Карбюраторные двигатели являются наиболее массовыми типами автомобильных бензиновых двигателей и еще долгое время будут сохранять лидирующие позиции в России и Украине. Их вклад в общее загрязнение атмосферы токсичными выбросами автомобилей составляет до 90 %.

Одним из наиболее опасных компонентов отработавших газов бензиновых двигателей автомобилей является оксид углерода (СО). Коварство этого токсичного вещества заключается в его кумулятивном действии (постепенном накоплении в организме человека) и отсутствии резких признаков (запаха, раздражающего действия).

Помимо опасности воздействия на окружающую среду угарный газ представляет смертельную опасность и для самих владельцев автомобилей при работе двигателей в невентилируемых помещениях, а также при попадании отработавших газов в салон (особенно в практикуемых случаях отсоединения патрубка отсоса картерных газов от впускного коллектора и вывода его в атмосферу).

В принципе при сгорании автомобильного топлива (реакции взаимодействия молекул углеводородов с кислородом воздуха) основными конечными продуктами являются безвредные вещества – углекислый газ и вода. Появление же в выхлопных газах оксида углерода обусловлено неполным сгоранием топлива и побочными реакциями взаимодействия конечных продуктов (воды и углекислого газа) с углеродом сажи (промежуточным продуктом, образующимся при недостатке кислорода).

Содержание токсичных соединений в отработавших газах определяется количеством перерабатываемого топлива в единицу времени (расход топлива двигателем) и выходом этих соединений на единицу перерабатываемого топлива. Поэтому для снижения токсичности отработавших газов необходимо:

• уменьшать расход топлива;
• увеличивать полноту сгорания.

Полнота сгорания топлива определяется в первую очередь соотношением концентраций реагентов. Оптимальное соотношение воздуха и бензина при работе двигателя составляет примерно 15 частей воздуха на одну весовую часть бензина и несколько изменяется в зависимости от режима работы двигателя. Характерная зависимость эмиссии оксида углерода с отработавшими газами карбюраторного двигателя от коэффициента избытка воздуха ? приведена на рис. 4.

Повышенная экологическая опасность карбюраторных двигателей объясняется в первую очередь тем, что в процессе эксплуатации на деталях карбюратора, впускном трубопроводе и впускных клапанах оседают смолистые соединения в результате разложения термически нестабильных компонентов топлива. Из-за сужения отверстий и каналов снижается разрежение во впускной системе двигателя и уменьшается подача воздуха в цилиндры. Коэффициент избытка воздуха ? становится меньше оптимального, что приводит к повышенной эмиссии СО в отработавших газах.


Рис. 4. Зависимость эмиссии оксида углерода в отработавших газах карбюраторного двигателя от коэффициента избытка воздуха (a).

При эксплуатации двигателя (особенно на низкосортном бензине) через 5 – 7 тыс. км пробега требуется корректировка карбюратора, а через 15 – 20 тыс. км его очистка. Снизить остроту данной проблемы позволяет применение моющих присадок к топливу. Однако в этом случае важно грамотное и регулярное применение таких присадок. Передозировка присадки часто приводит к повышенному количеству отложений на деталях топливной аппаратуры. Если моющие присадки применяют не регулярно, а от случая к случаю в ударных дозах, то образовавшиеся перед этим в больших количествах отложения смываются и, перемещаясь вместе с бензином, забивают топливные фильтры или оседают на клапанах и цилиндропоршневой группе. А в результате возможно прогорание клапанов, залегание поршневых колец, прорыв газов в картер.

Второй причиной увеличения содержания СО в отработавших газах карбюраторных двигателей является снижение компрессии в цилиндрах.


Рис. 5. Статистические данные зависимости концентрации СО в отработавших газах автомобилей от средней величины компрессии в цилиндрах (4- цилиндровые карбюраторные двигатели с рабочим объемом 1,4 - 2,0 л)

Снижение компрессии в цилиндрах двигателя при эксплуатации ведет к пропорциональному увеличению расхода топлива, а тем самым к повышению выделения оксида углерода. Однако зависимость между уменьшением компрессии в цилиндрах и повышением содержания СО в отработавших газах двигателя нелинейная.

Из приведенных статистических данных (рис. 5) видно, что содержание СО в отработавших газах (для 4-цилиндровых карбюраторных двигателей с рабочим объемом 1, 4 – 2 л вне зависимости от марки автомобиля) при среднем значении компрессии 14 ~ 12 атм. находится в пределах 0,1 – 0,5% объем., при компрессии в интервале 12 – 10 атм содержание СО составляет 0,5 - 1 %; при компрессии в интервале 10 – 8 атм содержание СО повышается до 2,5 %; а при компрессии 8 – 6 атм содержание оксида углерода достигает предельного значения 6 %.

Сравнительный анализ данных, приведенных на рис. 4 (зависимость выхода оксида углерода в отработавших газах карбюраторного двигателя от коэффициента избытка воздуха ? ) и рис. 5 (зависимость выхода оксида углерода от величины компрессии в цилиндрах) показывает идентичность этих зависимостей.

Такое совпадение данных зависимостей объясняется тем, что при уменьшении компрессии в цилиндрах двигателя нарушается оптимальное соотношение между воздухом и бензином в топливной смеси.

Количество воздуха, поступающего в цилиндры на такте впуска, зависит от величины разрежения (вакуума), создаваемого в цилиндрах и впускном тракте при движении поршня в нижнюю мертвую точку. При разгерметизации рабочего объема уменьшается как величина компрессии (давления, до которого сжимается топливовоздушная смесь) на такте сжатия, так и величина разрежения в цилиндрах на такте впуска. Вследствие этого, а также из-за ухудшения очистки цилиндров от отработавших газов на такте выпуска наполнение цилиндров свежим воздухом уменьшается.

Таким образом, карбюраторные двигатели с пониженной компрессией работают на переобогащенной смеси. Это приводит к избыточной зашлакованности поршней и камеры сгорания, замедлению процесса сгорания топлива, перегревам двигателя и протеканию побочных реакций взаимодействия конечных продуктов горения (углекислого газа и воды) с углеродом сажи, накапливающейся в рабочем объеме.

При снижении компрессии до значений меньших 10 атм выход оксида углерода в отработавших газах двигателя начинает резко возрастать. С точки зрения экологических требований эксплуатировать такие двигатели нельзя.