Проектирование и расчет нейтрализатора наземных транспортных средств

     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.

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

    

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

    

    

 

 

 

 

 

 

 

4. Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизельных двигателей

 

    

В дизельном  двигателе (рис.10) топливо впрыскива ется в цилиндр, уже наполненный раскаленным сжатым воздухом и на образование "правильной" горючей смеси просто не остается времени. Даже при тончайшем распылении (для чего и повышают давление) не все микрочастицы топлива успевают обзавестись нужным количеством молекул кислорода - вот вам и сажа. Снижение температуры в цилиндре по бензиновому рецепту только ухудшает картину. Вообще, основное противоречие дизеля, которое еще никто до конца не разрешил, - между снижением выбросов сажи и окислов азота: улучшая один параметр, неизбежно портим второй.

Комплексная очистка отработавших газов дизеля

Современные комплексные  системы очистки отработавших газов  для дизелей

состоят из каталитических и жидкостных нейтрализаторов, а  также сажевых

фильтров.

Сажевые фильтры

 

 

    

    

Фирмы, пропагандирующие экономичные легковые дизели, ради экологии пускаются во все тяжкие. Например, предлагают устанавливать дополнительные бачки с дорогими реактивами, снижающими температурный порог разложения накопившейся в специальном нейтрализаторе сажи ("Пежо-607"). Выжечь, то есть окислить, накопившиеся в порах фильтра частицы можно лишь при достаточно высокой температуре, которой выхлопные газы правильно настроенного дизеля не достигают. Даже если приказать управляющему двигателем контроллеру периодически увеличивать подачу топлива, все равно градусов не хватает.

Решение видели в добавке к солярке мочевины (прямо на АЗС) либо незначительного количества специального реагента, хранящегося в отдельном бачке (5 литров хватает на 80 000 км пробега). Это снижало температуру начала

реакции градусов на 100 и позволяло, обогатив смесь, очищать фильтр.

Реализовать эти  решения весьма сложно. Неудивительно, что бачки с реагентом

прижились в  основном на дорогих автомобилях, например, «Пежо-607».

В фильтрах нового поколения общий принцип остался  прежним: задержать и уничтожить. Но как добиться нужной для сгорания частиц сажи температуры? Во- первых, фильтр разместили сразу за выпускным коллектором. Во-вторых, через каждые 300-500 км пробега контроллер включает режим многофазного впрыска, увеличивая количество поступающего в цилиндр топлива. И, наконец, главное: поверхность фильтрующего элемента покрыта тонким слоем нового катализатора, который дополнительно повышает температуру выхлопных газов до необходимых 560-600°С. Отдаленно это напоминает работу каталитической бензиновой грелки для рыболовов.

    

Фильтрующий элемент  состоит, как правило, из керамической (карбид кремния) микропористой губки. Толщина стенок между ее каналами не превышает 0,4 мм, так что фильтрующая поверхность очень большая. Иногда эту «губку» делают из сверхтонкого стального волокна, также покрытого новым катализатором. Набивка настолько плотная, что задерживает до 80% частиц размером 20-100 нм.

Новые фильтры  стали активно участвовать в управлении работой двигателя.

Ведь режим  обогащения включается по сигналу от датчиков давления, установленных на входе и выходе фильтра. Когда разность показаний становится значительной, компьютер воспринимает это как признак закупоренности «губки» сажей. А выжигание контролируют с помощью датчика температуры.

    

Активные фильтры  уже появились на дизельных моторах «мерседес-бенцев» С- и Е-классов (рис.12), в начале 2004 года приживутся в «Опеле-Вектра» (рис.11) и «Сигнум», «Рено-Вель Са-тис» (рис.13)... До 2006 года об экологии легковых

дизелей производителям можно не беспокоиться. Но ведь 20% частиц пока попадают в воздух, а есть еще пылинки размером меньше 20 нм... Наверняка производители уже колдуют над новыми устройствами.

Плазменный  нейтрализатор

Один из альтернативных методов нейтрализации отработавших газов –использование низкотемпературной плазмы. Исследования в Японии, США и в России привели к созданию экспериментальных образцов оборудования, основанного на плазменных технологиях.

Что такое низкотемпературная плазма? Она состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, полученных в специальных устройствах при различных видах импульсных высоковольтных электрических разрядов (коронный, барьерный и др.), а также из нейтральных атомов и молекул.

     Принципиальная  схема одного из вариантов  разрядного устройства показана  на рис.15. Оно включает узел подвода отработавшего газа и масла 1, кварцевую

стеклянную  или керамическую трубку 2, используемую в качестве диэлектрического барьера, и два электрода – центральный 3 и внешний 4 – в виде

металлической сетки из нержавеющей стали. В разрядное устройство подается ток от источника, формирующего импульс напряжения длительностью 250–350 мкс.

Барьерный разряд возникает при электрическом напряжении 0,5–35 кВ и частоте следования импульсов 50–2000 Гц.

Как происходит процесс нейтрализации газов в системе и очистка их от сажи?

Отработавшие газы дизеля направляются в плазмохимический реактор,

предварительно  пройдя сушку во влагоотделителе. В  плазмохимическом реакторе к этим газам "подмешивают" масло. Под действием электрического разряда в трубках разрядного устройства частички сажи активно абсорбируют масло на своей поверхности. Для удаления сажи, частички которой находятся как бы в масляном коконе, используется маслоотделитель. Сажа собирается в специальный контейнер, а масло после дополнительной очистки в фильтре продолжает

циркулировать по замкнутому контуру. Таким образом, удается обеспечить очень высокую эффективность поглощения частичек сажи – до 100% во всем диапазоне оборотов дизеля. Из маслоотделителя часть отработавших газов можно направить во впускной коллектор дизеля (рециркуляция). Это снижает содержание оксидов азота в выхлопе.

Физическая  и химическая сущность явлений, происходящих под действием барьерного разряда в плазмохимическом реакторе, изучена пока недостаточно.

Однако упрощенно  процесс можно представить следующим образом. При подаче напряжения в электроразрядное устройство в нем создается неравновесная слабоионизированная низкотемпературная плазма, которая воздействует на отработавшие газы. В результате многостадийных химических реакций оксиды азота, серы и углерода разлагаются на нетоксичные молекулы кислорода, азота, серы и углерода. Одновременно происходит конверсия (превращение) оксида азота в его диоксид, который связывается радикалом ОН в азотную кислоту в виде аэрозоля. Аналогичные реакции протекают с диоксидом серы и оксидом углерода, приводя к образованию аэрозолей. Аэрозоли улавливают в достаточно простых электрофильтрах, обеспечивающих степень очистки до 98–99%.

Судя по лаконичным сообщениям зарубежной печати, в Японии проходит испытания микроавтобус, на котором установлен дизельный двигатель "Ниссан-LD 20" мощностью 48,5 кВт/66 л. с., оборудованный нейтрализатором с плазмохимическим реактором.

По предварительным  расчетам, плазменная очистка обойдется  в 1,5–2 раза дешевле, чем в существующих многокомпонентных устройствах. Не требуется

использовать  благородные металлы, значительно  увеличивается ресурс систем

нейтрализации, сокращается время на их техническое  обслуживание. Однако к

промышленному выпуску плазмохимических реакторов (а значит, их широкому

использованию) можно будет перейти, когда удастся сократить затраты мощности на электропитание реактора. В опытных и экспериментальных системах они достигают 4–5% и более от мощности дизеля.

 

 

    

Компания Bosch, которая  в 1976 году представила миру свой первый лямбда-зонд для бензиновых двигателей, недавно создала аналогичный узел и для дизельных моторов. Напомним, лямбда-зонд – это датчик, измеряющий содержание кислорода в отработавших газах автомобиля. Его внедрение позволяет оптимизировать топливоподачу в цилиндры, благодаря чему снижается токсичность отработавших газов и уменьшается расход топлива, увеличиваются мощность и крутящий момент мотора, а также улучшаются его пусковые характеристики.

Кроме того, лямбда-зонд вместе с электронной системой впрыска  обеспечивают работу каталитического нейтрализатора отработавших газов, который выполняет свою функцию только при четком соблюдении пропорций состава топливовоздушной смеси.

Сегодня, когда  системы питания дизелей управляются  электроникой, а их

механические  ТНВД остались в прошлом, лямбда-зонд пришел на службу и этим моторам. Получая данные о количестве кислорода в выхлопе, электронные «мозги» современных дизелей корректируют работу системы рециркуляции отработавших газов, определяют оптимальное время впрыска топлива и давление наддува (рис.16). Системы питания с лямбда-зондом особенно эффективны в режиме полных нагрузок, когда увеличивается склонность к дымообразованию. «Бошевский» датчик кислорода будет использоваться и в накопительных катализаторах для измерения содержания окисей азота (NO_X). Планируется, что уже к концу этого года «лямбда-регулирование» будет внедрено на многих современных дизелях

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение