Захаров Е.А., Шумский С.Н. Экологические проблемы автомобильного транспорта

Подождите немного. Документ загружается.

В настоящее время монопольное положение принадлежит каталити-

ческим нейтрализаторам отработавших газов.

Сущность процессов каталитической нейтрализации заключается во

взаимодействии отработавших газов между собой или с избыточным ки-

слородом в присутствии катализатора, ускоряющего химические реакции.

При этом продукты неполного сгорания

СО

преобразуются в ко-

нечные продукты реакции –

СО

, а оксиды азота восстанавливаются

до

. Реакции нейтрализации в присутствии катализаторов начинаются

при температуре 250 °С. Преобразование наиболее эффективно в диапазо-

не температур от 400 до 800 °С.

Наиболее эффективными катализаторами являются благородные ме-

таллы – платина, палладий, рутений, родий.

Каталитические нейтрализаторы состоят из штампованного корпуса 1,

монолитного керамического либо металлического носителя 2 и эластичной

термоизоляционной прокладки 3 (рис. 3.7).

Керамический носитель пронизан продольными порами-сотами, на

поверхность которых нанесен активный каталитический слой. Поры обра-

зуют множество тонких каналов для пропуска отработавших газов. Благо-

даря специальной подложке толщиной 20…60 микрон с развитым микро-

рельефом общая площадь поверхности этого слоя может доходить до

20000 м

. Масса катализаторов, нанесенных на эту огромную площадь, со-

ставляет всего 2…3 грамма.

Металлический носитель представляет собой тончайшие соты, изго-

товленные из гофрированной фольги. Это позволяет увеличить площадь

рабочей поверхности по сравнению с керамическим носителем, снизить

сопротивление движению газов и ускорить разогрев блока до рабочей тем-

пературы.

Эластичная термоизоляционная прокладка служит для компенсации

различия термического расширения корпуса и носителя. Она также пред-

назначена для защиты носителя от вибрации, ударов, других механических

воздействий и может изготавливаться:

- в виде проволочной сетки из нержавеющей термостойкой стали;

- как подушка из волокон силиката алюминия с добавкой слюды.

вход ОГ

выход ОГ

Рис. 3.7. Схема каталитического нейтрализатора

Окислительные каталитические нейтрализаторы

дожигают в при-

сутствии платины и избытке кислорода оксид углерода и несгоревшие уг-

леводороды (рис. 3.8). Их недостатком является невозможность осуществ-

ления процессов восстановления оксидов азота.

Рис. 3.8. Схема окислительной нейтрализации отработавших газов:

1 – система толивоподачи; 2 – подача дополнительного воздуха;

3 – окислительный нейтрализатор.

Двухступенчатые каталитические нейтрализаторы

применяют для

преобразования всех трех токсичных компонентов:

СО

Они

состоят из двух частей, установленных последовательно (рис. 3.9). Первая

ступень восстанавливает оксиды азота при дефиците кислорода, а вторая

окисляет оксид углерода и несгоревшие углеводороды при принудитель-

ной подаче в нее воздуха.

Для создания восстановительной среды в первой ступени нейтрализа-

тора двигатель автомобиля регулируется на слегка обогащенную топливо-

воздушную смесь (

α ≈

0,98). Восстановительные реакции протекают по

следующей схеме:

;

222

OHNHNO

CONCONO

+→+

Окислительная среда во второй секции создается за счет подачи в нее

небольшого количества дополнительного воздуха. Реакции протекают по

следующей схеме:

;

222

nCOO

nHC

COOCO

+→

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

→+

Рис. 3.9. Схема двухступенчатой нейтрализации отработавших газов:

1 – система топливоподачи; 2 – восстановительная секция;

3 – окислительная секция; 4 – подача дополнительного воздуха

Двухступенчатые нейтрализаторы имеют относительно сложную кон-

струкцию. К тому же, использование богатых топливовоздушных смесей,

что необходимо для эффективного восстановления оксидов азота, приво-

дит к повышенному расходу топлива.

Применение различных катализаторов в соответствующей комбина-

ции позволяет обеспечить одновременное окисление оксида углерода и уг-

леводородов, а также восстановление оксидов азота. Нейтрализатор в этом

случае называется

трехкомпонентным

или

бифункциональным

. Например,

эффективным является триметаллический катализатор: платина, палладий,

родий в соотношении 1:16:1 или 1:28:1. Для снижения температуры дожи-

гания оксида углерода и углеводородов, кроме платины, иногда использу-

ют рутений. При использовании трехкомпонентных нейтрализаторов для

достижения высоких степеней очистки одновременно по

СО

требуется очень точная регулировка состава топливовоздушной смеси.

Эффективность очистки ОГ (в %) оценивается степенью преобразова-

ния:

()

,100⋅

−

вх

выхвх

где

вх

вых

– концентрация токсичных компонентов в ОГ на входе и на

выходе нейтрализатора.

В зоне

< 1 (рис. 3.10) по мере обогащения смеси эффективность ней-

трализатора сохраняется в отношении оксидов азота и резко снижается в

оношении

СО

из-за недостатка окислителя. В зоне

> 1 по мере

обеднения смеси эффективность уменьшается в отношении

, вследст-

вие того, что избыточный кислород, адсорбирующийся катализатором,

преобразует нейтрализатор тройного действия в нейтрализатор окисли-

тельного типа.

0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1 1,01 1,02 1,03 1,04

100

Степень преобразования, %

Рис. 3.10. Характеристика трехкомпонентного нейтрализатора

Обеспечить поддержание состава смеси

≅

1 с высокой точностью

удается путем использования системы ее регулирования с обратной связью

(рис. 3.11) и системы впрыска топлива.

Кислородный датчик (λ-зонд) системы с обратной связью устанавли-

вается в выпускной системе ДВС перед нейтрализатором. По своей сути

датчик является гальванической батареей, содержащей внешний 1 и внут-

ренний 3 электроды из пористой платины или ее сплава, которые разделе-

ны твердым электролитом 2 из двуокиси циркония (рис. 3.12).

Наружная сторона датчика находится в атмосфере, а внутренняя – в

выхлопных газах. Воздух из атмосферы действует как один полюс бата-

реи, а выхлопные газы – как другой. Ионная проводимость твердого элек-

тролита, возникающая вследствие разности парциальных давлений на

внешнем и внутреннем электродах, обусловливает появление разности

потенциалов

между ними. Чем выше содержание кислорода в ОГ, тем

ниже разность потенциалов, и ниже напряжение на выводах датчика. При

низком содержании кислорода (богатая смесь), разность потенциалов ме-

жду электродами высока и выходное напряжение колеблется от 450 до

1000 мВ.

Рис. 3.11. Схема системы с обратной связью: 1 – ДВС;

2 – система впрыска топлива;3 – электронный блок управления;

4 – кислородный датчик; 5 – трехкомпонентный нейтрализатор

Рис. 3.12. Схема кислородного датчика:

1, 3 – внешний и внутренний электроды;

2 – твердый электролит; 4 - выпускной коллектор

При переходе смеси через стехиометрический состав резко изменяет-

ся парциальное давление кислорода в ОГ. Это сопровождается изменени-

ем на порядок разности потенциалов и возникновением в характеристике

датчика скачка выходного напряжения (рис. 3.13).

Этот скачок (после усиления) воспринимается электронным блоком

управления, который корректирует длительность впрыска топлива, обес-

печивая стехиометрическое

соотношение топлива и воздуха в смеси во

всем диапазоне частот вращения и нагрузок.

0,85

0,9 0,95 1 1,05 1,1

1,15

200

400

600

800

1000

U, мВ

Рис. 3.13. Характеристика кислородного датчика

Датчики кислорода работают только при температуре не менее 300 °С.

Поэтому их располагают в выпускной трубе как можно ближе к двигателю.

Если это невозможно, используют датчики со встроенным электрическим

нагревателем.

Наиболее оптимальную регулировку процесса нейтрализации можно

обеспечить при использовании двух датчиков кислорода. Один из них, как

обычно, устанавливают перед нейтрализатором, а другой за ним. Второй

датчик предназначен для контроля работы системы нейтрализации.

Чтобы уменьшить время нагрева нейтрализатора до рабочих темпера-

тур и, как следствие, вредные выбросы на стадии прогрева, с начала 90-х

годов нейтрализатор располагают на автомобиле, как и кислородный дат-

чик, вблизи выпускного коллектора.

Для этого же иногда применяют пусковой каталитический нейтрали-

затор, работающий вплоть до прогрева основного нейтрализатора. Он раз-

мещается в специальном ответвлении выпускной системы, имеет меньшие,

чем основной, размеры и, стало быть, прогревается быстрее.

Для

обеспечения максимально долгой эффективной работы каталити-

ческого нейтрализатора необходимо придерживаться ряда правил. Во-

первых, использовать только рекомендованную заводом-изготовителем

марку топлива.

Во-вторых, во избежание пожара, не следует парковать автомобиль

над легко воспламеняющимися предметами, например сухими листьями,

травой, бумагой и т. п., так как во время и после работы двигателя корпус

нейтрализатора имеет достаточно высокую температуру.

В-третьих, следует соблюдать основные правила, приведенные в ин-

струкции по эксплуатации автомобилей, направленные на предупреждение

ситуации, когда в нейтрализатор может попасть значительное количество

несгоревшего топлива. В этом случае возможная вспышка может привести

к разрушению носителя катализатора. Наиболее общие рекомендации

можно изложить следующим образом:

−

не следует бесполезно крутить двигатель стартером длительное

время;

−

в холодное время года, если двигатель не запустился с первой по-

пытки, необходимо избегать повторных включений стартера через

короткие промежутки времени;

−

нельзя пускать двигатель путем буксировки;

−

запрещается проверять работу цилиндров, отключая свечи зажига-

ния.

Однако, даже при выполнении всех рекомендаций, эффективность

действия каталитического нейтрализатора снижается почти вдвое при про-

беге автомобиля около 100 тыс. км. и он должен подлежать замене.

Принцип работы

термических нейтрализаторов

основан на ускоре-

нии реакций окисления продуктов неполного сгорания (

СО

, альде-

гиды, частиц сажи) в термическом реакторе.

Термический реактор

(рис. 3.14) представляет

собой некоторый объем со

специальной организаци-

ей течения выхлопных га-

зов. Он устанавливается в

выпускной системе двига-

теля и осуществляет тер-

мическое доокисление

токсичных компонентов

за счет собственного теп-

ла отработавших газов.

Повысить их температуру

в реакторе можно сле-

дующими способами:

ОГ в атмосферу

ОГ из ДВС

Рис. 3.14. Схема термического реактора:

1 – корпус; 2 – тепловая изоляция;

3 – тепловой экран

−

уменьшением теплопотерь за счет теплоизолирования корпуса

реактора и применением тепловых экранов;

−

кратковременным уменьшением угла опережения зажигания;

−

подачей дополнительного топлива в объем реактора;

−

электроподогревом реактора.

В отличие от каталитических нейтрализаторов термические нейтрали-

заторы не выходят из строя со временем. Кроме того, эффективность их

работы не зависит от вида сжигаемого топлива и наличия присадок в топ-

ливе. Однако они не дают полного окисления

СО

и не восстанав-

ливают оксиды азота, поэтому применяются редко и, обычно, как допол-

нительные устройства перед каталитическим нейтрализатором.

Принцип действия

жидкостных нейтрализаторов

(рис. 3.15) основан

на пропускании отработавших газов через слой жидкости (обычно воды).

В результате этого эффективно поглощается сажа, бенз-а-пирен, оксиды

серы и формальдегиды. Для усиления эффекта нейтрализации в жидкост-

ных нейтрализаторах могут применяться химические растворы (напри-

мер, 10% - ный водный раствор сульфата натрия

ОГ в атмосферу

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

ОГ от ДВС

2 1

Рис. 3.15. Схема жидкостного нейтрализатора ОГ: 1 – перфорированная

трубка; 2 – слой жидкости; 3 – фильтр; 4 – заливная горловина

Данные нейтрализаторы находят ограниченное применение из-за ма-

лой эффективности в отношении большинства токсичных компонентов ОГ

и необходимости частой замены жидкости. Их используют на специальных

транспортных средствах, работающих в шахтах, тоннелях, карьерах и т. п.