Системы впрыска воздуха: снижение выбросов в выхлопе

Впрыск воздуха — метод снижения выбросов: воздух в каждый выхлопной порт, где смешивается с горячими выхлопными и окисляет CO и УВ → H₂O и CO₂. В ранние эко-стандарты воздух-впрыск легко давал нужные нормы. Одно из первых аддон-устройств для окисления CO/УВ — air injection (air pump system).

В статье: определение, компоненты, схема, работа, плюсы и минусы системы впрыска воздуха.

Что такое система впрыска воздуха?

Для снижения CO и УВ система накачивает свежий воздух в выхлопные порты двигателя. В выхлопе есть недогоревшее/частично сгоревшее топливо. Оно догорает за счет кислорода от системы впрыска. Главные компоненты: воздушный насос, дивертерный клапан, распределительный коллектор воздуха, обратный клапан воздуха.

Идею предложил Rudolf Diesel. На схеме (рис.1) конфигурация: при подаче топлива и воздух, и топливо впрыскиваются в цилиндр. Давление воздуха для впрыска ~70 бар и выше.

В ДВС впрыск топлива — механизм смешения топлива с воздухом. Разные функциональные цели, но общее: подача топлива в сгорание. Конкурирующие цели: мощность, расход, выбросы, надежность, плавность, пуск, эксплуатационные расходы, ТО.

Компоненты системы впрыска воздуха

• Воздушный насос с фильтром
• Воздушные коллекторы и форсунки
• Анти-бэкфайр клапан (anti backfire valve)
• Обратный клапан (check valve)
• Соединительные шланги

Воздушный насос (Air supply pump)

Ременные от коленвала, спереди двигателя. Насос засасывает свежий воздух через внешний фильтр, подает через шланги в каждый выхлопной порт под низким давлением. Доп. воздух + горячие CO/УВ в коллекторе → окисление → H₂O и CO₂.

Воздушные коллекторы и форсунки (Air manifolds and nozzles)

Ранние системы два способа подачи воздуха в выхлоп:

• Малые двигатели: внешний воздушный коллектор → форсунки у каждого выхлопного клапана
• Крупные: внутренний коллектор через каналы в головке/выхлопном коллекторе → порт у каждого выхлопного клапана

Анти-бэкфайр клапан (Anti backfire valve)

Высокий вакуум в впуске при торможении → смесь обогащается. Свежий воздух в выхлоп при торможении + недогоревшее топливо → бэкфайр (вспышка). Быстрое сгорание недогоревших газов может убить глушитель. Анти-бэкфайр (backfire suppressor) клапан перекрывает воздух при торможении. Используются и gulp valve, и diverter valve.

Обратный клапан (Check valve)

Односторонний клапан предотвращает обратный пробой выхлопных газов через насос. Между воздушным коллектором и diverter/gulp клапаном. Пружина клапана закрывает при давлении выхлопа > давления впрыска или отказе насоса. На рядных — один клапан, на V-образных — два (на каждую головку). Некоторые V — один.

Доп. компоненты вторичной системы впрыска воздуха

• Воздушный фильтр
• Вторичный воздушный насос
• ЭБУ (Engine control unit)
• Управляющее реле
• Переключающий клапан (change-over valve)
• Комбинированный клапан (combination valve)

Схема вторичной системы впрыска воздуха

[Схема не предоставлена]

Принцип работы

Работающая лопасти насоса гонят воздух в diverter valve при работающем двигателе. Если не торможение — воздух через diverter, check valve, воздушный коллектор → в двигатель. Дует в выхлопные клапаны. При торможении diverter перекрывает воздух в выхлопной коллектор → предотвращает возможный бэкфайр, вредный для выхлопа. Diverter сбрасывает избыточное давление когда нужно.

Вторичная система впрыска воздуха

На холодном пуске, пока катализатор не работает, еще больше снижает CO и УВ. В стехиометрических бензиновых 3-компонентный катализатор дает >90% конверсию. На холодном пуске до 80% выбросов авто. Но катализатор работает только 300–350°C → нужно снижать выбросы на холодном пуске разными методами. Вторичная воздушная система — для этого.

Когда в выхлопе достаточно остаточного O₂ и температура высокая — CO и УВ реагируют → CO₂ и H₂O (вторичная реакция).

На холодном пуске смесь очень богатая → воздух впрыскивается в выхлоп для обеспечения O₂ для реакции. Вторичная система отключается через ~100 сек на авто с 3-компонентным катализатором и лямбда-контролем. Тепло вторичной реакции быстро поднимает рабочую температуру катализатора.

Активная или пассивная подача доп. воздуха. Пассивная использует пульсации давления в выхлопе. Вакуум от расхода в выхлопной трубе всасывает воздух через тактовый клапан. Активная — насос дует воздух. Активная дает больше контроля.

Видео: система впрыска воздуха

[Видео не встроено]

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Лучшее распыление и распределение топлива
• BMEP выше других систем впрыска — полнее сгорание
• Позволяет использовать дешевле топлива

Недостатки:

• Компрессор требует сложный механизм
• Вес двигателя растет
• Часть мощности уходит на компрессор → снижается Б.М.П. (B.H.P.)

Статья покрыла определение, компоненты, схему, принцип, плюсы и минусы вторичной системы впрыска воздуха. Надеюсь, полезно — делитесь со студентами. Спасибо, до встречи!