Необходимость применения на «экспортных» вариантах автомобилей ВАЗ более сложной модификации карбюратора 2108, с так называемым "лямбда-управлением" составом смеси и автоматическим пусковым устрой ством, обусловлена существованием в большинстве стран весьма жестких ограничений на выброс токсичных веществ в атмосферу. Это прежде всего выброс из двигателя с отработавшими газами продуктов сгорания и, кроме того, выброс испарений из топливной системы автомобиля. Для решения первой задачи ( снижения выброса вредных веществ с от работавшими газами) служит система нейтрализации отработавших газов вместе с системой их рециркуляции, а для решения второй - система улав ливания паров топлива. Основной узел в системе нейтрализации отработавших газов - катали тический нейтрализатор (рис.13), устанавливаемый в выпускной системе автомобиля. Нейтрализатор внешне похож на обычный резонатор и часто устанавливается вместо него.

Нейтрализатор представляет собой химиче ский реактор с катализатором - веществом, активизирующим протекание реакций превращения одних веществ в другие. Главными элементами каталитического нейтрализатора являются один или два каталитических сотовых блока 2 - керамических или листовых гофрированных металлических цилиндра с несколькими сотнями продоль ных каналов 3 сечением около миллиметра каждый. На поверхность каналов - сот блока нанесен пористый каталитический состав, содержащий благо родные металлы - платину, палладий, родий. В основном эти составляющие и определяют цену нейтрализатора, составляющую 150-300 долл. Каталити ческий блок помещается в корпус 1 из жаростойкой нержавеющей стали. Все современные нейтрализаторы, в том числе и используемые на авто мобилях ВАЗ, являются бифункциональными или как их еще называют, трех компонентными. Это означает, что такие нейтрализаторы предназначены для снижения выброса всех трех основных токсичных компонентов отработавших газов и сочетают в себе сразу две химические функции: и окислительную, и восстановительную.

Иными словами, такой нейтрализатор одновременно окисляет (дожигает) и неполностью сгоревшее топливо, выбрасываемое в виде углеводородов (СН), и продукт его неполного сгорания - оксид углерода (СО), а также восстанавливает (т.е. разлагает на исходные составляющие) чрезвычайно токсичный продукт «сгорания» при высокой температуре в цилиндрах двигателя содержащегося в атмосферном воздухе азота (N) -оксиды азота (NO, NOg), обозначаемых одним символом - NOx. Необходимо заметить, что для эффективной работы бифункционального или трехкомпонентного нейтрализатора карбюратор должен обеспечивать приготовление горючей смеси строго стехиометрического состава, т. е. с таким соотношением топлива и воздуха, какое необходимо для теоретически полного сгорания топлива. Малейшие отклонения состава смеси от этого соотношения вызывают резкое снижение эффективности либо окислительной, либо восстановительной функции нейтрализатора. При этом повышается выброс либо СО и СН, либо NOx. Обыкновенный карбюратор не может обеспечить поддержание состава смеси с требуемой точностью и поэтому предпринимаемые у нас иногда попытки администрации заставить оборудовать нейтрализаторами действующий парк автомобилей с бензиновыми двигателями и системой питания традиционной конструкции являются попросту профанацией технической идеи: затраты на такое переоборудование не оправдываются весьма скромным достигаемым при этом эффектом по сокращению выброса токсичных веществ, не превышающим в сумме по всем компонентам 30...50%.

Иное дело, когда при помощи специальных средств (о них будет сказано ниже) достигается требуемая точность дозирования топлива. В этом случае выброс токсичных веществ с отработавшими газами уменьшается по крайней мере в 4-6, а то и в 10 раз! Такой эффект уже стоит того, чтобы оборудовать автомобиль дорогостоящими устройствами. При использовании каталитического нейтрализатора нельзя применять этилированный бензин, так как содержащийся в нем свинец, осаждаясь на внутренних поверхностях выпускной системы, нарушает газовую проницаемость микропор активного каталитического слоя, в результате чего отработавшие газы проходят через сотовые отверстия блока, не соприкоснувшись с катализатором. В этом и заключается механизм «отравления» катализатора этилированным бензином. При этом ни о каком «сгорании» нейтрализатора от применения «некачественного» бензина не может идти и речи!

Точно так же действуют на нейтрализатор и силиконовые герметики, часто неаккуратно применяемые при ремонте двигателя и попадающие в систему выпуска. Находясь в выпускной системе, нейтрализатор отработавших газов начинает эффективно работать только после его разогрева до температуры по крайней мере 300°С. В результате протекающих в нем химических реакций нейтрализатор при работе самопроизвольно дополнительно разогревается еще на несколько десятков а иногда и сотен градусов. Однако размеры и место размещения нейтрализатора выбираются таким образом, чтобы при нормальной работе двигателя в условиях эксплуатации температура нейтрализатора не превышала 950°С, выше которой наступает разрушение не только активного каталитического слоя, но и механическое разрушение сотовых каналов для прохода отработавших газов. В этом случае поврежденный нейтрализатор может оказывать существенное сопротивление потоку отработавших газов. Вероятность теплового повреждения нейтрализатора особенно возрастает при прекращении воспламенения в одном из цилиндров, например при выходе из строя свечи зажигания. В этом случае несгоревшая в двигателе топливовоздушная смесь начинает гореть в нейтрализаторе, интенсивно ра зогревая его.

Для контроля за температурой нейтрализатора на части авто мобилей ВАЗ предусмотрена установка специального датчика (термопары) с проводкой к блоку управления. Какими же средствами удается обеспечить необходимое для эффектив ной работы нейтрализатора точное дозирование топлива? Для этого исполь зуется так называемый лямбда-зонд, или как его еще называют, кислород ный датчик. Кислородный датчик представляет собой своеобразный гальва нический элемент (источник электрического тока), помещенный в систему выпуска автомобиля перед нейтрализатором, т.е. в среду горячих отрабо тавших газов.

Кислородный датчик (рис 14) внешне напоминает свечу зажигания: он имеет резьбу 18х1,5, на которой вворачивается в трубу системы выпуска от работавших газов и несколько отходящих от наружного хвостовика прово дов. Чувствительным элементом датчика является омываемый отработав шими газами керамический наконечник 2, защищенный от механических повреждений металлическим кожухом 3 с прорезями для свободного прохо да отработавших газов. Внутренняя часть керамического наконечника омы вается атмосферным воздухом, проникающим через щели в корпусе датчи ка. Благодаря своему особому составу, на основе окиси циркония, разогре тая горячими газами керамика становится источником тока, меняющим на пряжение в зависимости от наличия или отсутствия кислорода в отработав ших газах.

При избытке топлива, т.е. при богатой горючей смеси свободный кислород в отработавших газах практически отсутствует и кислородный датчик за счет большой разности концентраций кислорода на внутренней и наружной поверхностях керамического наконечника «вырабатывает» электрический ток напряжением около 0,8В. При недостатке топлива, т.е. при бедной горючей смеси в отработавших газах появляется свободный кислород и вырабатываемое датчиком напряжение уменьшается до 0,1-0,2В. Переход напряжения датчика от высокого уровня к низкому и наоборот происходит в чрезвычайно узком диапазоне состава смеси около стехиометрического, т.е. практически точно при а=1,00. Поэтому такой датчик и называют «лямбда-зондом»: «лямбда» - это англоязычный эквивалент нашего понятия «альфа», характеризующего соотношение воздуха и топлива в горючей смеси. Таким образом, ориентируясь на момент изменения величины напряжения, при помощи такого датчика можно точно отслеживать реальный, существующий в данный момент состав смеси с учетом всех индивидуальных особенностей регулировок карбюратора, состояния воздушного фильтра, случайных подсосов воздуха и любых других привнесенных извне факторов, не позволяющих заранее выбрать требуемый для работы нейтрализатора состав смеси.

Как и нейтрализатор, кислородный датчик требует для своей работы определенных условий: он должен быть достаточно прогрет, но не перегрет, он точно так же не переносит загрязнениия свинцом и кремнием. Для ускорения прогрева после пуска двигателя большинство современных кислородных датчиков, в том числе и применяемые на автомобилях ВАЗ, имеют встроенный электрический нагревательный элемент 2, постоянно запитываемый от бортсети автомобиля при включенном зажигании. За счет специальных свойств проводящего материала нагревателя его мощность автоматически изменяется в зависимости от температуры чувствительного элемента датчика: при низкой температуре сопротивление нагревателя минимально, а мощность максимальна, и, наоборот, при высокой температуре сопротивление нагревателя максимально, а мощность минимальна. Это позволяет исключить необходимость применения дополнительных средств управления температурой датчика.

Максимальный ток, потребляемый нагревателем кислородного датчика, составляет на холодном двигателе около 3 А. К кислородному датчику на автомобилях ВАЗ подходят три провода, подключаемые к автомобильному жгуту проводов через два разъема, расположенные между передней стенкой моторного отсека и карбюратором. Первый из разъемов объединяет два провода ( «+» 12В и «минус»), подающих питание на нагреватель датчика. Через второй разъем подключается «сигнальный» провод датчика, т.е. провод, идущий от его чувствительного элемента в блок управления. Электрическое сопротивление чувствительного элемента холодного датчика весьма велико и резко падает по мере его прогрева. Это дает возможность точно отследить момент, когда датчик оказывается способным давать правильную информацию о составе горючей смеси. Для этого со стороны блока управления через резистор на датчик постоянно подается «опорное» напряжение около 0,8В.

Когда датчик холодный, его сопротивление велико и не оказывает заметного влияния на падение напряжения на датчике. По мере прогрева и резкого снижения сопротивления датчика, падение напряжения на нем значительно уменьшается, что и сигнализирует блоку управления о готовности датчика к работе. По сигналам кислородного датчика электронный блок управления может нужным образом влиять на расположенные на карбюраторе органы управления составом смеси, представляющие собой два электромагнитных клапана (так называемые «актюаторы» - что буквально значит - «действователи» ): один - на главной дозирующей системе, другой - на системе холостого хода. Эти клапаны практически идентичны тем, какие применяются в "классических" моделях карбюраторов 2108 для отключения топливоподачи через систему холостого хода.

Единственным отличием являются меньшие размеры корпуса, связанные с измененными для достижения большего быстродействия параметрами обмотки электромагнита. ( Подробно со схемой их включения в указанные топливоподающие системы мы познакомимся позднее, когда будем рассматривать устройство карбюратора ). При работе двигателя оба клапана совершают непрерывные колебания с частотой 10 Гц, т.е. открываются и закрываются 10 раз в секунду. Чтобы не перепутать между собой идущие от блока к клапанам провода, они имеют маркировку: на проводе, подключаемом к верхнему клапану карбюратора, встроенному в систему холостого хода, прикреплена этикетка с надписью «idle» - т.е. холостой ход, а на нижнем имеется надпись «main»,T.e. «главный» (имеется в виду главная дозирующая система).

Изменение величины топливоподачи по сигналам кислородного датчика производится путем изменения скважности управляющих клапанами им пульсов. Понятие «скважность» означает соотношение периодов включен ного и выключенного состояния клапана в каждом из непрерывно следую щих друг за другом с периодом 0,1 секунды циклов управления. Так, напри мер, если на клапан в течение 0,05с подается напряжение, и 0,05с он обес точен (в сумме 0,1 с), то скважность составляет 50%. Это означает, что сре днее по времени сечение перекрываемого иглой клапана жиклера, опреде ляющее величину расхода топлива, составляет примерно (с учетом задерж ки реакции иглы клапана на изменение напряжения на обмотке ) половину его полного сечения.

При скважности 20% клапан 0,02с открыт и 0,08с ( в сумме те же 0,1 с) закрыт. При работе двигателя, если на блок управления от кислородного датчи ка поступает сигнал высокого уровня ( более 0,45В), скважность сигналов управления электромагнитными клапанами начинает уменьшаться, что при водит к уменьшению среднего сечения проходного отверстия его жиклера и, соответственно, к обеднению состава смеси. В момент перехода состава смеси от богатой к бедной напряжение на кислородном датчике уменьшает ся до уровня менее 0,45В, и блок управления начинает увеличивать скваж ность сигналов управления электромагнитными клапанами, что приводит к обогащению состава смеси. Такой процесс циклически повторяется, в результате чего состав смеси непрерывно колеблется около значения а=1,0.

Вследствие запаздывания изменения состава смеси в цилиндрах двига теля из-за наличия медленно движущейся пленки топлива на стенках впу скной системы, задержки реакции кислородного датчика на изменение со держания кислорода в отработавших газах и т.п. причин имеется заметное рассогласование между управляющим воздействием на электромагнитный клапан и ответной реакцией датчика на него, составляющее несколько де сятых долей секунды. Поэтому частота колебаний состава смеси около а=1,0 обычно не превышает 1, редко 2 Гц, т.е. 1-2 цикла в сек. и хорошо фиксиру ется обычным вольтметром. Дополнительным средством снижения токсичности является система рециркуляции отработавших газов. Рециркуляция - это возврат (перепуск) части отработавших газов во впускную трубу, т.е. обратно в двигатель. Такое казалось бы «противоестественное» решение уже давно (более 20 лет) широко применяется на многих зарубежнх автомобилях с целью снижения выброса в атмосферу окислов (оксидов) азота. Появление этих токсичных компонентов в отработавших газах является следствием высоких температур и давлений в камере сгорания, напрямую связанных с эффективности) сжигания топлива в двигателе. Чем она выше, т.е. чем выше топливная экономичность и мощность двигателя, тем, как правило, выше выброс окислов азота.

Возвращая часть (до 7-10 % отработавших газов) обратно на впуск, сознательно «портят» процесс сгорания, замедляя его скорость, снижая температуру и давление в цилиндре, т.е. создают условия, способствующие уменьшению выброса оксидов азота. Следует отметить, что рециркуляция отработавших газов - наиболее удобный и наименее «вредный» с точки зрения ухудшения показателей двигателя способ снижения выброса оксидов азота среди других известных средств, таких как уменьшение угла опережения зажигания, снижение степени сжатия, подача воды и т.п. Основным элементом системы рециркуляции отработавших газов на двигателях ВАЗ является запорный клапан 8 (рис. 15), перекрывающий канал 7, связывающий выпускной и впускной трубопроводы. Запорный клапан, называемый клапаном рециркуляции, установлен непосредственно на выпускном коллекторе 9 и управляется вакуумным диафрагменным механизмом с возвратной пружиной. При росте разрежения над диафрагмой клапана рециркуляции шток диафрагмы, преодолевая сопротивление относительно слабой пружины, тянет за собой и открывает тарельчатый клапан на канале для прохода отработавших газов в задроссельное пространство впускной трубы.

Разрежение для управления клапаном рециркуляции отбирается, подобно разрежению для вакуумного регулятора опережения зажигания, из отверстия выше кромки закрытой дроссельной заслонки первичной камеры карбюратора. Для этого на карбюраторе имеется специальный штуцер 7, (рис. 24) На некоторых моделях карбюраторов 2108 для управления клапаном рециркуляции используются сразу два соединенных тройником штуцера от двух отверстий у кромки дроссельной заслонки, расположенных одно над другим. Это делается для замедления роста разрежения в диафрагменной камере клапана рециркуляции в самом начале открытия дроссельной заслонки, необходимого для обеспечения требуемого закона открытия клапана рециркуляции.

Таким образом, отработавшие газы подаются обратно в двигатель только при частичном открытии дроссельной заслонки, когда во впускной системе имеется некоторое разрежение. При полном открытии дроссельной заслонки разрежение во впускной системе практически отсутствует, и клапан рециркуляции закрыт. Клапан рециркуляции закрыт и при полностью закрытой дроссельной заслонке, когда управляющее отверстие ( или отверстия ) в карбюраторе оказываются выше ее верхней кромки. Разрежение от карбюратора для управления клапаном рециркуляции поступает по гибкому шлангу и проходит через термовакуумный клапан 13, (рис. 15), который при низкой ( меньше 60°С ) температуре охлаждающей жидкости, препятствует поступлению разрежения в диафрагменную камеру клапана. Это делается для улучшения ездовых качеств непрогретого двигателя.

Термовакуумный клапан установлен на одном из шлангов 12 системы подогрева карбюратора и впускной трубы. Кроме выбрасываемых с отработавшими газами токсичных веществ, при эксплуатации автомобиля имеется еще один источник загрязнения атмосферы - это испарения из топливной системы. Топливные испарения, представляющие собой углеводороды, выделяются в основном из двух узлов: топливного бака и поплавковой камеры карбюратора, т.е. там, где имеется соприкосновение поверхности топлива с воздухом. Интенсивность испарения топлива из топливной системы резко возрастает при повышении температуры окружающего воздуха и может достигать значительной величины, сопоставимой с выбросом углеводородов с отработавшими газами.

В настоящее время выброс испарений из топливной системы, как и выброс токсичных веществ с отработавшими газами, жестко ограничивается международными нормами. Поэтому все современные зарубежные автомобили оборудуются специальными системами, называемыми системами улавливания паров топлива. Такой системой оборудованы и экспортные модели автомобилей ВАЗ.

Главным узлом системы улавливания паров топлива (рис. 16) является адсорбер - емкость объемом несколько литров, заполненная адсорбентом, т.е. веществом, поглощающим испарения топлива. В качестве адсорбента обычно используется активированный уголь, поэтому в переводной зарубежной литературе адсорбер часто называется «угольным бачком».

На автомобилях ВАЗ адсорбер устаноавливается на поперечной стенке моторного отсека за двигателем. На верхней части адсорбера 13 установлены два управляемых разрежением клапана 14 и 15 , имеющие рабочие диафрагмы и запорные органы. Рабочая полость диафрагмы клапана 15 сообщается с задроссельным пространством впускной трубы под карбюратором и при наличии в ней разрежения клапан закрыт. Управление клапаном 14 производится разрежением, отбираемым через тройник из штуцера 21 вакуумного регулятора опережения зажигания. Для сглаживания пульсации давления на вакуумном шланге управления клапаном имеется специальный демпфер 5 с жиклером и клапаном. Клапан 14 , в отличие от клапана 15, открыт при наличии разрежения в его рабочей полости. Через клапан 15 полость адсорбера через соединительный шланг сообщается со штуцером 1 отбора испарений на крышке поплавковой камеры карбюратра, а через клапан 14 и магистраль 20 - с задроссельным пространством впускной трубы. Нижняя часть адсорбера под слоем активированного угля сообщается с атмосферой через канал 12. Топливный бак 11 автомобиля имеет герметичную пробку и сообщается с атмосферой только через адсорбер. На магистрали, соединяющей топливный бак и адсорбер, имеются три устройства: сепаратор топлива 9, блокировочный клапан 8 и двухходовой клапан 7

Сепаратор топлива 9 установлен в верхней части бака и предназначен для предотвращения попадания жидкой фазы топлива в паровую магистраль. Блокировочный клапан 8 служит для запирания паровой магистрали при опрокидывании автомобиля в результате аварии и предотвращения вытекания топлива из бензобака. Двухходовой клапан 7 обеспечивает возможность движения паров топлива из бака или воздуха в бак при появлении минимального перепада давления. Познакомившись со схемой системы улавливания паров топлива, рассмотрим ее работу. На остановленном двигателе разрежение во впускной трубе отсутствует, при этом диафрагменный клапан 14 закрыт, а клапан 15 открыт, в результате чего топливные испарения из поплавковой камеры через штуцер 1 и трубопровод 17 свободно поступают в адсорбер, поглощаясь активированным углем. Одновременно пары топлива из бензобака, проходя сепаратор и аварийный блокировочный клапан, открывают своим давлением двухходовой клапан и также поступают в адсорбер. Таким образом, активированный уголь в адсорбере накапливает испарения топлива, не позволяя им выходить в атмосферу.

После запуска двигателя во впускной системе появляется разрежение, в результате чего клапан 15 закрывается и разобщает полость адсорбера и поплавковую камеру. Клапан 14 при работе прогретого двигателя на холостом ходу остается закрытым, т.к. дроссельные заслонки закрыты и в штуцере вакуумного регулятора распределителя зажигания разрежение отсутствует. В этом случае пары топлива из поплавковой камеры уносятся потоком воздуха в работающий двигатель, а пары топлива из бензобака могут либо продолжать поступать в адсорбер, либо, при появлении разрежения в баке вследствие расходования топлива, подсасываться обратно в бак поступающим туда через адсорбер воздухом. При нажатии на педаль управления карбюратором и открытии дроссельной заслонки первичной камеры по трубке 18 к клапану 14 начинает поступать разрежение от штуцера вакуумного регулятора опережения зажигания. В результате этого клапан 14 открывается и через трубку 20 сообщает адсорбер с задроссельным пространством впускной трубы. При этом в верхней полости адсорбера создается разрежение, вызывая подсасывание воздуха через слой насыщенного парами топлива адсорбента. Этот процесс носит название продувки или регенерации адсорбера, в результате которого после непродолжительной работы двигателя адсорбент полностью восстанавливает свои аккумулирующие свойства и становится способным вновь поглощать пары топлива после остановки двигателя.