регулировка двигателя в соответствии с его нагрузкой и производится оптимизация процессов сгорания.
Вентиляция топливного бака
Чтобы предотвратить проникновение паров бензина (углеводородов HC) в окружающую атмосферу, испарившийся в баке бензин направляется в адсорбер с активированным углем, а затем используется в процессе сгорания.
Очистка отработавших газов
Нейтрализатор (для бензиновых двигателей)
В настоящее время очистка отработавших газов бензиновых двигателей производится в каталитических нейтрализаторах. Регулирование каталитической очисткой осуществляется блоком управления двигателем, который по сигналам датчика кислорода определяет его содержание в отработавших газах и поддерживает коэффициент избытка воздуха топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель, равный единице.
Контур регулирования топливовоздушной смеси
Нейтрализатор начинает эффективно действовать только при температурах выше 300оC, поэтому после холодного пуска двигателя необходимо определенное время для его разогрева. Чтобы ускорить начало очистки газов, в последнее время устанавливают дополнительные нейтрализаторы в непосредственной близости от выпускного коллектора. Это мероприятие, а также небольшие размеры дополнительных нейтрализаторов способствуют их быстрому разогреву.
При каталитической очистке газов протекают одновременно две химические реакции:
- Реакция восстановления, в результате которой у некоторых компонентов газов отбирается кислород.
- Реакция окисления, в результате которой другие компоненты газов окисляются (дожигаются).
Каталитическая очистка газов
Каталитический нейтрализатор (для дизелей)
Дизель работает с избытком воздуха в топливовоздушной смеси. Поэтому регулирование содержания смеси по сигналам датчика кислорода не требуется. Очистка отработавших газов производится только посредством каталитических нейтрализаторов окислительного типа за счет большого избытка воздуха. Таким образом у дизеля регулируемая система нейтрализации газов не применяется, а нейтрализаторы окислительного типа способствуют преобразованию компонентов, которые могут быть еще окислены. При этом существенно снижается количество углеводородов HC и окиси углерода CO. Доля оксидов азота в отработавших газах может быть снижена в данном случае только за счет совершенствования конструкции двигателя (например, камер сгорания и систем впрыска топлива).
Типичные для дизеля частицы сажи состоят из ядра и осевших на нем многочисленных компонентов, из которых в нейтрализаторе могут быть окислены только углеводороды HC. Остальные части сажевых частиц могут быть задержаны только специальными сажевыми фильтрами.
Диагностика агрегатов, от которых зависит состав ОГ
Диагностика всех агрегатов и систем автомобиля, от которых зависит состав ОГ, известна под названием "On-Board-Diagnose" (бортовая диагностика). Впервые она была внедрена в практику в Калифорнии в 1988 году. Европейский вариант этой диагностики называется "Euro-On-Board-Diagnose". Законодательные органы требуют ее применения при сертификационных испытаниях новых моделей автомобилей с 2000 года. При неисправности агрегатов и систем, влияющих на состав ОГ загорается контрольная лампа K83. Выявление неисправностей и получение дополнительной информации производится с помощью унифицированного диагностического прибора (сканера OBD) или диагностической, измерительной и информационной системы VAS 5051, которые подключаются к сети автомобиля через специальную диагностическую колодку.
