Проектирование и расчет нейтрализатора наземных транспортных средств

Она представляет собой изменение состава  смеси, при котором  эффективность нейтрализатора К_со, К_сн > 90 % и К_NO > 80 %. Небольшое отклонение от стехиометрического состава резко изменяет процесс  конверсии.

В качестве носителя в основном применяют керамические блоки с многочисленными тонкостенными  каналами квадратной формы. Блок-носитель каталитического нейтрализатора изготавливают из  керамики  сотовой структуры. В последнее время внедряют более прогрессивные и эффективные системы с элементом из гофрированной фольги из нержавеющей стали толщиной 0,03…0,04 мм. Чтобы обеспечить необходимый  массоперенос между ОГ и каталитической поверхностью, ее площадь увеличивают путем нанесения на нее γ-оксида алюминия (пористая структура), содержащего каталитический материал. Посредством принудительного подогрева можно выводить  КН  на рабочую температуру    после пуска двигателя.

Нанесение на стенки каналов сотового блока  слоя  с четко заданными  удельной поверхности, размера пор, адгезия слоя  и его толщина, дисперсности.

Методы выбора основных параметров КТ.  Количество ОГ прямо пропорционально мощности ДВС, удельному расходу топлива и a  и определяется в м³/ч при нормальных физических условиях, т.е. при температуре 0 ^oС и давлении 760 мм рт ст. по формуле

                                                                  (29)

где Q_ог - часовой расход  ОГ, м³/ч; N_е - эффективная мощность двигателя, кВт;  g_е - удельный расход топлива, г/кВтч; α - коэффициент избытка воздуха; l_о -  теоретически необходимое количество  воздуха для сгорания  1 кг бензина, кг/кг;  γ_ог - удельный вес ОГ, кг/м³ .

Мощность двигателя и  удельный расход топлива, соответствующий этой мощности, берут по ВСХ двигателя. Коэффициент избытка воздуха, соответствующий максимальной мощности двигателя, принимают равным 0,85..0,9. Теоретически  необходимое количество воздуха l_о для полного сгорания 1 кг бензина определяется по формуле

                                                                           (30)

где 0,23 - доля кислорода в воздухе; C, H и Q_т - масса соответственно углерода, водорода и кислорода в топливе, кг; l_o = 14,5 кг/кг.

Определив объем  каталитических элементов,  выбирают  форму  реактора  и основные конструктивные элементы нейтрализатора в зависимости от  принятой схемы  нейтрализатора. Для полного протекания реакций окисления  продуктов неполного сгорания, содержание кислорода в ОГ должно быть более 2% [6].

Дополнительный нейтрализатор  снабжают эжектором для подачи кислорода. Эжектор нейтрализатора должен подавать в ОГ такое количество  воздуха, чтобы после полного окисления  горючих  продуктов, содержащихся  в ОГ, на выходе из нейтрализатора оставалось  не менее 2 %  по объему избыточного  кислорода. Необходимое количество воздуха определяют по концентрациям СО на режиме максимальной мощности.

Теоретически при коэффициенте избытка воздуха  0,95 количество СО

 составляет 3,0 % объема ОГ, т.е. 0,03 Q_ог м³/ч или 0,03Q_{ог *}γ_го  СО,   где Q_ог – расход  ОГ, м³/ч_*γ_со  = 1,25 кг/м³ – удельный вес СО.

Таким образом, для сгорания  0,03 Q_ог* γ_го   кг/ч окиси углерода  потребуется

(0,03Q_ог* γ_со) х 4/7 Q₂  = 0,0472 Q_ог  кг/час О₂ = 0,017   Q_ог* γ_го = 0,022 Q_ог

К теоретическому количеству О₂ в нейтрализатор дополнительно необходимо подать O₂ в количестве 2 % объема ОГ, т.е. 0,02Q_ог  м³/ч кислорода или 0,02Q_{ог *} γ_о2 = 0,0286Q_г  кг/ч кислорода,  γ_о2  – удельный вес кислорода, кг/м³.  Полное  количество  кислорода составит

                                                              ₍₃₁₎

Так как весовое  содержание количество кислорода  в  воздухе  составляет 23 %, то количество воздуха, которое эжектор нейтрализатора должен подавать в ОГ бензинового двигателя, составит   

                                                            (32)

Отношение массы  воздуха, подаваемого эжектором  в ОГ, называют весовым  коэффициентом  эжекции «n».  Для полной нейтрализации ОГ бензиновых ДВС эжектор нейтрализатора должен обеспечивать весовой коэффициент эжекции  не менее

                                                             (33)              

Сопротивление  нейтрализатора в зависимости от расхода ОГ приведена на рис.  10.

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.10. Сопротивление  нейтрализатора в зависимости от расхода ОГ: 1– керамический носитель; 2 – металлический носитель

 

На режиме максимального  крутящего момента  величина противодавления  системы выпуска ОГ не должна превышать 8,62 кПа. Проверить состояние КН можно по величине давления в системе выпуска. Контрольный манометр устанавливают  в резьбовое отверстие  вместо кислородного датчика.

 

 

 

 

2. Способы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе

 

Существует  несколько способов нейтрализации  отработавших газов в выпускной системе автомобиля:

1.Окисление отработавших газов путем подачи к ним дополнительного воздуха в термических реакторах. Термические реакторы устанавливают на многих японских и американских двигателях. Термический реактор представляет собой теплоизолированный объем со специальной организацией течения отходящих газов, устанавливаемый в выпускной системе двигателя и осуществляющий термическое доокисление токсичных компонентов за счет собственного тепла отходящих газов.

Термическая нейтрализация  не зависит от вида сжигаемого топлива, наличия

присадок и  позволяет использовать в двигателях этилированный бензин. Повысить температуру отработавших газов в реакторе можно, уменьшив теплопотери применением проставок-экранов, теплоизоляцией корпуса реактора, использованием тепла реакции окисления, а также кратковременным уменьшением угла опережения зажигания. Реакторы особенно эффективны на режимах богатой смеси при больших нагрузках, не выходят из строя со временем, однако не дают полного окисления СО и СН и не восстанавливают NO_x, поэтому применяются как дополнительные устройства перед каталитическим нейтрализатором.

2.Поглощение токсичных компонентов жидкостью в жидкостных нейтрализаторах. Этот способ не получил широкого распространения из-за малой эффективности и необходимости частой замены жидкости.

3.Применение каталитических нейтрализаторов и сажевых фильтров (на

автомобилях с  дизельными двигателями) – в настоящее время наиболее актуальный.

    

 

3. Нейтрализации отработавших газов в выпускной системе 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.