Помните анекдот о том, как горожанину стало плохо на свежем воздухе, а пришел бедняга в чувство, лишь когда его положили к выхлопной трубе? Некоторые медики считают, что жителям больших городов рекомендуется выкуривать одну-две сигареты в день, чтобы сохранять баланс между легкими и окружающей средой. Может быть, это тоже относится к разряду анекдотов. Смех смехом, однако непростые отношения экологии Земли и автомобилей — одна из серьезнейших проблем конца тысячелетия.
В конце 60-х годов, когда объем ежегодного выпуска автомобилей в США и Японии приблизился к 10 миллионам, а количество машин на планете перевалило за 200 миллионов, в большинстве развитых стран вынуждены были начать борьбу за спасение атмосферы. Было установлено, что наиболее вредными компонентами отработавших газов являются канцерогенные вещества, вызывающие рак дыхательных путей и массу других заболеваний. Однако создать быстродействующие газоанализаторы сразу не удалось. А раз нечем измерять, то нельзя вводить и нормы. Пришлось пока ввести нормы на дымность выхлопа дизелей и выброс твердых частиц.
Тест на наличие некоторых веществ (альдегиды, кретоны, формальдегиды) производился... по запаху. Группа "нюхачей" (обычно женщин) оценивала интенсивность запаха по 10-бальной шкале. В конце концов эта субъективная оценка была признана непригодной, а попытки ввести жесткое нормирование этих веществ, теперь уже при помощи газоанализаторов, продолжаются по сей день. Сегодня при определении газовых составляющих ограничиваются тремя компонентами: CO (оксид углерода), CH (углеводороды — пары топлива или продукты неполного сгорания) и NOx (оксиды азота), для замера которых ряд фирм выпускает быстродействующие газоанализаторы.
--------------------------------------------------------
Первый газоанализатор, появившийся у нас, был оригинально проверен неизвестным экспериментатором. Оказалось, что если поднести к прибору горящую сигарету, то стрелка сразу уходит за отметку 5%. Поэтому курильщика, с умным видом распинающегося о вреде вашего автомобиля, фырчащего под его окнами и отравляющего воздух, можно со спокойной совестью послать куда подальше. Присовокупив, что табачный дым в среднем в 10 раз более вреден, чем выхлоп двигателя.
--------------------------------------------------------
По степени вредного воздействия на человека CO и CH примерно одинаковы, однако среди углеводородов есть канцерогенные вещества. NOx более токсичны по сравнению с CO (по уровню норм на предельно допустимую концентрацию в воздухе от 25 до 40 раз). Однако угарного газа работающий мотор выделяет больше. Были случаи, когда люди получали тяжелые отравления CO, сидя в машине с открытыми окнами на улице. Например, при вытянутой кнопке "подсоса" или если ветер обдувает стоящую, но работающую машину сзади, окна открыты, а вы беспечно дремлете, поджидая приятеля. Надо заметить, что при правильной регулировке системы питания, когда содержание CO в выхлопе составляет 0,3-0,8%, такая неприятность вряд-ли произойдет, но тем не менее...
Фирме-производителю для получения права продажи каждой новой модели автомобиля необходимо пройти проверку на соответствие требованиям, принятым в данной стране, включая выполнение норм по уровню шума, безопасности и токсичности. Проверка уровня токсичности осуществляется в несколько этапов: на количество паров топлива при испарении, концентрацию CO и CH на холостом ходу и на выброс CO, CH и NOx при испытании по условному городскому циклу. Для этого автомобиль устанавливают на роликовый стенд с набором маховиков, чтобы имитировать движение на различных скоростях.
Для машин с полной массой до 3500 кг используются три цикла: европейский, японский и США (FTP 75). Многие страны (Австрия, Гонконг, Швеция, Швейцария и др.) проводят испытания именно по циклу FTP 75, но в каждой из стран действуют свои нормы. Особенно жесткими они всегда были в американском штате Калифорния. Это объясняется климатическими особенностями и гористой непродуваемой местностью. Под ярким солнцем над плохо вентилируемыми улицами из-за высокого содержания токсичных компонентов, особенно NOx и CH, образовывался так называемый фотохимический смог. Пока жесткие требования еще не были введены, местные жители тяжело страдали от удушья и даже умирали. Кроме того, кислотные дожди из облаков, вобравших в себя разнообразную химическую гадость, разрушали здания. Это происходило и за счет наличия в воздухе сернистых соединений, образующихся при сгорании бензина и дизельного топлива. Поэтому введены были еще и жесткие ограничения на содержание в горючем серы.
Для снижения выброса токсичных веществ были разработаны и внедрены многочисленные оригинальные устройства. Для уменьшения выброса NOx сделали клапан, перепускающий отработавшие газы во всасывающую трубу, устройства, устанавливающие поздние углы опережения зажигания Естественно, все это делало процесс сгорания более вялым, но выброс NOx уменьшился.
Время шло, нормы ужесточались, и решено было в системе выхлопа устанавливать платиновые каталитические нейтрализаторы, дожигающие CO и CH. Однако стоит один раз заправить бак этилированным бензином, как нейтрализатор выходит из строя. Других надежно работающих нейтрализаторов пока нет. Этилированный бензин ненамного дешевле чистого. Чтобы заставить водителей не экономить на здоровье, в США колонки с неэтилированным бензином были оборудованы наконечником шланга с меньшим диаметром, а в горловины бензобаков были вставлены кольца соответствующего диаметра. Наконечник колонки с этилированным бензином в это кольцо не входил. Законопослушным американцам даже в голову не приходит мысль заправляться этилированным бензином из канистры или через переходник.
Дальнейшее ужесточение норм привело к необходимости применения целого комплекса антитоксичных устройств, включающих трехкомпонентный (бифункциональный) каталитической нейтрализатор, систему микропроцессорного управления топливоподачей, зажиганием и другими системами. Правда, стоимость нейтрализаторов, представляющих собой сотовый каркас или сетку, покрытую тончайшим слоем драгоценных металлов (платина, родий, палладий) измеряется сотнями долларов. Кроме того, в процессе эксплуатации их периодически приходится менять. Для эффективной работы трехкомпонентного нейтрализатора отношение расхода воздуха к расходу топлива должно быть около 14,7. Именно столько нужно килограмм воздуха, чтобы сжечь 1 кг бензина. При этом состав смеси на режимах частичных нагрузок должен выдерживаться с точностью плюс-минус 0,5%, иначе двигатель вашей машины попадает в зону либо бедных смесей, где слишком высокий выброс NOx, либо обогащенных, где увеличивается выброс CO и СЕ. Выдержать состав смеси с такой точностью возможно только с применением кислородного датчика (лямбда-зонда), подающего сигналы в электронный блок управления двигателем. Как только смесь обедняется, в отработавших газах появляется кислород. Повышается его количество и внутри керамического баллончика в датчике. В этом случае сигнал датчика приближается к нулю. Электронный блок обогащает смесь, кислород в отработавших газах исчезает, и датчик подает максимальный сигнал, требуя обеднения смеси.
При введении трехкомпонентных нейтрализаторов возникли новые проблемы. Переход на состав топливо воздушной смеси с соотношением 1:14,7 привел к увеличению расхода топлива на 8-12% и росту выброса CO2, усложнению обслуживания и ремонта. У некоторых фирмы при продаже автомобиля в комплект входит сменный элемент нейтрализатора. При выходе из строя какой-либо системы управления двигателем или датчика на щитке приборов появляется соответствующая информация. Обычно загорается сигнальная лампочка, предупреждающая, что блок переходит на резервную систему управления. При подготовке перспективных требований к токсичности предполагается применять электронные блоки с еще большим объемом памяти, чтобы фиксировать время работы с неисправным антитоксичных устройством. А пока во многих европейских странах вынуждены проводить выборочный контроль токсичности на роликовом стенде.
Впервые приехав в Стокгольм в 1964 году, я изрядно помучился, пробиваясь по забитым автомобилями улицам к месту старта ралли "Полуночное солнце". Хотя высотных зданий в городе не было, загазованность была кошмарная. Попав в шведскую столицу через 14 лет, я приятно удивился — воздух, несмотря на высокую влажность, был свежим. За это время появились эстакады и транспортные развязки, разгрузившие центр. Кроме того, теперь автомобили выборочно забирают в лабораторию охраны природы на два дня для тестирования и испытаний на роликовом стенде, а владельцу на это время предоставляют машину из прокатного фонда. Если все антитоксичные устройства в наличии, а нормы на токсичность превышены, штраф платит фирма-продавец.
В нашей стране борьба с токсичностью началась в 60-х годах. В крупных городах и курортных зонах был запрещен этилированный бензин. В 1969 году во время приемных испытаний автомобилей ВАЗ в Турине мы проводили обязательную их проверку на роликовом стенде. Но так проверять все машины в наших условиях было просто нереально, и был введен государственный стандарт на поверку концентрации СО на холостом ходу. По весне начинают проводится любимое автоинспекцией рейды, так действующие на нервы автолюбителям. Кстати, на холостом ходу СО выделяется сравнительно немного, однако на перекрестках загазованность удалось снизить. Стандартизаторы пошли по пути наименьшего сопротивления — нормы стали ужесточать, доведя их в конце концов до 1,5%. Если легковые автомобили за счет внедрения карбюраторов с автономной системой удалось "загнать" в эти рамки, то с 8-цилиндровыми двигателями грузовиков возникли проблемы.
--------------------------------------------------------
В бензиновых двигателях выделение вредных веществ в основном происходит при торможении двигателем. После внедрения систем, отключающих подачу топлива на этих режимах, например, экономайзера принудительного холостого хода, проблема вроде-бы была решена. Но для выполнения всех требований по токсичности карбюратор оброс массой мембранных механизмов, электромагнитных клапанов и лишился основного преимущества — простоты. Поэтому большинство двигателей современных автомобилей малого и среднего класса оборудуются системами впрыска.
--------------------------------------------------------
К тому же, чтобы уложиться в норму, было достаточно снять провод со свечи одного цилиндра: хотя двигатель начинает троить, содержание СО снижается. А то, что при этом в десятки раз увеличивается выброс CH, мало кого волновало. Тогда ГОСТ пришлось изменить. Было разрешено при проверке на дороге увеличить норму СО до 3%, появились и требования к концентрации CH. Современные 5- и 6-цилиндровые двигатели даже без нейтрализатора обычно укладываются в эту норму более чем с 10-кратным запасом.
А битва за экологию продолжается.
Анатолий Дмитриевский, к. т. н., ведущий научный сотрудник отдела токсичности ГНЦ НАМИ
Подписи к рисункам:
1/.Кислородный датчик (лямбда-зонд) устанавливаемый в выпускной системе для регулирования состава смеси.
2/. Каталитический нейтрализатор
1. Керамический материал, покрытый катализатором (как правило, платина и родий) для нейтрализации оксидов азота.
2. Дожигатель оксидов углерода и углеводородов.
3/. Испытание автомобиля на роликовом стенде.