Борьба с токсичностью отработавших газов бен­зиновых двигателей

1)Введение

2) Борьба с токсичностью отработавших газов бен­зиновых двигателей

Эволюция каталитических нейтрализаторов 

Устройство и принцип  действия каталитических нейтрализа­торов 

Разогрев каталитических нейтрализаторов 

Обратная связь 

Кислородные датчики 

Условия нормальной работы каталитических нейтрализаторов              3) Борьба с токсичностью отработавших газов ди­зельных двигателей

Комплексная очистка отработавших газов дизеля 

Сажевые фильтры 

Система DRNR (TOYOTA) 

Плазменный нейтрализатор 

Обратная связь дизеля 

Система SCR (MERCEDES–BENZ) 

 4)Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Загрязнение воздуха вредными выбросами автомобилей в конце  ХХ века стало одной из глобальных экологических проблем. Путь ее решения только один - автомобиль должен стать экологически чистым. Важное место здесь принадлежит системам нейтрализации, способным в несколько раз снизить токсичность выхлопных газов.

За долгое время существования  проблемы автомобильных выбросов и  загрязнения ими атмосферного воздуха было разработано множество методов и способов, позволяющих уменьшить количества выхлопов или снизить их токсичность. В настоящее время разрабатываются и претворяются в жизнь мероприятия по снижению загрязнения атмосферы выбросами автомобильных двигателей, включающие в себя:

1.усовершенствование конструкций  двигателей и повышение качеств  изготовления;

2.поиск новых видов  топлива, применение различных присадок к нему;

3.создание энергосиловых установок для автомобилей, выбрасывающих меньшее количество вредных веществ;

4.разработка устройств,  снижающих содержание вредных  компонентов в

отработавших газах.

Практика показала, что  при этом достичь уровня токсичности  отработавших

газов, требуемого законодательством развитых стран, первыми тремя способами нельзя. Поэтому получила широкое распространение нейтрализация отработавших газов в системе выпуска. В этом случае токсичные пары, вышедшие из цилиндров двигателя, нейтрализуются до выброса их в атмосферу.

 

 

 

 

2. Борьба с токсичностью отработавших газов бен­зиновых двигателей. Эволюция каталитических нейтрализаторов в конце 60-х годов, когда мегаполисы Америки и Японии стали буквально задыхаться от смога, инициативу взяли на себя правительственные комиссии.

Именно законодательные  акты об обязательном снижении уровня токсичных

выхлопов новых автомобилей вынудили промышленников усовершенствовать двигатели и разрабатывать системы нейтрализации.

В 1970 году в Соединенных  Штатах был принят закон, в соответствии с которым уровень токсичных выхлопов автомобилей 1975 модельного года должен был быть в среднем наполовину меньше, чем у машин 1960 года выпуска: СН — на 87%, СО — на 82% и NO_х — на 24%.

Аналогичные требования были узаконены в Японии и в Европе.

Первым делом инженеры бросились совершенствовать системы  питания и зажигания.

Но было очевидно, что  добиться столь существенного улучшения  ситуации с

токсичностью без применения дополнительных устройств просто невозможно.

В 1975 году на американских машинах  появились первые каталитические

нейтрализаторы отработавших газов — тогда еще двухкомпонентные, так

называемого окислительного типа. Двухкомпонентными они назывались потому, что могли нейтрализовать только два токсичных компонента — СО и СН. Окислительными — потому, что происходившие реакции представляли из себя окисление (то есть фактически дожигание) молекул СО и СН с образованием углекислого газа СО₂  и воды Н₂О.

На американских автомобилях 1975 года появились транзисторные  системы

зажигания с высокой энергией искры и свечи с медным сердечником центрального электрода — это свело к минимуму пропуски зажигания и последующие вспышки несгоревшего топлива в нейтрализаторе, которые грозят оплавлением керамики.

В 1977-м к нему добавили "противоазотную" секцию, а еще через пару лет

объединили все в едином корпусе, дав неправильное название "трехступенчатый" нейтрализатор. На самом деле речь идет не о ступенях, а о трех подавляемых классах вредных веществ.

К 1990 году нейтрализатор  переехал вплотную к выпускному коллектору, чтобы быстрее нагреваться до рабочих температур (300ºС) – тем самым уменьшить вредные выбросы на стадии прогрева.

В 1995 году фирма ”Эмитек” разработала технологию подогрева катализатора мощным электрическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель катализатора ”6С” (или ”Эмикэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”.

Ну и, наконец, в 2000 году появилась  цеолитовая ловушка углеводородов (СН), задерживающая их при пуске мотора и лишь после нагрева до 220°С отдающая на "съедение" готовому к работе катализатору.

Устройство и принцип  действия каталитических нейтрализаторов

Современные каталитические нейтрализаторы – это трехкомпонентные

каталитические нейтрализаторы. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор представляет собой корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска до глушителя. В корпусе располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми

тончайшим слоем вещества катализатора, которое само не вступает в химические реакции, но одним своим присутствием ускоряет их течение.

    

Химикам известно множество  катализаторов - медь, хром, никель, палладий, родий.

Но самой стойкой к  воздействию сернистых соединений, которые образуются при сгорании содержащейся в бензине серы, оказалась благородная платина. На долю катализаторов приходится до 60% себестоимости устройства. Именно благодаря им происходят необходимые химические реакции – окисление монооксида углерода (СО) и несгоревших углеводородов (СН), а также сокращение количества окиси азота

(NO_x). В трехкомпонентном нейтрализаторе платина и палладий вызывают

окисление СО и СН, а родий ”борется” с NO_x. Кстати, родий –субпродукт при получении платины – наиболее ценный в этой троице.

Чтобы увеличить площадь  контакта каталитического слоя с выхлопными газами, на поверхность сот наносится подложка толщиной 20-60 микрон с развитым микрорельефом.

Как правило, носителем в  нейтрализаторе служит спецкерамика - монолит со

множеством продольных сот-ячеек, на которые нанесена специальная шероховатая подложка (рис.1). Это позволяет максимально увеличить эффективную площадь контакта каталитического покрытия с выхлопными газами - до величин около 20 тыс. м². Причем вес благородных металлов, нанесенных на подложку на этой огромной площади, составляет всего 2-3 грамма!!! Керамика сделана достаточно огнеупорной – выдерживает температуру до 800-850 ºС. Но все равно при неисправности системы питания и длительной работе на переобогащенной рабочей смеси монолит может не выдержать и оплавиться - и тогда каталитический

нейтрализатор выйдет из строя. Именно поэтому так проблематично выглядит использование каталитических нейтрализаторов с керамическим носителем на карбюраторных двигателях.

    

Впрочем, все шире в качестве носителей каталитического слоя используются

тончайшие металлические  соты (рис.2). Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, получить меньшее противодавление, ускорить разогрев каталитического нейтрализатора до рабочей температуры и, главное, расширить температурный диапазон до 1000-1050ºС. Соты нейтрализаторов Metalit, изображенного на рисунке 2, сделаны из тонкостенного (толщиной всего 0,04 мм, а не 0,15 мм, как у керамики) листа хромоалюминиевой стали, для лучшей адгезии каталитического слоя легированной редкоземельным металлом иттрием.

Такой нейтрализатор выдерживает пиковые температуры до 1300ºС.

                  Делают это на Западе, конечно

же, не для применения карбюраторов - там они почти забыты. Просто с

появлением современных двигателей, работающих на переобедненных смесях, растут требования и к каталитическим нейтрализаторам - они должны выдерживать

более жесткие условия, которые  керамике уже не по зубам.

     Упрощенно ход реакций в нейтрализаторе выглядит так:

     CH+O₂ -> CO₂+H₂O; NO+CO -> N₂+CO₂;

     CO+O₂ -> CO₂;     NO+H₂ -> N₂+H₂O.

     В результате токсичные соединения CO, CH и NO_x

окисляются или восстанавливаются до углекислого газа СО₂, азота N₂ и воды Н₂О (рис.3).

Широкое использование нейтрализаторов  «взорвало» мировой рынок благородных металлов: 35% потребляемой платины, 45% палладия, 90% родия идет в автомобильные выпускные системы.

Разогрев каталитического нейтрализатора на первый взгляд может показаться, что установка катализатора решает все экологические проблемы. Однако, температура, при которой катализатор начинает действовать (температура активации), находится в пределах

250–350°С. Время же, необходимое  для разогрева, может достигать нескольких минут и зависит от типа автомобиля, способа его эксплуатации и температуры воздуха. Холодный катализатор практически неэффективен – следовательно, необходимо уменьшить время достижения температуры активации.

    

К 1995 году фирма ”Эмитек” разработала технологию подогрева катализатора мощным электрическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель катализатора ”6С” (или ”Эмикэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”. Подогреватель на металлической опоре крепится внутри катализатора (рис.4); его мощность – от 0,5 до 2, иногда 4 кВт, в зависимости от величины сопротивления (от 0,05 до 0,35 Ом). Для примера, элемент в 1,5 кВт разогревает катализатор до 400°С за 10 секунд.

Компания ЭCИA пошла другим путем и предложила пусковой катализатор. Он размещается в специальном ответвлении выпускной системы, имеет меньшие, чем основной, размеры и, стало быть, прогревается быстрее, после чего приводит в рабочее состояние ”старшего брата”.

     Чтобы снизить вредные выбросы при пуске холодного двигателя, иногда применяют также встроенный в катализатор адсорбер углеводородов. Как только рабочая температура достигнута, последние ”освобождаются” и окисляются самим катализатором. Среди подобных устройств можно назвать нейтрализатор ”Эдкэт” фирмы ”Делфай” или ”Пума” фирмы ”Корнинг”.

Обратная связь

     Трехкомпонентный нейтрализатор

наиболее эффективен при определенном составе отработавших газов (рис.5). Это значит, что нужно очень точно выдерживать состав горючей смеси возле так называемого стехиометрического отношения воздух/топливо, значение которого лежит в узких пределах 14,5 — 14,7. Если горючая смесь будет богаче, то упадет эффективность нейтрализации СО и СН, если беднее — NO_X.

     Поддерживать  стехиометрический состав горючей смеси можно было только одним способом — управлять смесеобразованием, немедленно получая информацию о процессе сгорания, то есть, организовав обратную связь (рис.6). Решение стало эпохальным.

В выпускной коллектор  поместили специально разработанный кислородный датчик — так называемый лямбда-зонд (на Западе принято обозначать греческой буквой λ так называемый коэффициент избытка воздуха, то есть отношение стехиометрического состава смеси к текущему). Он вступает с раскаленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень которого зависит от количества кислорода в выхлопе.

Если кислорода осталось много — значит, смесь слишком бедная, если мало — богатая. А по результатам мгновенного анализа, которым занимается электроника, можно быстро корректировать состав смеси в ту или иную сторону.

 Напряжение на выходе кислородного датчика принимает два уровня. Если смесь бедная, то низковольтный сигнал дает команду на обогащение топливной смеси, и наоборот.

     На рис.7 изображен современный

трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Второй кислородный датчик нужен для новейших систем бортовой диагностики OBD-II и отслеживает эффективность нейтрализации.

     Впервые трехкомпонентные  нейтрализаторы с обратной связью и кислородным датчиком появились на двигателях автомобилей Volvo в 1977 году. А сейчас ими оснащены все без исключения автомобили, которые продаются на рынках цивилизованных стран.

Кислородные датчики

    

 

Датчик кислорода (рис.8) - он же лямбда-зонд - устанавливается  в выхлопном

коллекторе таким образом, чтобы выхлопные газы обтекали рабочую поверхность датчика. Он представляет собой гальванический источник тока, изменяющий напряжение в зависимости от температуры и наличия кислорода выхлопной трубе.

Материал его, как правило, керамический элемент на основе двуокиси циркония, покрытый платиной. Конструкция его предполагает, что одна часть соединяется с наружным воздухом, а другая - с выхлопными газами внутри трубы. В зависимости от концентрации кислорода в выхлопных газах, на выходе датчика появляется сигнал. Уровень этого сигнала может быть низким (0,1...0,2В) или высоким (0,8...0,9В). Существуют также датчики сигнал на выходе, у которых изменяется от 0,1 до 4,9 В.