Автомобильный выхлоп несёт огромный вред здоровью людей. В нём содержится ядовитый угарный газ, ещё более ядовитые оксиды азота, не сгоревшие в цилиндрах двигателей углеводороды, например бензапирен, обладающие канцерогенным действием.

Наука и жизнь // Иллюстрации

На графике в соответствии со стандартом ЕВРО-2 автомобиль на стенде «проезжает» около 4 км на разных передачах. По стандарту ЕВРО-3 он дополнительно «преодолевает» чуть более 11 км с максимальной скоростью 120 или 90 км/ч.

За 12 лет действия стандартов ЕВРО допустимое содержание в выхлопе оксидов азота сократилось почти в 10 раз.

Содержание токсичных веществ в выхлопных газах (по вертикальной оси) зависит от содержания кислорода в топливной смеси.

Схема управления работой двигателя, обеспечивающая выполнение норм ЕВРО-3.

Адаптер посылает сигнал на карманный компьютер, прикреплённый к лобовому стеклу. На его экране отображается информация о параметрах движения автомобиля.

У НИХ

К началу 1970-х годов годовой выпуск автомобилей в США и Японии перевалил за 10 миллионов, вырос автомобильный парк и в Европе. В результате жители крупных городов вынуждены были познакомиться с таким неприятным явлением, как смог: под действием солнечного ультрафиолета содержащиеся в выхлопных газах вещества вступали в фотохимические реакции и образовывали соединения, раздражающие слизистые оболочки. У людей першило в горле, слезились глаза. Особенно страдал от смога Лос-Анджелес: город закрыт от ветров горами и почти круглый год там светит солнце. Но автомобильный выхлоп и сам по себе несёт огромный вред здоровью людей. В нём содержится ядовитый угарный газ (СО), ещё более ядовитые оксиды азота (NO_х), не сгоревшие в цилиндрах двигателей углеводороды (СН), например бензапирен, обладающие канцерогенным действием.

Видимо, именно поэтому в США в 1972 году были введены нормы на выброс с отработавшими газами токсичных веществ и методы испытаний двигателей. Позже аналогичные меры предприняли в Японии и в Европе. Проверке должна была подвергаться каждая готовящаяся к выпуску новая модель автомобиля.

Нормы и схемы испытаний в США, Японии и Европе несколько разнились. Для автомобилестроителей ЕС в соответствии с введёнными в 1992 году нормами ЕВРО-1 была предусмотрена имитация четырёх циклов езды по городу (условно 1 км на каждый цикл) с разгоном, движением на постоянной скорости на разных передачах и торможением. Испытания проводились на роликовом стенде. Колёса автомобиля вращали ролики с установленными на них инерционными массами, обеспечивающими соответствующую нагрузку при разгоне и торможении, а также силу сопротивления потока воздуха. При испытаниях постоянно проверялось содержание СО, СН и NO_х в отработавших газах, определялся расход топлива. Дополнительно проверялась концентрация СО, СН на холостом ходу при минимальной частоте вращения коленчатого вала (имитация остановки на светофоре или в пробке).

У НАС

До конца 1980-х годов в Советском Союзе проблемы с выхлопом стояли не так остро, как в США, Японии и Европе. И причина, как ни парадоксально, была в низком техническом уровне отечественных машин и их небольшом количестве: при громадной территории в стране выпускалось около миллиона легковых автомобилей в год, а большинство двигателей имело относительно низкую степень сжатия и соответственно низкий выброс оксидов азота NO_х, которые образуются при высоких температурах и давлениях. Кроме того, в отличие от заграницы, где ради повышения октанового числа в бензин добавляли тетраэтилсвинец, у нас в этом не было острой необходимости, и содержание свинца в топливе и соответственно в выхлопных газах было гораздо ниже.

Тем не менее работа по снижению токсичности отработавших газов проводилась достаточно активно. Например, при торможении двигателем, то есть при режиме, когда выброс СО и СН особенно велик, для уменьшения концентрации этих компонентов нужно сократить подачу топлива в двигатель. С этой целью в НАМИ разработали систему «Каскад» для карбюраторов автомобилей ВАЗ, УАЗ и ЗАЗ. С помощью электропневматического клапана при торможении двигателем она перекрывала доступ топлива в цилиндр.

СОСТАВОМ СМЕСИ УПРАВЛЯЕТ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Нормы на выброс токсичных веществ постепенно становились более строгими. Так, по нормам ЕВРО-1 измерения содержания токсичных веществ начинались через 40 с после запуска двигателя, в течение которых он достаточно прогревался. Принятый в 1995 году стандарт ЕВРО-2 запрещает эти «льготные» секунды, считается, что автомобиль после запуска двигателя должен сразу стартовать. Это ужесточение объясняется тем, что на автомобилях вместо карбюраторов появились инжекторы, которые позволяли автоматически регулировать состав смеси.

Более сложными стали испытания: по стандарту ЕВРО-3, принятому в 2000 году, к «городским» циклам добавился загородный, который имитирует движение на расстояние 7 км со скоростью до 120 км/ч (у автомобилей с предельной скоростью до 130 км/ч скорость при испытаниях на загородном цикле составляет 90 км/ч). Новшество было внедрено для контроля работы двигателя на высоких нагрузках, когда особенно велик выброс оксидов азота. Кроме того, предусматривается испытание по запуску двигателя при температуре –7^оС.

Относительно простые и недорогие средства обеспечить работу двигателя даже по нормам ЕВРО-2, не говоря о более жёстких стандартах ЕВРО-3 и ЕВРО-4, уже не могут. Необходимы компьютеризированные системы управления с обратными связями, применение дорогих каталитических нейтрализаторов, содержащих платину и палладий и снижающих концентрацию СО, СН и NO_х, и прочие ухищрения.

В системе выхлопа приходится ставить датчики кислорода, позволяющие автоматически управлять впрыском топлива. Оптимальный режим достигается лишь в так называемой зоне бифункциональности — узком диапазоне (0,97–1,00) коэффициента избытка воздуха α, равного отношению количества воздуха в смеси к тому количеству воздуха, которое нужно для полного сгорания бензина. При α=1 смесь считается нормальной, при α<1 — богатой (воздуха — меньше необходимого, бензина — больше), а при α>1 — бедной. Состав отработавших газов зависит от степени обогащения смеси: при богатой смеси в выхлопе присутствуют угарный газ и несгоревшие углеводороды (для полного сгорания просто не хватает воздуха), а при бедной смеси в цилиндрах образуется много оксидов азота. (При запуске холодного двигателя в цилиндры приходится подавать богатую смесь, иначе двигатель глохнет.)

Датчики имеют разную конструкцию и по-разному реагируют на наличие кислорода. Например, пальчиковые датчики представляют собой тонкостенный цилиндр из специальной керамики (обычно из диоксида циркония и оксида иттрия), покрытый тонким слоем платины, служащей электродом. Датчик снабжён электронагревательным элементом, обеспечивающим необходимую рабочую температуру. Прибор работает как электронный ключ: при появлении в выхлопных газах кислорода электрический потенциал резко падает, это служит сигналом блоку управления увеличить подачу топлива. После обогащения смеси кислород в отработавших газах исчезает, напряжение на датчике становится максимальным и блок управления уменьшает подачу топлива. Таким образом система реагирует на нажатие водителем на педаль акселератора: подача воздуха увеличивается, смесь обедняется, и в выхлопных газах остаётся кислород; следовательно, требуется увеличить подачу топлива.

В России микропроцессорные блоки управления двигателями разработаны специалистами НАМИ и НИИ приборостроения им. В. В. Тихомирова. С 1994 года производили блоки с 8-разрядными процессорами, а с 1997 года начат выпуск блоков с более быстродействующими 16-разрядными процессорами. (Разрядность процессора — это количество одновременно обрабатываемых битов. В 8-разрядном процессоре оно выражается восьмизначным двоичным числом, а в 16-разрядном — шестнадцатизначным. — Прим. ред.) С помощью обратных связей по датчику кислорода эти устройства позволяют надежно удерживать состав отработавших газов в пределах установленных норм токсичности.

ДИАГНОСТИКА НА ХОДУ

Запланировано, что в России с 2008 года начнут действовать Правила 83—04 ЕЭК ООН (ЕВРО-3). Одним из требований нового стандарта стала обязательная установка на машине системы бортовой диагностики (ОВD: On-board Diagnosis), которая позволяет постоянно контролировать работу узлов и систем автомобиля. При выявлении неисправности система диагностики автоматически включает соответствующий индикатор на панели приборов или мониторе бортового компьютера.

В России существуют достаточно простые приборы, которые проводят диагностику, выявляют возникшие дефекты и помогают устранить неисправности. Например, в Ростове-на-Дону выпускают адаптер «BT-ECU» и программу к нему «Check-Engine», позволяющие владельцам отечественных и импортных автомобилей выполнять диагностику автомобиля с помощью мобильного телефона или портативного компьютера. Адаптер подключается к диагностическому разъёму и по беспроводному каналу связи передаёт информацию на компьютер. Программа «Check-Engine» распознаёт коды неисправностей, выводит на экран комментарии, помогающие владельцу принять решение. Система OBD контролирует такие параметры, как расход воздуха, нагрузка на двигатель, угол опережения зажигания, расход топлива и т.д., и указывает, когда они выходят за предельные значения. Фиксируются и другие параметры, например время в пути. Вся информация записывается в память и хранится там, чтобы с ней мог впоследствии ознакомиться специалист станции техобслуживания.

У нас внедрение стандартов ЕВРО-3 и ЕВРО-4 сталкивается с серьёзными проблемами: не хватает специальной аппаратуры, подготовленных специалистов для проведения технического осмотра, не налажен контроль за качеством топлива на автозаправочных станциях (присадки, которые для повышения октанового числа добавляют в бензин недобросовестные работники АЗС, приводят к быстрому выходу из строя дорогих нейтрализаторов). Только решив их, можно будет исключить эксплуатацию автомобилей с повышенным выбросом токсичных веществ.

Необходимо разработать систему наказаний за эксплуатацию автомобиля с «грязным» выхлопом. Можно воспользоваться, например, опытом шведов. У них, когда во время техосмотра выявляют превышение содержания вредных веществ в выхлопе, то при пробеге меньше нормативного штраф платит фирма-производитель (если, конечно, владелец сам не внёс изменений в конструкцию). Другой причиной санкций может быть случай, когда владелец проигнорировал показания OBD и на неисправном автомобиле продолжал ездить, не обратившись тут же на станцию техобслуживания.

№7, 2008