Представяме ви новата поредица на инж. Георги Колев, отг. редактор на сп. auto motor und sport
В предстоящата поредица ще ви разкажем за това какво се случва в химическия реактор наречен двигател с вътрешно горене и за еволюцията на системите за очистване на газовете. Може би всичко това е нужно за да бъде разбран дебатът относно чистотата на модерния автомобил.
Напоследък темата за емисиите генерирани от автомобилите стана доста обсъждана. Появиха се мнозина, които се упражняват по нея, превръщайки всяка информация в някакво невероятно „откритие“, превръщащо се след това в поредния „скандал“. За това ние решихме да погледнем на тази тема от друг аспект. Тъй като незнанието често е важен фактор в създаването на проблеми, решихме да направим това, което ние от auto motor und sport смятаме за най-важно – да осигурим знание. Затова в поредица от материали ще ви разкажем за това какво всъщност се случва в автомобилния двигател, какво представляват горивата и до какви крайни продукти довеждат горивните процеси. И в резултат от това – какво представлява преработката им в съвременните автомобили – било в бензинов или в дизелов мотор. А следователно и в какво се състои смисълът на проблемите, които разтърсиха из основи съвременната автомобилна индустрия. Даваме си сметка, че задачата не е никак лека, защото горивните процеси и техните продукти са фундаментът в работата на един двигател и са обект не само на автомобилното инженерство, но и на химиците. Неслучайно в много нефтохимически институти се изучава наука, наречена „химмотология“ образувана от думите мотор и химия.
Според инженерите, конструиращи задвижващи агрегати в Opel, модерната система за контрол на двигателя включва над 17 000 функционални параметъра, а системите за преработка на емисиите са изключително сложни и интегрирани в общата конфигурация. При това изчисляването и контролът в реално време изискват често изключително противоречащи си действия. Необходимият химически и топлинен „баласт“ от отработили газове, който се връща обратно в цилиндрите (EGR) в името на намаляването на азотните окиси при по-големи количества всъщност влошава стабилността на горивния процес. Поради тази причина количеството и температурата им се регулират прецизно в зависимост от условия. Тук не трябва да се забравя обаче, че в зависимост от същите тези условия става и генерирането на същите тези газове. Голямото количество върнати отработили газове създава предпоставки и за усилено образуване на сажди, тоест твърди частици, а това трябва да предотвратява защото води до влошаване на работата на двигателя, динамичните му качества и увеличаване на другите емисии. Освен това количеството им зависи от натоварването и оборотите на двигателя, от външната температура и температурата на охладителната система (от която пък зависи горивния процес) и т.н. Въобще контролът на емисиите е изключително сложен процес, част от общия мениджмънт на двигателя и на практика, особено в големите модерни дизелови двигатели е цяла допълнителна химическа централа.
Във всеки тест на auto motor und sport се появява параметърът на измерените количества емисии – вече всички спазващи стандарта Euro 6 и включващи параметрите въглеводороди (HC) няколко вида азотни окиси (NOx), въглероден окис (CO) и твърди частици (чист въглерод), последното при дизелите. Към тях обикновено се добавя и въглеродният двуокис, но той не е част от тези стандарти и на практика зависи от разхода на гориво и вида на двигателя (при един и същ разход дизеловият двигател отделя повече въглероден двуокис). При това колкото по-добре се изчисват газовете – разбирай се намаляват горепосочените газове, толкова повече се увеличава въглеродният двуокис, защото едно от получените при окисляването на въглеводородите и въглеродния окис съединения е именно CO2.
В рамките на работата на двигателя с вътрешно горене се генерират няколко хиляди вида химически съединения. Защо обаче в параметрите на стандарта Euro 6 се отчитат само гореспометаните? До какво те се свеждат? Преди да достигнем до същността на горивните процеси и еволюцията на системите за обработването им нека се назад в историята.
Дъх от преизподнята
Всички знаем какво би се случило ако оставим работещ автомобил автомобил в гараж. Макар че функционира на празен ход и отделя малко газове (всъщност тогава нивото на замърсяване е най-високо, но за това по-късно) той скоро ще превърне атмосферата в неподходящо за обитание от дишащо кислород живо същество. По време на Втората Световна Война нацистите използват специално оборудвани фургони наречени gaswagen в които отработилите газове се вкарват в товарното помещение за умъртвяване на хора. Този зловещ аспект от историята на автомобила е ясен израз на един от недостатъците на двигателя с вътрешно горене с който конструкторите неистово се борят и до наши дни.
На 26 юли 1943 година, по същото време, когато в Европа се извършват подобни кошмарни деяния, американският град Лос Анжелис е атакуван от зловещо химическо оръжие. То няма нищо общо с войната и не е дело нито на германците, нито на японците. Лос Анжелис Таймс пише за това как пушеци и мъгла обвиват сградите, намаляват видимостта до 100 м, а жителите на града ходят с подути и насълзени очи, давайки си сметка, че нещо с техния великолепен град не е наред.
На следващия ден управата на града обвинява за причинител на бедствието завода за бутадиен на фирмата Aliso и той веднага е затворен. Но… зловещата мъгла не изчезва…Трябва да изминат още няколко месеца, преди да бъде открит истинският източник на замърсяването, неговият произход и преди да започне епичната борба със смога.
През 1971 година е изчислено, че са последните 266 години от човешкото развитие – от 1705 до 1971 година – обемът на световното производство нараснал 1730 пъти и повече от половината от този ръст е осъществен след Втората Световна Война – от 1948 до 1971 година. За тези 25 години световната търговия се е увеличила със забележително темпо – несравнимо с нищо, случвало се в човешката история.
Стабилното развитие, направило възможно феноменалното подобрение на живота на хората, в голяма степен се осигурява от силната американска икономика. В края на 60-те години трудоспособното американско население нараства рязко в резултат от бума на раждаемостта от края на 40-те години, а американската автомобилна промишленост започва да бълва все повече и по-големи автомобили за забогатяващото население – за съжаление с всички произтичащи от това последици. Значително нараства броят на автомобилите и в Европа. Автомобилизацията на Стария континент, започнала през 60-те години благодарение на модели като костенурката на VW, R4 на Renault, 500 и 600 на Fiat в Америка се е състояла още преди Войната. 60-те години вървят безметежно както от двете страни на океана, така и в далечния Изток където японската икономика набира сили, когато непредвидени обстоятелства променят спокойствието. Петролната криза от 1973 година и първите сериозни признаци на замърсяване карат конструкторите много по-сериозно да се замислят върху ефективността и екологичността на автомобилите. Те трябва да изградят нова философия за за модерното превозно средство и то трябва да започне с въпроса какво точно се случва в химическия реактор наречен двигател с вътрешно горене.
Източникът на смога
През 1948 година професорът от Калифорнийския технологичен институт Ари Хааген-Смит установява след продължителни изследвания, че причината за образуването на смога е във формирания в приземния слой на атмосферата озон. Става въпрос не за защитния озонов слой във висините на атмосферната обвивка, а за озона образуван почти на нивото на земята от взаимодействието на различни източници (както ще се окаже после – най-вече автомобилни) под въздействието на слънчевите лъчи. Междувременно развитието на ситуацията започва да придобива застрашителни размери. Още през 1952 година смогът (тогава свързан с въглищния прах) отнема живота на 4000 човека в Лондон, а през 60-те години при жителите на много американски градове и най-вече на Лос Анджелис е забелязано обезпокоително увеличаване на сериозните респираторни заболявания.
Това е истински шок! През цялата 80-годишна история на автомобила никой не е гледал на него като на замърсител. Дори конете оставяли повече отпадъци. А сега той убива хора – тихо и някак незабелязано. Едва когато започва да доминира картината на градските улици и се появяват задръстванията отровите с отработилите газове започват да се възприемат като непосредствен и опасен проблем. В драстични случаи като този на Лос Анджелис той се влошава не само от огромния брой автомобили, но и от споменатата фотохимична реакция, възникваща при специфичния климат – горещите калифорнийски слънчеви лъчи предизвикват реакция между азотните окиси и въглеводородите формирайки отровна кафява мъгла. Става ясно че основният виновник за превръщането на цял един град в газова камера е автомобилът! Логично първите законови средства за контролиране и силно намаляване на емисиите биват въведени първо в Щатите. В началото на 60-те години всички автомобили по отвъдокеанските пътища трябва да имат затворена вентилация на картера. В края на същото десетилетие се появяват първите стриктни ограничения по отношение на емисиите. Американските чудовища вече са надхвърлили количеството на на отделяните от тях вредни вещества с цели две трети, когато в началото на 70-те години Конгресът създава Агенцията за защита на околната среда (EPA) и гласува „Закон за чистия въздух“, изискващ вредните емисии да се намалят с цели 95 процента през следващия десетгодишен период. По това време нито конструкторите нито шефовете им смятат това за възможно. След гласуването на закона един от директорите на Ford изумен възкликва – „Та те искат да изкараме от ауспусите по-чист въздух отколкото влиза през въздушния филтър!“ Именно по това време Ford ще създаде една от първите системи за работа на двигателя с бедни смеси. Но това е друга история…
Невъзможното се превръща в реалност. Привидно ненормалният и невероятен закон и петролното ембарго са предизвикателствата задвижили хиляди автомобилни мозъци и катализирали автомобилните технологии до невероятни нива. Всъщност, благодарение именно на тези драконови мерки автомобилът тръгва по друг път.
Целият този процес коства на автомобилните фирми къртов труд. Първите стъпки включват внимателно изчисляване на смесообразуването и създаване на нови процеси като CVCC на Honda подобряващи качеството на горене. Някои от производителите започват да впръскват със специални помпи въздух в изпускателните колектори за доокисляване на газовете. Пак Honda въвежда първата система за обратно връщане на отработили газове с цел намаляване на азотните окиси. Иронията се състои в това че първоначално новите по-екологични системи довеждат до намаляване на ефективността на двигателите. От друга страна обаче навлизат по-малки автомобили, които отделят по-малко емисии. Скоро Япония и страните от Западна Европа също въвеждат законови ограничения на емисиите. Двигателите започват да стават все по-сложни творения и значително се оскъпяват. Появяват се – първоначално механични, а след това е изцяло електронно управлявани – системи за впръскване на горивото. Но…тогава конструкторите разбират че само с вътрешнодвигателни мерки няма как да ограничат до нужната степен вредните емисии за които споменахме по-рано. И така се ражда първото устройство за обработка на самите газове – автомобилният катализатор…
(следва)
Текст: Георги Колев
diskusser
При доизгарянето на СО наистина се образува СО2, но това става за сметка на отделена енергия, от там намален разход и в крайна сметка - по-малко СО2 като цяло. Единствено свързването на остатъчно количество СО в катализатора може да увеличи СО2, но това е пренебрежимо малко!