Владимир Семенович Найман
Все о предпусковых обогревателях и отопителях
Глава 1
Проблемы зимнего пуска двигателя
Почему затруднен зимний пуск
Современный автомобиль предоставил его владельцу и пассажирам невиданные ранее комфорт и свободу передвижения. И все было бы ему, автомобилю, нипочем, если бы не зимняя стужа и заснеженные дороги. Редкий отказ двигателя в теплую погоду не воспринимается водителем столь драматически, как в зимнюю пору. А самым банальным отказом зимой исправного двигателя является отказ его запуска (или пуска). И причиной всему холод, холод. Да нередки и трагические исходы отказа автотранспортной техники, от которой порой зависит жизнь многих людей. Поэтому опытный водитель не пропустит подготовку автомобиля к зимней эксплуатации. Обеспечить зимой легкий и безотказный запуск двигателя помогут рассмотренные в данном справочнике устройства. Но прежде чем вам, читатель, знакомиться с ними, позвольте напомнить причины, почему затруднен зимний запуск автомобильного двигателя. Мы полагаем, что знание этих причин поможет вам успешнее справиться с проблемой зимнего пуска и выбрать наиболее подходящие необходимые устройства.
Итак, к главным причинам затруднений зимнего запуска относятся:
• рост крутящего момента сопротивления вращению коленчатого вала двигателя;
• уменьшение мощности стартера из-за снижения емкости аккумуляторной батареи;
• меньшая испаряемость топлива и ухудшение смесеобразования;
• увеличение требуемой пусковой частоты вращения коленчатого вала.
Действие всех этих причин при отрицательной наружной температуре проявляется одновременно, усугубляя и затрудняя весь процесс запуска. Многолетний опыт эксплуатации показывает, что при температуре -18 °C емкость аккумуляторной батареи (АКБ) составляет от первоначальной 40 %, а сопротивление крутящему моменту возрастает на 210 % (при использовании всесезонного масла).
Для корректности влияние температуры на АКБ надо определять по изменению тока холодной прокрутки. Эта величина, в соответствии со стандартами, нормируется каждым изготовителем АКБ только для температуры -18 °C. Для полностью заряженной и новой АКБ емкостью 50–60 А/ч ток холодной прокрутки находится в пределах 300–500 А. Если стартерный ток типовой АКБ 6СТ-55 при температуре 25 °C может достигать 400 А при напряжении 9 В, то при температуре -30 °C он снизится до 200 А. И с каждой новой попыткой неуспешного запуска его величина будет все меньше и меньше. Хотя технологии производства аккумуляторных батарей и улучшаются, но эти изменения почти не повлияли на степень снижения их стартерного тока при отрицательной температуре. При сравнении стартерных токов АКБ разных изготовителей надо обращать внимание на вид стандарта, для которого указан ток холодной прокрутки. В зависимости от стандарта различия по величине тока могут быть значительны. Так, для АКБ VARTA Blue Dynamic ток холодной прокрутки в стандарте EN равен 420 А, а в стандарте DIN он будет составлять всего 255 А. Естественно, если не принимать во внимание цены, то предпочтение следует отдавать АКБ с большим значением тока прокрутки. Рекордсменом, по-видимому, по его значению является АКБ компании Optima Batteries, имеющая ток холодной прокрутки в 750 А при емкости 52 А ч. При слабой АКБ поэтому еще нередки случаи, когда для запуска холодного двигателя ее снимают и помещают на несколько часов в теплое помещение для восстановления емкости. Опытные водители рекомендуют для некоторого «разогрева» АКБ перед пуском двигателя включить на десяток секунд ближний свет. Но эти действия по облегчению зимнего запуска даже отнести к полумерам нельзя. Требования к параметрам и состоянию АКБ для зимнего запуска двигателя существенно снижаются только при его подогреве.
Увеличение требуемого для запуска крутящего момента при отрицательных температурах можно существенно уменьшить, применяя синтетические и полусинтетические масла. Но все же избежать увеличения требуемого крутящего момента таким образом не удается. Поэтому в российском климате прогрев двигателя и салона автомобиля перед пуском, а иногда и во время движения – необходимое условие его нормальной эксплуатации.
Образование нормальной горючей смеси в двигателе оказывает большое влияние на успешность его запуска. Качество воздушно-топливной смеси зависит от испаряемости топлива, т. е. от способности топлива переходить из жидкого состояния в газообразное. Испарение бензинового топлива происходит в основном в интервале от 35 °C до 200 °C. Причем испаряются так называемые легкие фракции бензина, которые именно и нужны в период пуска холодного двигателя. Но в качественном бензине их содержание должно быть ограничено, поскольку большее их количество в горячем двигателе приведет к образованию в топливной системе паровых пробок, вызывающих перебои в работе двигателя. В связи с этим предусмотрен «зимний» бензин, у которого испаряемость почти в три раза выше «летнего», что должно обеспечивать надежный запуск при -15-20 °C. Но применять «зимний» бензин при +5 °C и выше не следует из-за возможности образования паровых пробок. С «летним» сортом бензина запуск двигателя уже затруднен при -5 °C. К сожалению, поставщики топлива не информируют потребителя о его качестве и сорте. Каким сортом бензина вы, читатель, заправите завтра свой автомобиль, не знает даже сам Господь Бог. Поэтому пока в этой сфере водителю приходится ориентироваться на автозаправочные станции, принадлежащие авторитетным крупным нефтяным компаниям. Схожая с описанной ситуация, но только более острая, наблюдается и с дизельным топливом. Для знакомства с ней отсылаем вас к главе 6.
Поступающая в двигатель топливная смесь в рабочем режиме, когда двигатель уже прогрет, дополнительно еще подогревается во впускном коллекторе горячей охлаждающей жидкостью. Но при пуске впускной коллектор так же холоден, как и сам двигатель. В холодном двигателе при запуске топливо конденсируется на стенках цилиндров, смывая масляную пленку и увеличивая износ деталей цилиндропоршневой группы. Данные Технологического института в Осло показывают, что каждый холодный старт двигателя (т. е. запуск при температуре ниже +5 °C) сокращает его ресурс на 400–600 км (рис. 1.1). Поэтому все большей популярностью среди отечественных автовладельцев пользуются предпусковые отопители-подогреватели двигателя и салона.
Рис. 1.1. Износ при пуске деталей двигателя, прогретого с помощью подогревателя DEFA: а) гильзы блока цилиндров (железо); б) легированные поршневые кольца (кобальт) (от компании DEFA).
Изготовители предпусковых отопителей и подогревателей рекомендуют подогревать двигатель всегда, когда наружная температура стала ниже +5 °C. Несложно подсчитать экономию моторесурса при использовании предпускового подогревателя, если учесть, что в средней полосе России наблюдается не менее 100 дней с температурой не более 0 °C. При применении подогрева двигателя дважды в день можно ежегодно сэкономить расход моторесурса до 80 000 км.
Упомянем последнюю причину затруднения зимнего пуска – необходимость увеличения пусковой частоты вращения коленчатого вала двигателя. Этот фактор есть следствие ухудшения смесеобразования при низких температурах, он объясняет трудность запуска, но отнюдь его не облегчает.
Интересно, что в авиации, где борьба за ресурс двигателя означает борьбу за жизнь, уже при температуре воздуха +5 °C производится подогрев масла до 15 °C, а головок цилиндров – до 30 °C. Причем для уменьшения износа мотора винт вручную проворачивают на 4–6 оборотов.
Итак, к главным причинам затруднений зимнего запуска относятся:
• рост крутящего момента сопротивления вращению коленчатого вала двигателя;
• уменьшение мощности стартера из-за снижения емкости аккумуляторной батареи;
• меньшая испаряемость топлива и ухудшение смесеобразования;
• увеличение требуемой пусковой частоты вращения коленчатого вала.
Действие всех этих причин при отрицательной наружной температуре проявляется одновременно, усугубляя и затрудняя весь процесс запуска. Многолетний опыт эксплуатации показывает, что при температуре -18 °C емкость аккумуляторной батареи (АКБ) составляет от первоначальной 40 %, а сопротивление крутящему моменту возрастает на 210 % (при использовании всесезонного масла).
Для корректности влияние температуры на АКБ надо определять по изменению тока холодной прокрутки. Эта величина, в соответствии со стандартами, нормируется каждым изготовителем АКБ только для температуры -18 °C. Для полностью заряженной и новой АКБ емкостью 50–60 А/ч ток холодной прокрутки находится в пределах 300–500 А. Если стартерный ток типовой АКБ 6СТ-55 при температуре 25 °C может достигать 400 А при напряжении 9 В, то при температуре -30 °C он снизится до 200 А. И с каждой новой попыткой неуспешного запуска его величина будет все меньше и меньше. Хотя технологии производства аккумуляторных батарей и улучшаются, но эти изменения почти не повлияли на степень снижения их стартерного тока при отрицательной температуре. При сравнении стартерных токов АКБ разных изготовителей надо обращать внимание на вид стандарта, для которого указан ток холодной прокрутки. В зависимости от стандарта различия по величине тока могут быть значительны. Так, для АКБ VARTA Blue Dynamic ток холодной прокрутки в стандарте EN равен 420 А, а в стандарте DIN он будет составлять всего 255 А. Естественно, если не принимать во внимание цены, то предпочтение следует отдавать АКБ с большим значением тока прокрутки. Рекордсменом, по-видимому, по его значению является АКБ компании Optima Batteries, имеющая ток холодной прокрутки в 750 А при емкости 52 А ч. При слабой АКБ поэтому еще нередки случаи, когда для запуска холодного двигателя ее снимают и помещают на несколько часов в теплое помещение для восстановления емкости. Опытные водители рекомендуют для некоторого «разогрева» АКБ перед пуском двигателя включить на десяток секунд ближний свет. Но эти действия по облегчению зимнего запуска даже отнести к полумерам нельзя. Требования к параметрам и состоянию АКБ для зимнего запуска двигателя существенно снижаются только при его подогреве.
Увеличение требуемого для запуска крутящего момента при отрицательных температурах можно существенно уменьшить, применяя синтетические и полусинтетические масла. Но все же избежать увеличения требуемого крутящего момента таким образом не удается. Поэтому в российском климате прогрев двигателя и салона автомобиля перед пуском, а иногда и во время движения – необходимое условие его нормальной эксплуатации.
Образование нормальной горючей смеси в двигателе оказывает большое влияние на успешность его запуска. Качество воздушно-топливной смеси зависит от испаряемости топлива, т. е. от способности топлива переходить из жидкого состояния в газообразное. Испарение бензинового топлива происходит в основном в интервале от 35 °C до 200 °C. Причем испаряются так называемые легкие фракции бензина, которые именно и нужны в период пуска холодного двигателя. Но в качественном бензине их содержание должно быть ограничено, поскольку большее их количество в горячем двигателе приведет к образованию в топливной системе паровых пробок, вызывающих перебои в работе двигателя. В связи с этим предусмотрен «зимний» бензин, у которого испаряемость почти в три раза выше «летнего», что должно обеспечивать надежный запуск при -15-20 °C. Но применять «зимний» бензин при +5 °C и выше не следует из-за возможности образования паровых пробок. С «летним» сортом бензина запуск двигателя уже затруднен при -5 °C. К сожалению, поставщики топлива не информируют потребителя о его качестве и сорте. Каким сортом бензина вы, читатель, заправите завтра свой автомобиль, не знает даже сам Господь Бог. Поэтому пока в этой сфере водителю приходится ориентироваться на автозаправочные станции, принадлежащие авторитетным крупным нефтяным компаниям. Схожая с описанной ситуация, но только более острая, наблюдается и с дизельным топливом. Для знакомства с ней отсылаем вас к главе 6.
Поступающая в двигатель топливная смесь в рабочем режиме, когда двигатель уже прогрет, дополнительно еще подогревается во впускном коллекторе горячей охлаждающей жидкостью. Но при пуске впускной коллектор так же холоден, как и сам двигатель. В холодном двигателе при запуске топливо конденсируется на стенках цилиндров, смывая масляную пленку и увеличивая износ деталей цилиндропоршневой группы. Данные Технологического института в Осло показывают, что каждый холодный старт двигателя (т. е. запуск при температуре ниже +5 °C) сокращает его ресурс на 400–600 км (рис. 1.1). Поэтому все большей популярностью среди отечественных автовладельцев пользуются предпусковые отопители-подогреватели двигателя и салона.
Изготовители предпусковых отопителей и подогревателей рекомендуют подогревать двигатель всегда, когда наружная температура стала ниже +5 °C. Несложно подсчитать экономию моторесурса при использовании предпускового подогревателя, если учесть, что в средней полосе России наблюдается не менее 100 дней с температурой не более 0 °C. При применении подогрева двигателя дважды в день можно ежегодно сэкономить расход моторесурса до 80 000 км.
Упомянем последнюю причину затруднения зимнего пуска – необходимость увеличения пусковой частоты вращения коленчатого вала двигателя. Этот фактор есть следствие ухудшения смесеобразования при низких температурах, он объясняет трудность запуска, но отнюдь его не облегчает.
Интересно, что в авиации, где борьба за ресурс двигателя означает борьбу за жизнь, уже при температуре воздуха +5 °C производится подогрев масла до 15 °C, а головок цилиндров – до 30 °C. Причем для уменьшения износа мотора винт вручную проворачивают на 4–6 оборотов.
Что дает подогрев двигателя
Сразу отметим главное преимущество предпускового подогрева двигателя – гарантированный запуск двигателя зимой, не зависящий от температуры окружающей среды. Он снимет у вас, уважаемый читатель и водитель, чувство неуверенности в успешности запуска, вы перестанете нервничать и опаздывать на работу и деловые встречи. Также надо отметить, что подогрев двигателя и салона – это основа вашего личного комфорта и безопасности, экономичности и долговечности, а также и экологической чистоты автомобиля.
Вот какие преимущества дает предпусковой подогрев еще до начала поездки:
• двигатель прогрет и легко заводится – а это не только экономит время и силы, но и позволяет заметно снизить потребление топлива, общую нагрузку на аккумулятор, износ двигателя и объем вредных выбросов;
• в салоне тепло, что повышает удобство вождения, улучшает реакцию и дает возможность спокойно пристегнуть ремень (не нужно сидеть в машине в громоздкой верхней одежде);
• стекла свободны ото льда и снега, не запотевают, не примерзают «дворники», отсюда хороший обзор с самого начала поездки и повышение ее безопасности в целом.
Особо подчеркнем повышение безопасности поездки. Психологи отмечают поразительное воздействие холода на человека. Действия замерзшего человека порой такие же, как у полусонного, реакции замедленные и заторможенные. Внимание ослаблено. Этими факторами объясняется аварийная статистика, согласно которой 15 % всех ДТП происходит в первые 15 минут поездки. При комфортных условиях, обеспечиваемых предпусковым подогревом, все отрицательные моменты полностью исключаются.
С технической точки зрения предпусковой подогрев обеспечивает:
• легкий и надежный пуск холодного двигателя с 1–2 попыток и сокращение времени прокрутки стартера в несколько раз;
• сокращение времени прогрева двигателя до 40 °C более чем в 4 раза;
• снижение пускового тока стартера почти до стандартного летнего значения;
• повышение частоты вращения коленвала;
• снижение расхода топлива на пуск от 1 л/10 км до 0,3 л/10 км;
• снижение вредных выбросов автомобиля.
Заметим, что многочисленные эксперименты, проведенные в Технологическом институте в Осло, показали, что применение предпускового подогрева приводит к 30 %-ному уменьшению расхода топлива при пуске. После прохождения расстояния в 3–4 км двигатель полностью прогревается, и расход топлива практически уже не зависит от того, был ли произведен предпусковой подогрев. Таким образом, наиболее заметная экономия топлива при подогреве двигателя происходит в процессе самого запуска и при пробеге первых 2–3 км пути.
Вот какие преимущества дает предпусковой подогрев еще до начала поездки:
• двигатель прогрет и легко заводится – а это не только экономит время и силы, но и позволяет заметно снизить потребление топлива, общую нагрузку на аккумулятор, износ двигателя и объем вредных выбросов;
• в салоне тепло, что повышает удобство вождения, улучшает реакцию и дает возможность спокойно пристегнуть ремень (не нужно сидеть в машине в громоздкой верхней одежде);
• стекла свободны ото льда и снега, не запотевают, не примерзают «дворники», отсюда хороший обзор с самого начала поездки и повышение ее безопасности в целом.
Особо подчеркнем повышение безопасности поездки. Психологи отмечают поразительное воздействие холода на человека. Действия замерзшего человека порой такие же, как у полусонного, реакции замедленные и заторможенные. Внимание ослаблено. Этими факторами объясняется аварийная статистика, согласно которой 15 % всех ДТП происходит в первые 15 минут поездки. При комфортных условиях, обеспечиваемых предпусковым подогревом, все отрицательные моменты полностью исключаются.
С технической точки зрения предпусковой подогрев обеспечивает:
• легкий и надежный пуск холодного двигателя с 1–2 попыток и сокращение времени прокрутки стартера в несколько раз;
• сокращение времени прогрева двигателя до 40 °C более чем в 4 раза;
• снижение пускового тока стартера почти до стандартного летнего значения;
• повышение частоты вращения коленвала;
• снижение расхода топлива на пуск от 1 л/10 км до 0,3 л/10 км;
• снижение вредных выбросов автомобиля.
Заметим, что многочисленные эксперименты, проведенные в Технологическом институте в Осло, показали, что применение предпускового подогрева приводит к 30 %-ному уменьшению расхода топлива при пуске. После прохождения расстояния в 3–4 км двигатель полностью прогревается, и расход топлива практически уже не зависит от того, был ли произведен предпусковой подогрев. Таким образом, наиболее заметная экономия топлива при подогреве двигателя происходит в процессе самого запуска и при пробеге первых 2–3 км пути.
Вредные выбросы и подогрев двигателя
Все современные автомобили проектируются и изготавливаются с учетом жестких требований по уровню токсичных выбросов. Несмотря на актуальность общей задачи снижения выбросов, рядовой автовладелец интересуется величиной выброса своего автомобиля только при прохождении техосмотра. Хотя многие радикальные сегодняшние конструкторские решения в автомобиле связаны с этой проблемой. Только новые требования стандарта Евро III установили жесткую норму выброса при пуске двигателя. Рассмотрим ситуацию с выбросами в российском автопарке и определим, насколько предпусковой подогрев двигателя может помочь снизить их уровень.
Состав вредных выбросов. Распространенностью различных астматических и аллергических заболеваний мы «обязаны» ухудшившейся экологической обстановке. Медики утверждают, что ядовитые выхлопы автомобиля сокращают продолжительность нашей жизни как минимум на 4–5 лет. Снижения общего объема токсичных выхлопов автомобилей в ближайшие годы не приходится ожидать из-за плохого качественного состава нашего автопарка, автомобили которого в большинстве своем стары физически и морально. Они находятся на «нулевом экологическом уровне», который определяется требованиями самих первых Правил ЕЭК ООН (№ 83-02А), внедренных в Европе еще в начале 90-х гг. Обновление автопарка, конечно, будет происходить, но в целом недостаточными темпами. Некоторая часть автомашин исчезнет естественной смертью. Другая же, большая часть из-за низкого общего уровня жизни превратится в «долгожителей», продолжая отравлять воздух. Ожидается, что ситуация несколько улучшится после 2004–2005 г., когда все (95 %) новые российские автомобили должны будут соответствовать требованиям Евро II. Таким образом, проблема снижения вредных выбросов существующим старым парком автомобилей будет являться актуальной, по нашим оценкам, еще десяток лет.
В составе выхлопа автомобиля содержатся следующие токсичные вещества:
• окись углерода (монооксид) СО есть результат неполного сгорания топлива, основной продукт выброса;
• оксиды азота NO и NO2 (обозначаемые для краткости NO X) образуются при высокой температуре сгорания. Составляют меньшую часть;
• углеводород СН есть результат разложения углеводородов топлива;
• частицы топлива.
Величина выброса измеряется в граммах на 1 км пробега и в процентных долях общего выброса. Ранее измерялось количество выбросов за цикл испытаний, имитирующих езду в городе и за городом. Принципиальным вопросом в требованиях и измерениях является то, что первыми правилами ЕЭК не предъявлялись (и следовательно, они не измерялись) требования к величине выбросов в период пуска двигателя. А ведь они и составляют большинство объема выброса, доходящего до 70–80 %, в абсолютных единицах: СО – 180 г/км, СО2 – 320 г/км. Особенно значительна величина выброса в течение времени прогрева двигателя при отрицательных температурах окружающей среды.
Даже в автомобилях 90-х гг. с катализаторами по Евро I, которых сегодня насчитывается в России всего лишь примерно 22 %, она остается в период прогрева двигателя практически неизменно большой. Что объясняется принципом работы катализатора. Выхлопы двигателя нагревают катализатор, для нормальной работы которого требуется высокая температура. При холодном катализаторе эффективность очистки выхлопных газов невелика. В зависимости от температуры окружающей среды автомобиль должен проехать несколько километров, прежде чем катализатор разогреется и начнет эффективно очищать выхлопы. Кроме этого, для пуска двигателя в холодное время года используется более обогащенная топливная смесь. Это, в свою очередь, увеличивает выброс монооксида углерода СО и углеводорода СН. Но эти вредные выбросы могут быть значительно уменьшены, если двигатель предварительно прогрет (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Выбросы в выхлопе автомобиля: а) уровень СО при пуске холодного и прогретого двигателя подогревателем DEFA; б) относительное уменьшение выбросов прогретого двигателя при температуре -20 °C (от компании DEFA).
В зависимости от числа холодных пусков в течение года каждый отдельно взятый автомобилист, применив подогрев, может уменьшить свою долю вредных выбросов на 60–80 %. Последние исследования показали, что зимой после запуска холодного двигателя 90 % всех вредных выбросов СО и СН происходит именно во время первых километров движения. При запуске предварительно прогретого двигателя содержание вредных газов в выхлопе значительно уменьшается (в 5 раз), поэтому использование подогревателя мотора в холодное время года имеет огромный экологический эффект.
Нормы выбросов. Каковы же абсолютные величины выбросов? До введения Евро I выбросы автомобиля, согласно Правилу R83, не должны были превышать 25 г/км (без учета пуска). Если принять, что среднестатистический автомобиль в год пробегает 10 000 км, то за год их величина не должна превысить 250 кг. Выбросы автомобиля, по Евро I, уже не должны превышать 3,7 г/км (без учета выбросов при пуске). При пробеге в 10 000 км их объем составит 37 кг на один автомобиль. Норвежская автомобильная ассоциация считает, что для автомашин, по Евро I и Евро II, обьем выбросов при одиночном пуске эквивалентен 100 км пробега, т. е. составляет 100–300 г. Если же допустить, что в течение года производится 500 холодных пусков (по 2 в день), то годовой средний выброс одного автомобиля с учетом пусковой эмиссии составит 69 кг. При этом суммарный годовой выброс всеми автомобилями, например, Петербурга достигнет огромной величины в 90 000 тонн!
Перспективы снижения выбросов. Да, они имеются. С 1998 г. начали действовать в Европе нормы Евро II с дополнениями. Автомобили, выпущенные согласно Евро II, должны иметь выброс, меньший 2,7 г/км, а Евро III – 2,5 г/км (см. таблицу 1.1).
* Для пускового режима при -7 °C.
Казалось бы, величина уменьшилась незначительно. Но главное изменение в том, что Евро III уже частично регламентирует величину выбросов при пуске двигателя. Правда, величина выбросов регламентирована для пуска двигателя при температуре -7 °C, что, конечно, не соответствует средней зимней температуре в России. Ну а по сравнению с суммарной нормой в прогретом двигателе в 2,5 г/км норма на пусковые выбросы больше их в 6 раз и составляет 15 г/км.
На основании этих данных можно подсчитать средний годовой объем выбросов при условии пробега в 10 000 км и 500 холодных пусков c эквивалентным пробегом 4 км. Как видно из таблиц 1.2 и 1.3, применяя предпусковой подогрев для автомашин с катализатором, можно добиться снижения годовых выбросов до величины 13,7 кг, т. е. в пять раз. Но таких «хороших» машин в сегодняшней России всего 22 %, поэтому для среднестатистического российского автомобиля уменьшение суммарного выброса будет всего в 1,7 раза, что тоже существенно. Применение предпускового подогрева позволяет среднестатистическому автомобилю иметь выбросы намного меньшие, чем это допускают нормы Eвро III.
Европа готовится к новым нормам Евро IV, но, судя по всему, нам до них еще далеко.
* Данные Норвежской автомобильной ассоциации, для автомобиля с катализатором по нормам Евро I и II.
** Выбросы для среднего российского автомобиля.
Состав вредных выбросов. Распространенностью различных астматических и аллергических заболеваний мы «обязаны» ухудшившейся экологической обстановке. Медики утверждают, что ядовитые выхлопы автомобиля сокращают продолжительность нашей жизни как минимум на 4–5 лет. Снижения общего объема токсичных выхлопов автомобилей в ближайшие годы не приходится ожидать из-за плохого качественного состава нашего автопарка, автомобили которого в большинстве своем стары физически и морально. Они находятся на «нулевом экологическом уровне», который определяется требованиями самих первых Правил ЕЭК ООН (№ 83-02А), внедренных в Европе еще в начале 90-х гг. Обновление автопарка, конечно, будет происходить, но в целом недостаточными темпами. Некоторая часть автомашин исчезнет естественной смертью. Другая же, большая часть из-за низкого общего уровня жизни превратится в «долгожителей», продолжая отравлять воздух. Ожидается, что ситуация несколько улучшится после 2004–2005 г., когда все (95 %) новые российские автомобили должны будут соответствовать требованиям Евро II. Таким образом, проблема снижения вредных выбросов существующим старым парком автомобилей будет являться актуальной, по нашим оценкам, еще десяток лет.
В составе выхлопа автомобиля содержатся следующие токсичные вещества:
• окись углерода (монооксид) СО есть результат неполного сгорания топлива, основной продукт выброса;
• оксиды азота NO и NO2 (обозначаемые для краткости NO X) образуются при высокой температуре сгорания. Составляют меньшую часть;
• углеводород СН есть результат разложения углеводородов топлива;
• частицы топлива.
Величина выброса измеряется в граммах на 1 км пробега и в процентных долях общего выброса. Ранее измерялось количество выбросов за цикл испытаний, имитирующих езду в городе и за городом. Принципиальным вопросом в требованиях и измерениях является то, что первыми правилами ЕЭК не предъявлялись (и следовательно, они не измерялись) требования к величине выбросов в период пуска двигателя. А ведь они и составляют большинство объема выброса, доходящего до 70–80 %, в абсолютных единицах: СО – 180 г/км, СО2 – 320 г/км. Особенно значительна величина выброса в течение времени прогрева двигателя при отрицательных температурах окружающей среды.
Даже в автомобилях 90-х гг. с катализаторами по Евро I, которых сегодня насчитывается в России всего лишь примерно 22 %, она остается в период прогрева двигателя практически неизменно большой. Что объясняется принципом работы катализатора. Выхлопы двигателя нагревают катализатор, для нормальной работы которого требуется высокая температура. При холодном катализаторе эффективность очистки выхлопных газов невелика. В зависимости от температуры окружающей среды автомобиль должен проехать несколько километров, прежде чем катализатор разогреется и начнет эффективно очищать выхлопы. Кроме этого, для пуска двигателя в холодное время года используется более обогащенная топливная смесь. Это, в свою очередь, увеличивает выброс монооксида углерода СО и углеводорода СН. Но эти вредные выбросы могут быть значительно уменьшены, если двигатель предварительно прогрет (рис. 1.2).
В зависимости от числа холодных пусков в течение года каждый отдельно взятый автомобилист, применив подогрев, может уменьшить свою долю вредных выбросов на 60–80 %. Последние исследования показали, что зимой после запуска холодного двигателя 90 % всех вредных выбросов СО и СН происходит именно во время первых километров движения. При запуске предварительно прогретого двигателя содержание вредных газов в выхлопе значительно уменьшается (в 5 раз), поэтому использование подогревателя мотора в холодное время года имеет огромный экологический эффект.
Нормы выбросов. Каковы же абсолютные величины выбросов? До введения Евро I выбросы автомобиля, согласно Правилу R83, не должны были превышать 25 г/км (без учета пуска). Если принять, что среднестатистический автомобиль в год пробегает 10 000 км, то за год их величина не должна превысить 250 кг. Выбросы автомобиля, по Евро I, уже не должны превышать 3,7 г/км (без учета выбросов при пуске). При пробеге в 10 000 км их объем составит 37 кг на один автомобиль. Норвежская автомобильная ассоциация считает, что для автомашин, по Евро I и Евро II, обьем выбросов при одиночном пуске эквивалентен 100 км пробега, т. е. составляет 100–300 г. Если же допустить, что в течение года производится 500 холодных пусков (по 2 в день), то годовой средний выброс одного автомобиля с учетом пусковой эмиссии составит 69 кг. При этом суммарный годовой выброс всеми автомобилями, например, Петербурга достигнет огромной величины в 90 000 тонн!
Перспективы снижения выбросов. Да, они имеются. С 1998 г. начали действовать в Европе нормы Евро II с дополнениями. Автомобили, выпущенные согласно Евро II, должны иметь выброс, меньший 2,7 г/км, а Евро III – 2,5 г/км (см. таблицу 1.1).
Таблица 1.1. Нормы токсичности выбросов автомобилей
Казалось бы, величина уменьшилась незначительно. Но главное изменение в том, что Евро III уже частично регламентирует величину выбросов при пуске двигателя. Правда, величина выбросов регламентирована для пуска двигателя при температуре -7 °C, что, конечно, не соответствует средней зимней температуре в России. Ну а по сравнению с суммарной нормой в прогретом двигателе в 2,5 г/км норма на пусковые выбросы больше их в 6 раз и составляет 15 г/км.
На основании этих данных можно подсчитать средний годовой объем выбросов при условии пробега в 10 000 км и 500 холодных пусков c эквивалентным пробегом 4 км. Как видно из таблиц 1.2 и 1.3, применяя предпусковой подогрев для автомашин с катализатором, можно добиться снижения годовых выбросов до величины 13,7 кг, т. е. в пять раз. Но таких «хороших» машин в сегодняшней России всего 22 %, поэтому для среднестатистического российского автомобиля уменьшение суммарного выброса будет всего в 1,7 раза, что тоже существенно. Применение предпускового подогрева позволяет среднестатистическому автомобилю иметь выбросы намного меньшие, чем это допускают нормы Eвро III.
Европа готовится к новым нормам Евро IV, но, судя по всему, нам до них еще далеко.
Таблица 1.2. Годовой выброс легкового автомобиля
** Выбросы для среднего российского автомобиля.
Таблица 1.3. Снижение годовых выбросов при предпусковом подогреве двигателя автомобиля с катализатором по нормам Евро I и II
Виды оборудования для подогрева двигателей и отопления салона
Главные устройства, которые рассматриваются в этом справочнике, относятся к системам предпускового подогрева двигателей и обогрева салона. Отдельную категорию устройств, которые мы также представили ниже, составляют воздушные отопители кабин, салона и грузовых отсеков. К комплексу средств, предназначенных для обеспечения надежной работы дизельных двигателей, относятся подогреватели дизельного топлива.
В системах предпускового подогрева и обогрева по своей распространенности выделяются жидкостные отопители-подогреватели, которые одновременно выполняют функции и подогрева двигателя, и обогрева салона. Они относятся к категории автономных (независимых) систем. Автономные системы для подогрева двигателя и салона используют тепловую энергию, образующуюся от сжигания топлива, на котором работает двигатель автомобиля. Соответственно они подразделяются на бензиновые и дизельные. В качестве теплоносителя в автономных системах используется жидкость автомобильной системы охлаждения двигателя. Поэтому часто автономные системы называют жидкостными отопителями. Подогрев двигателя в неавтономных системах производится с помощью электрических подогревателей, работающих от бытовой электросети. Теплоносителем большинства неавтономных систем также является охлаждающая жидкость. Менее распространены неавтономные системы, осуществляющие подогрев непосредственным контактом подогревателя с рубашкой или поддоном двигателя (см. главу 3).
В специальную группу систем подогрева мы включили автосигнализации с дистанционным запуском двигателя и тепловые аккумуляторы. Используя периодически дистанционный запуск двигателя, предусмотренный в автосигнализациях, удается поддерживать температуру двигателя таким образом, чтобы следующий его запуск был «легким» и безотказным (глава 4). В тепловых аккумуляторах, представляющих своеобразный термос, сохраняется нагретая охлаждающая жидкость, которая при очередном запуске двигателя циркулирует в его системе охлаждения. В результате ее циркуляции двигатель подогревается (глава 5).
Воздушные отопители представляют отдельный класс устройств, предназначенных для обогрева салона и отсеков легковых, грузовых автомобилей и микроавтобусов. Подогрев двигателя они не производят. Они также подразделяются на автономные и зависимые. В отопителях первого вида нагрев воздуха салона происходит за счет тепла, выделяемого в отопителе при сгорании топлива. Для этого питание воздушных отопителей производится от топливной системы автомобиля или от специального бака. В зависимых воздушных отопителях нагрев воздуха производится с помощью теплообменника (радиатора), через который проходит охлаждающая двигатель жидкость. Теплообменник продувается воздухом от встроенного вентилятора, запитанного от бортовой сети автомобиля.
Подогреватели сидений являются дополнительным оборудованием автомобиля и осуществляют подогрев сидений с помощью бортовой электросети автомобиля. В специальной комплектации с неавтономными системами подогрев сидений можно осуществить и от внешней электросети одновременно с подогревом двигателя (глава 8).
К последней группе устройств отнесены подогреватели топлива, сконструированные в виде подогреваемых топливозаборников или насадок на топливопроводы (см. главу 6).
Эти компактные устройства со встроенной автоматикой являются по сути «печкой», работающей на бензиновом или дизельном топливе. Потребительские качества этих систем, обеспечившие комфорт и безопасность в сочетании с экономичностью и экологичностью, получили мировое признание. Независимость автономных отопителей от источников внешней энергии способствовала в немалой степени их популярности. Несмотря на очевидность принципа их работы, автономные отопители являются совершенными и сложными техническими устройствами. Нужно отметить, что главные оригинальные решения в их конструкции были направлены в первую очередь на получение автоматической работы без участия водителя и обеспечение безопасности использования.
Мировыми лидерами по разработке и внедрению автономных предпусковых отопителей в автомобили являются компании Webasto и Eberspаcher. Во многом их продукция является эталоном качества и совершенства, оказавшим заметное влияние на весь российский рынок климатического оборудования.
В системах предпускового подогрева и обогрева по своей распространенности выделяются жидкостные отопители-подогреватели, которые одновременно выполняют функции и подогрева двигателя, и обогрева салона. Они относятся к категории автономных (независимых) систем. Автономные системы для подогрева двигателя и салона используют тепловую энергию, образующуюся от сжигания топлива, на котором работает двигатель автомобиля. Соответственно они подразделяются на бензиновые и дизельные. В качестве теплоносителя в автономных системах используется жидкость автомобильной системы охлаждения двигателя. Поэтому часто автономные системы называют жидкостными отопителями. Подогрев двигателя в неавтономных системах производится с помощью электрических подогревателей, работающих от бытовой электросети. Теплоносителем большинства неавтономных систем также является охлаждающая жидкость. Менее распространены неавтономные системы, осуществляющие подогрев непосредственным контактом подогревателя с рубашкой или поддоном двигателя (см. главу 3).
В специальную группу систем подогрева мы включили автосигнализации с дистанционным запуском двигателя и тепловые аккумуляторы. Используя периодически дистанционный запуск двигателя, предусмотренный в автосигнализациях, удается поддерживать температуру двигателя таким образом, чтобы следующий его запуск был «легким» и безотказным (глава 4). В тепловых аккумуляторах, представляющих своеобразный термос, сохраняется нагретая охлаждающая жидкость, которая при очередном запуске двигателя циркулирует в его системе охлаждения. В результате ее циркуляции двигатель подогревается (глава 5).
Воздушные отопители представляют отдельный класс устройств, предназначенных для обогрева салона и отсеков легковых, грузовых автомобилей и микроавтобусов. Подогрев двигателя они не производят. Они также подразделяются на автономные и зависимые. В отопителях первого вида нагрев воздуха салона происходит за счет тепла, выделяемого в отопителе при сгорании топлива. Для этого питание воздушных отопителей производится от топливной системы автомобиля или от специального бака. В зависимых воздушных отопителях нагрев воздуха производится с помощью теплообменника (радиатора), через который проходит охлаждающая двигатель жидкость. Теплообменник продувается воздухом от встроенного вентилятора, запитанного от бортовой сети автомобиля.
Подогреватели сидений являются дополнительным оборудованием автомобиля и осуществляют подогрев сидений с помощью бортовой электросети автомобиля. В специальной комплектации с неавтономными системами подогрев сидений можно осуществить и от внешней электросети одновременно с подогревом двигателя (глава 8).
К последней группе устройств отнесены подогреватели топлива, сконструированные в виде подогреваемых топливозаборников или насадок на топливопроводы (см. главу 6).
Эти компактные устройства со встроенной автоматикой являются по сути «печкой», работающей на бензиновом или дизельном топливе. Потребительские качества этих систем, обеспечившие комфорт и безопасность в сочетании с экономичностью и экологичностью, получили мировое признание. Независимость автономных отопителей от источников внешней энергии способствовала в немалой степени их популярности. Несмотря на очевидность принципа их работы, автономные отопители являются совершенными и сложными техническими устройствами. Нужно отметить, что главные оригинальные решения в их конструкции были направлены в первую очередь на получение автоматической работы без участия водителя и обеспечение безопасности использования.
Мировыми лидерами по разработке и внедрению автономных предпусковых отопителей в автомобили являются компании Webasto и Eberspаcher. Во многом их продукция является эталоном качества и совершенства, оказавшим заметное влияние на весь российский рынок климатического оборудования.
Глава 2
Автономные предпусковые отопители и подогреватели
Устройство автономных отопителей
Предпусковой автономный отопитель представляет собой компактный прибор, который устанавливается в моторном отсеке. Теплообменник отопителя подсоединяется к охлаждающему контуру двигателя, электроника – к бортовой сети, а система подачи топлива – к топливному баку автомобиля.
Рассмотрим устройство типового автономного отопителя на примере системы Hydronic компании Eberspаcher (рис. 2.1). Патрубки отопителя, расположенные на его торцевой стороне, подсоединяются к жидкостной системе охлаждения автомобиля. А находящийся там же топливный патрубок – к топливной системе. Для подключения к бортовой сети автомобиля внизу отопителя находится кабель со штекером. Центральное место в отопителе занимает теплообменник с расположенной внутри камерой сгорания, в которой происходит горение топлива. В результате циркулирующая с помощью встроенного насоса жидкость в рубашке теплообменника нагревается и закачивается в двигатель, постепенно его нагревая.
Рис. 2.1. Устройство подогревателя-отопителя Hydronic: 1 – вентилятор; 2 – свеча накаливания; 3 – датчик пламени; 4 – блок управления с диагностикой; 5 – соединительный кабель со штекером; 6 – дозировочный топливный насос; 7 – вход воздуха сгорания; 8 – датчик перегрева; 9 – датчик температуры; 10 – выход отработавших газов; 11 – водяной насос; 12 – выход горячей охл. жидк.; 13 – вход холодной охл. жидк.; 14 – подача топлива; 15 – теплообменник; 16 – камера сгорания (изготовлена из нержавеющей стали); 17 – глушитель отработавших газов (от компании Otem).
Сразу после включения происходит продувка камеры сгорания с помощью электровентилятора отопителя для удаления остатков продуктов горения. Под действием поданного напряжения свеча накаливания разогревается и воспламеняет топливовоздушную смесь. Топливо подается в камеру сгорания дозировочным насосом, туда же с помощью электровентилятора поступает нужный для горения воздух. Воздух в горелке разгоняется подобно известному примусу, достигая скорости примерно 50 м/с. При работе отопителя слышен своеобразный гул. После прогрева камеры сгорания топливо самовоспламеняется от ее горячих стенок, а свеча накаливания выключается. Наличие горения контролирует датчик пламени. Также датчиками температуры и перегрева контролируется и автоматически регулируется состояние жидкости, циркулирующей в отопителях. Если температура жидкости превышает пороговую, то сокращается подача топлива, и мощность отопителя автоматически уменьшается, и он переходит в режим частичной нагрузки или выключается. При снижении температуры ниже пороговой отопитель включается вновь. Система диагностики, встроенной в блок управления, непрерывно контролирует работу и производит в необходимых случаях его аварийное отключение.
Рассмотрим устройство типового автономного отопителя на примере системы Hydronic компании Eberspаcher (рис. 2.1). Патрубки отопителя, расположенные на его торцевой стороне, подсоединяются к жидкостной системе охлаждения автомобиля. А находящийся там же топливный патрубок – к топливной системе. Для подключения к бортовой сети автомобиля внизу отопителя находится кабель со штекером. Центральное место в отопителе занимает теплообменник с расположенной внутри камерой сгорания, в которой происходит горение топлива. В результате циркулирующая с помощью встроенного насоса жидкость в рубашке теплообменника нагревается и закачивается в двигатель, постепенно его нагревая.
Сразу после включения происходит продувка камеры сгорания с помощью электровентилятора отопителя для удаления остатков продуктов горения. Под действием поданного напряжения свеча накаливания разогревается и воспламеняет топливовоздушную смесь. Топливо подается в камеру сгорания дозировочным насосом, туда же с помощью электровентилятора поступает нужный для горения воздух. Воздух в горелке разгоняется подобно известному примусу, достигая скорости примерно 50 м/с. При работе отопителя слышен своеобразный гул. После прогрева камеры сгорания топливо самовоспламеняется от ее горячих стенок, а свеча накаливания выключается. Наличие горения контролирует датчик пламени. Также датчиками температуры и перегрева контролируется и автоматически регулируется состояние жидкости, циркулирующей в отопителях. Если температура жидкости превышает пороговую, то сокращается подача топлива, и мощность отопителя автоматически уменьшается, и он переходит в режим частичной нагрузки или выключается. При снижении температуры ниже пороговой отопитель включается вновь. Система диагностики, встроенной в блок управления, непрерывно контролирует работу и производит в необходимых случаях его аварийное отключение.