Проектирование и расчет нейтрализатора наземных транспортных средств

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ  ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ (МАМИ)»

 

 

 

Курсовая  работа:

«Проектирование и расчет нейтрализатора наземных транспортных средств»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2013

Содержание

Введение

1. Расчет каталитического нейтрализатора
2. Способы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе
3. Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе бензиновых двигателей

3.1 Эволюция каталитических нейтрализаторов

3.2 Устройство и принцип действия каталитических нейтрализаторов

3. Разогрев каталитических нейтрализаторов
4. Обратная связь
4. Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизельных двигателей
1. Комплексная очистка отработавших газов дизеля
2. Плазменный нейтрализатор
3. Обратная связь дизеля
5. Заключение
6. Список литературы

 

 

 

 

                                                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

Всего в отработавших газах обнаружено около 280 компонентов. По своим

химическим  свойствам, характеру воздействия  на организм человека вещества,

содержащиеся  в отработавших газах, подразделяются на несколько групп.

1.нетоксичные: азот, кислород, водород, водяные пары, а также диоксид углерода;

2.токсичные: оксид углерода, оксиды азота, многочисленная группа

углеводородов, альдегиды, сажа. Причем сажа сама по себе нетоксична, но она

адсорбирует на поверхности частиц канцерогенные  полициклические углеводороды, в том числе наиболее вредный и токсичный бенз(а)пирен. При сгорании сернистых топлив образуются неорганические газы - диоксиды серы и сероводород.

Токсичные компоненты составляют 0,2–5% от объема отработавших газов, в

зависимости от типа двигателя и режима его работы.

     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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет каталитического нейтрализатора

 

Расчет каталитического  нейтрализатора для бензинового  ДВС сводится к определению необходимого количества каталитических элементов, т.е. определению объема реактора  нейтрализатора  и  производительности эжектора нейтрализатора. Объем реактора КН предопределяется выбросом ОГ, подлежащих нейтрализации и активностью каталитических  элементов.

Расчет КН сводится к определению  объема его реактора и количества воздуха необходимого для окисления продуктов неполного сгорания.  Объем каталитических элементов реактора определяют  по формуле

                                                                                        (26)

где V_к - объем каталитических элементов, л; W_г - объемная скорость,  час^-1.

    Продолжительность контакта  ОГ с функциональными элементами  КН оценивают объемной скоростью  (W_г), т. е. величиной представляющей отношение  объемного часового расхода  ОГ  (V_г)  к объему катализатора (V_к). Степень превращения СО  в зависимости от температуры в катализаторе  и объемной нагрузки реакционной камеры приведена на рис.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Степень  превращения СО в зависимости от температуры в катализаторе  и объемной нагрузки реакционной камеры: 1 – 3500 1/ч; 2 – 5000 1/ч; 3 – 25000 1/ч

 

Объемная скорость реакционной камеры представляет собой  часовой расход ОГ, проходящих через  носитель КН, отнесенный к объему носителя.     

Объемная нагрузка характеризует продолжительность  контакта реагента с КН или пространственную скорость. Более высокая степень  превращения возрастает с уменьшением  объемная скорости. Для КН бензиновых двигателей объемную скорость платиновых каталитических элементов принимают равной 10 000 час^-1. В высокотемпературной области эффективность КН определяется диаметром каналов блока. При низкой температуре процесс конверсии зависит от природы активных центров. Окисление СО сопровождается ростом СО₂ и снижением О₂. Оптимальный размер блока соответствует соотношение объема ДВС и суммарного объема блоков V_двс/V_кбл = 1:1.

Наибольшее  распространение получили КН с платинородиевыми катализатора с удельным содержанием  драгоценных металлов 1,4 г/л при относительном отношении 5:1 Pt и Rh (платины и родия). В среднем автомобильный КН объемом 1,5 л содержит 1,8 г платины и 0,36 г родия. С середины 90-х годов наряду с платиной Pt  или вместо Pt  применяют палладий, обладающий  высокой эффективностью на режиме  прогрева  холодного двигателя, стойкостью  к высоким температурам. Каталитическое превращение СО при t > 400 ^оC  достигает 95…99 %. В среднем автомобильный КН объемом 1,0 л содержит 1,2 г/л платины и 0,24 г/л родия.

Сотовые блоки  имеют поры  и удельную поверхность (0,01..0,3 м²/г). Для ее увеличения наносят слой γ-Аl₂O₃, в порах которого    расположены активные центры  Pt и Rh. Регулирование температуры в реакционной камере позволяет поддерживать оптимальный температурный ее режим. Расположение вторичного носителя в ячейке блока приведено на рис. 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

 

 

Рис. 6. Расположение вторичного носителя в ячейке блока (светлый цвет-стенка блока; темный – стабилизированный    γ-Аl2 O3

 

Степень превращения  ВВ зависит от реакционно-кинетических свойств  используемого  катализатора. На входе катализатора температура реакции соответствует температуре ОГ, а на выходе  заметно увеличивается.

Стартовые качества КН оценивают по времени достижения 50 % его активности  с момента  холодного запуска ДВС. Продолжительность выхода двигателя на рабочий режим составляет 20 с. Селективность представляет собой способность КН инициировать определенный химический процесс путем направленного воздействия  на  отдельные компоненты ОГ.     Она обеспечивает   активирование  только тех реакций между компонентами ОГ и кислородом, в результате которых получают нетоксичные  соединения.

Селективность катализатора проявляется в его  способности промотировать реакции (12, 13, 5…8) раньше реакции (13).    Кроме того, реакции (5) и (7) должны предшествовать (14).   Промоторы (лат. Promoveo - продвигаю) представляют собой вещества, добавление которых в небольших количествах к катализаторам увеличивает их активность и селективность.

Активность катализатора представляет собой отношение скорости  накопления продукта реакции к сумме скоростей всех превращений исходного вещества. Она представляет собой отношение разности концентраций на входе в нейтрализатор и на выходе из него.

                                                                                   (27)

где с_вх - концентрация вредных веществ на входе; с_вых - концентрация вредных веществ на выходе; Δс = c_в - с_вых разность между входящей и выходящей концентрациями.

                                                                           (28)

где А – величина ОГ, которая не подвергается нейтрализации; С_двс – концентрация нейтрализуемого вредного компонента ДВС; к = ltc – величина характеризующая каталитическую поверхность; l – длина канала; с – активная поверхность; t – температура каталитической поверхности

Каталитические  системы обеспечивают более низкий уровень энергии активизации. Степень превращения реагентов ОГ в зависимости от температуры катализатора при сжигании продуктов неполного сгорания приведена на рис.7.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.7. Степень  превращения  реагентов ОГ в зависимости  от температуры реакции  при сжигании: 1 – сжигание СО  в присутствии  катализатора; 2 – сжигание С_mН_n в присутствии катализатора;  3 – сжигание СО и С_mН_n в пламени

 

Температура реакции  окисления оказывается значительно  ниже температуры воспламенения. Нижняя граница  воспламенения  горючих  газов значительно сдвинута вниз. Изменение температуры в катализаторе в зависимости от времени  с  момента запуска двигателя приведено на рис.8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8. Изменение  температуры в катализаторе в  зависимости от времени  с момента  запуска двигателя:1 – температура ОГ на входе в нейтрализатор, ^oС; 2 – температура металлического блока, ^oС; 3 – температура керамического блока, ^oС.

 

Размещение  нейтрализатора непосредственно за выпускным трубопроводом обеспечивает более  быстрый нагрев  до рабочих  температур (300 ^оС), уменьшая выброс на стадии прогрева.

После пуска  холодного двигателя работе на режимах  ХХ и последующих малых нагрузках двигатель работает на обогащенной смеси, а температура ОГ составляет 250...300°С. При a = 1 требуется быстрый его прогрев и выход двигателя на этот состав смеси. Конструкция системы предусматривает установку на входе в нейтрализатор металлического блока из гофрированной ленты, разогреваемой до  650 °С  с помощью электрического нагревателя сразу после включения зажигания. При сгорании 1% СО, содержащейся в ОГ, температура газов повышается на 100 ^оС.

Пусковой нейтрализатор  представляет собой один или несколько каталитических блоков, устанавливаемых в общем канале выпускного трубопровода. Его конструкция обеспечивает быстрый прогрев катализатора. За счет экзотермических реакций окисления СО и С_mН_n снижается их содержание в ОГ и дополнительно повышается  температура катализатора, обеспечивающая быстрый прогрев и выход на эффективный режим основного нейтрализатора. После начала работы основного КН пусковой нейтрализатор для исключения перегрева автоматически выключается обычно за счет перекрытия байпасного канала.  Нейтрализатор эффективно работает  только при строгом соблюдении a.

Эффективность работы трехкомпонентного нейтрализатора приведена на рис.9.

 

 

 

 

 

 

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.9. Эффективность  работы трехкомпонентного нейтрализатора: 1– NO_х; 2 – C_mH_n; 3 – CO; 4 – область эффективной работы

 

Наибольшее  одновременное превращение  h  по трем нормируемым компонентам достигается при работе двигателя на слегка обогащенной смеси вблизи a = 0,98…1,01. Количество кислорода, освобождающегося при восстановлении NO, оказывается достаточным для окисления Н₂, СО и С_mН_n. Вблизи стехиометрической смеси коэффициенты преобразования изменяются очень резко, поэтому для эффективной работы нейтрализатора требуется обеспечить поддержание состава смеси (a = 1,0) с высокой точностью, что удается путем использования систем дозирования топлива с электронным управлением.