Испытания автомобиля на соответствие нормам выбросов

4.2 Система рециркуляции ОГ

Для уменьшения выброса окислов азота используют перепуск части отработавших газов во впускную системы двигателя.

Концентрация NOх в отработавших газах зависит от максимальной температуры цикла и количества кислорода в продуктах сгорания. Уменьшение выброса NOх при рециркуляции отработавших газов объясняется понижением максимальной температуры процесса сгорания в результате уменьшения количества топлива, поступающего в цилиндр, а также большей теплоемкостью продуктов сгорания по сравнению с теплоемкостью воздуха.

Схема системы рециркуляции ОГ представлена на рисунке 4.1

Рис.4.1 Принципиальная схема системы рециркуляции ОГ.

1-двигатель, 2-дросельная заслонка, 3-диффузор карбюратора,

4-общий привод, 5-клапан рециркуляционной системы.

Перепуск части ОГ из выпускной системы во впускной трубопровод происходит вследствие разницы давлений. Количество всасываемых ОГ зависит от степени разрежения регулируется заслонкой перепуска управляемой тягой, соединенной с дроссельной заслонкой. При работе двигателя на режиме холостого хода и при торможении двигателем заслонка перепуска закрыта.

Рециркуляция более 10% ОГ приводит к падению мощности двигателя, увеличению удельного расхода топлива и способствует некоторому ухудшению динамических характеристик автомобиля.

4.3 Присадки к топливу

В последние годы широко проводятся исследования в области использования присадок к топливам в целях уменьшения токсичных выбросов. В результате исследований установлено, что можно в значительной степени уменьшить задымленность ОГ посредством добавки к топливу соответствующих химических соединений.

В качестве присадок к дизельным топливам, уменьшающих содержание сажи в ОГ, применяют металлоорганические химические соединения. Механизм действия антидымных присадок заключается в их рассеивающем воздействии на сажу и каталитическом воздействии на процесс сгорания.

В качестве присадок к топливам дизельных двигателей используют также органические соединения, являющиеся сильными окислителями, которые содержат слабосвязанный кислород. При температуре сжатого заряда, которая создается в камере сгорания, активный кислород легко высвобождается, что вызывает сокращение периода задержки самовоспламенения, оказывая влияние на процесс сгорания.



4.4 Перевод двигателя внутреннего сгорания на газообразное топливо

Наряду с ТС, оборудованными двигателями, работающими на бензине и дизельном топливе, выпускаются и эксплуатируются газобаллонные ТС. Топливом для них служат природные горючие газы, добываемые из газовых и нефтяных месторождений, а также промышленные газы, получаемые при переработке нефти, нефтяных газов и твердых горючих ископаемых. Себестоимость и затраты труда при производстве природного газа в несколько раз ниже по сравнению с другими видами топлива.

При прочих одинаковых условиях для автомобилей, работающих на газовом топливе, себестоимость топлива снижается на 15-20% на каждый тонно-километр по сравнению с автомобилями, работающими на бензине.

Газовое топливо более полно сгорает в цилиндрах двигателя, а продукты его сгорания (ОГ) намного меньше загрязняют окружающий воздух ядовитыми и дурнопахнущими веществами. Так, при работе двигателя на сжиженном газе концентрация СО в атмосфере уменьшается примерно в 3-4 раза по сравнению с работой на бензине, что является огромным преимуществом газобаллонных автомобилей при их эксплуатации в крупных городах с большой насыщенностью автомобилями.

К основным преимуществам автомобилей, работающих на сжиженных газах, по сравнению с бензиновыми, следует отнести снижение СО в 6-8 раз, углеводородов- на 15-20% и NOх на 10-12%.

Реальное снижение доли выбросов оксида азота возможно, если на а/м будут установлены отработанные конструктивно и отрегулированные газовые двигатели.

Причина образования СО и СО2- неполное сгорание топлива, особенно если в цилиндры двигателя поступает богатая горючая смесь. Газовые двигатели обычно регулируются в расчете на обедненную рабочую смесь. Значит содержание СО и СО2 при работе на газе должно быть меньше, чем при работе на бензине.

Можно сделать вывод по газовому топливу:

Токсичность ОГ автомобиля, работающего на газовом топливе, значительно ниже бензинового. Это объясняется следующим:

ь Качественное смесеобразование и равномерное распределение топлива по цилиндрам, большая антидетонационная стойкость углеводородных газов и большая степень сжатия обеспечивают работу двигателя на обедненных смесях, следовательно уменьшается содержание СО и СН и повышается топливная экономичность.

ь Меньшая температура в камере сгорания приводит к уменьшению содержания NOх в ОГ.

ь Герметичная система топливоподачи исключает испарение топлива из карбюратора и топливного бака.

К недостаткам использования газового топлива можно отнести : большую массу топливной системы, меньший запас хода, затрудненный запуск в холодную погоду, возможность взрыва газового баллона на автомобиле, работающего на сжатом газе.

4.5 Системы нейтрализации

4.5.1 Общие сведения нейтрализации ОГ ДВС

Катализ химических реакций (от греч. каtalysis - разрушение) обеспечивает изменение их скорости в присутствии особых веществ (катализаторов), вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с реагирующими веществами, но восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой химический состав.

Катализатор входит в состав активного комплекса нейтрализатора. Если при этом скорость химических реакций становится больше, чем в отсутствие катализатора, то катализ называют положительным. Катализатор не связан с изменением свободной его энергии. Воздействие катализатора не смещает положения равновесия химической реакции

Физико-химические процессы нейтрализации ОГ. Гетерогенная реакция, протекающая на слое катализатора, представляет собой уравнение баланса массы реагирующего компонента и может быть представлена в общем виде зависимостью

Vг*dc = kv * c * fп * dх (4.1)

Vг - объемный расход газа; c-текущая концентрация компонента ОГ;

kv -константа скорости реакции в единице объема;

fп - поперечное сечение потока газа (трубопровода);

х - текущее значение координаты по длине слоя катализатора.

Эффективность нейтрализации предопределяется температурой и продолжительностью контакта ОГ с каталитической поверхностью. Продолжительность контакта ОГ с функциональными элементами нейтрализатора удобно оценивать объемной скоростью (Wг), т. е. представляющей отношением объемного часового расхода отработавших газов (Vг) к объему катализатора (Vк)

Wг = Vг / Vк (4.2)

Каталитический процесс окисления различных компонентов ОГ обусловлен диффузией молекул газа к рабочей поверхности катализатора и их окислением на его поверхности. В основу расчета кинетики химических реакций нейтрализации продуктов неполного сгорания положены реакционно-кинетические закономерности процесса сгорания реагирующих компонентов. Скорость окисления рабочей смеси может быть представлена выражением.

Z= - dc/dф = kCи * Со2 = kо* Cи * Со2* е-E/RT (4.3)



где Z скорость сгорания, моль/(м3/сек); -dc/dф действительная скорость сгорания моль/(м3 /сек); k константа скорости реакции; Cи концентрация топлива в смеси, %; Со2 концентрация кислорода, %; E энергия активации, кДж/моль; R газовая постоянная, кДж/(моль К); T температура сгорания рабочей смеси, К.

Основным фактором, определяющим скорость химического превращения, является энергия активации (Е), представляющая разность энергий активного комплекса и исходных реагирующих молекул. Если предположить, что реакция окисления не нарушает равновесного распределения энергии между молекулами, то вероятность образования активного комплекса, а следовательно, и скорости реакции в первом приближении пропорциональна величине ехр (-Е/RТ). Скорость реакции окисления тем больше, чем меньше (Е), и вследствие экспоненциальной зависимости возрастает значительно даже при небольшом снижении (Е). Обобщенные параметры реакционно-кинетических реакций получены для расчета константы равновесия прямой и обратной реакций kп и kо

Контактное воздействие катализатора является поверхностным эффектом. Поэтому любое постороннее вещество в горючей смеси, которое активно адсорбируется на катализаторе, может отрицательно повлиять на его свойства. Поверхностный катализ используют как в процессе окисления, так и в процессе восстановления. Сущность процессов каталитической нейтрализации заключается во взаимодействии вредных веществ ОГ между собой или с избытком кислорода. Результатом нейтрализации ОГ является окисление СО и СmНn по уравнениям

СО + Н2О = СО2 + Н2 (4.4)

2 СO + O2 > 2СО2 (4.5)

СnНm + (n + m/4 )*О2 = n*CO2 + m/2*(Н2О) (4.6)



Завершение реакций в нейтрализаторе за короткое время при прохождении через него ОГ требует создания эффективной окислительной среды и поддержания рабочей температуры в пределах (250800) °С. При температуре менее t < 250 °С эффективность катализатора невелика, а при температуре t >1000 °С может наступить дезактивация из-за спекания мелких кристаллов (платины, родия, палладия), сопровождающегося разрушением поверхности активных участков.

Катализатор представляет собой материал, ускоряющий химический процесс и не изменяющийся в процессе реакции. Он обеспечивает повышение скорости реакции окисления и снижение рабочей ее температуры. Для нейтрализации оксида азота NO используют реакции его восстановления до молекулярного азота (N2) и аммиака NH3. В качестве восстановительной среды используют находящиеся в ОГ компоненты СО, СmНn и Н2.

При работе ДВС на стехиометрической рабочей смеси основным продуктом восстановления NO является N2, а при работе на богатых смесях больше NH3. Чтобы после восстановления NO образовывалось больше N2 и меньше NH3 катализатор должен содержать родий (Rh). Соотношение в катализаторах количества Pt и Rh близко к 5, а в ряде случаев достигает 12.

При восстановлении NOх возможны следующие реакции

NO + CO > 1/2N + СО2 (4.7)

2NО + 5CO + H2O > NH3 +5 СО2 (4.8)

NO + Н2 > 1/2 N2 + Н2О (4.9)

2NO + 5 H2 > 1/2N2 + 2 Н2О (4.10)

NO + CH > 2N2 + Н2О + CO + NH3 (4.11)

Для нейтрализации окислов азота в газах бензиновых двигателей нейтрализатор имеет специальную ступень для поглощения кислорода из газовой смеси. Для этой цели обычно используют каталитическую реакцию между содержащимся в ОГ кислородом и окисью углерода. Восстановление NO окисью углерода может быть представлена следующей зависимостью

2NO + 2CO > N2 + 2 СО2 (4.12 )

Между компонентами ОГ и кислородом может протекать ряд побочных реакций

СО + Н2О - СО2 + Н2 (4.13)

5/2Н2 + NO - NH3 + Н2О (4.14)

NН3 + 5/4 O2 - NO + 3/2 Н2О (4.15)

Н2 + NO - H2O + 1/2 N2 (4.16)

Н2 + 1/ 2 O2 - H2O (4.17)

Уменьшения количества NOх обеспечивает реакция восстановления по уравнению

2 NO + 2 CO > N2 + 2СО2 (4.18)

Для обеспечения более полного процесса окисления парциальное давление СО должно быть относительно большим, что обеспечивается путем эксплуатации ДВС с < 1,0. В ОГ автомобильного ДВС всегда имеется свободный водород, поэтому возможна следующая реакция восстановления

2NО + 5 Н2 > 2 NH3 + 2 Н2О (4.19)

Количество образующегося аммиака представляет собой функцию применяемого катализатора, состава и температуры ОГ. При восстановлении NO компонентами ОГ возможны следующие реакции



2NО + 5CO + H2O > NH3 +5 СО2 (4.20)

2NO + 5 H2 > 1/2N2 + 2 Н2О (4.21)

NO + CH > 2N2 + Н2О + CO + NH3 (4.22)

При восстановлении NO одновременно происходит более полное окисление СО и СmНn. Степень каталитического превращения различных газов в нейтрализаторе оценивают коэффициентом преобразования

Кi = (сiвх - сiвых )/ciвх х 100% (4.23)

где Кi - коэффициент преобразования i-того компонента; сiвх и сiвых - концентрация i-того компонента на входе и на выходе из нейтрализатора соответственно.

Максимальная величина преобразования Кi одновременно по трем компонентам достигается при работе ДВС при работе на обогащенной смеси вблизи ее стехиометрического состава (=0,98-0,99), т.е. количество кислорода освобождающегося при восстановлении NOх оказывается достаточным для окисления Н2, СО и СmНn.

Для восстановления окисла азота применяют катализаторы на основе переходных металлов, в частности, меди, хрома, кобальта, никеля и их сплавов.

Эти катализаторы менее долговечны по сравнению с Pt и Pd.. Эффективность катализатора заметно ниже при высоких объёмных скоростях химических реакций. Эффективная нейтрализация продуктов неполного сгорания достигается на таких катализаторах при более высокой температуре по сравнению с платиновыми. Реакции на окисных катализаторах могут быть представлены соотношением.

d(CO)/dt = k1(CO) (4.24)



На платиновых катализаторах при малых степенях превращения СО реакция протекает по уравнению

d(CO)/dt= k2 (О2/СО)3/4 (4.25)

При высших степенях превращения (80%) реакция протекает по уравнению

d(CO)/dt = k (0,5)1/2 (4.26)

Константы k1, k2 и k3 определяется в первую очередь природой катализатора и концентрирует СmНn в ОГ.

Скорость окисления СmНn в общем случае описывается уравнением:

d(CmHn)/dt = k4(CnHm)(О2)№/І (4.27)

Рисунок 4.2 Принципиальная схема управления нейтрализацией с л-зондом:



1-впускной трубопровод; 2- расходомер воздуха; 3-двигатель; 4-первый л-зонд; 5-нейтрализатор; 6-второй л-зонд; 7-выпускной трубопровод; 8- электрическая цепь второго л-зонда; 9- Электронный блок управления; 10-Датчик частоты вращения КВ; 11- датчик расхода воздуха; 12- датчик температуры двигателя;13- электрическая цепь расходомера воздуха; 14- электрическая цепь первого л -зонда; 15- напряжение электронных магнитных форсунок ; 16- Электронные магнитные форсунки; 17-впрыск топлива; 18-трубопровод подачи топлива;

Система снижения токсичности ОГ с обратной связью (рис.4.2) содержит трехкомпонентный каталитический преобразователь 5 и специальный датчик кислорода (л-зонд) 4, 6, выполняющий обратную связь через цепь 14 между поступающим топливным зарядом на входе в камеру сгорания и продуктами сгорания на выходе. .

Состав горючей смеси измеряют путем определения в ОГ содержания достаточного кислорода. Датчик кислорода, установленный до нейтрализатора, является основным датчиком, при помощи которого корректируется топливоподача

Датчик кислорода, установленный после нейтрализатора, является диагностическим. Датчик анализирует эффективность работы нейтрализатора и, по мере снижения эффективности работы нейтрализатора, вводит дополнительные коррективы в топливоподачу. Для устранения смещений блока нейтрализации в корпусе и их термоизоляции они отделены от поверхности корпуса термоуплотняющими прокладками или специальными термоизолирующими покрытиями.

Большое значение на эффективность нейтрализатора имеет плотность ячеек на 1 см2 сечения блока. Это показатель определяет величину активной поверхности и весовые показатели блока. Наиболее оптимальными являются плотность 65 ячеек на 1 см2.

Широкое распространение получили нейтрализаторы с керамическим сотовым носителем на основе кардирита или с металлическим носителем на основе свернутой гофрированной фольги из нержавеющей фольги. Они обеспечивают плотность ячеистых каналов от 400 до 600 на см2 у керамических блоков и до 800 на 1 см2 у металлических блоков, что обеспечивает высокую активную поверхность при сохранении достаточных прочностных качеств блоканосителя.

Большое значение на эффективность работы нейтрализатора оказываеть конструкция и материал носителя катализатора. Он состоит из первичного носителя (основы) и вторичного (подложки). На поверхность первичного носителя, соприкасающегося с ОГ, наносится вторичный носитель вторичный носитель подложка в виде окиси алюминия, специально обработанной для расширения активной поверхности. Для улучшения свойств вторичной подложки в нее добавляются редкоземельные металлы как церий, лантан, сицилий и др. На активную поверхность вторичного носителя наносится катализатор путем гальванического покрытия или мелкодисперсным распыления.

Кислородный датчик (зонд) действует по принципу гальванического элемента с твердым электролитом в виде керамики из диоксида циркония (ZrO2). Керамика легирована оксидом иттрия, а поверх нее напылены токопроводящие пористые электроды из платины. Один из них дышит ОГ, а второй - воздухом из атмосферы. Эффективное измерение остаточного кислорода в ОГ зонд обеспечивает после разогрева до температуры (300400) оС. В таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость, а разница в количестве атмосферного кислорода в выхлопной трубе ведет к появлению на электродах -зонда выходного напряжения.

Особенностью циркониевого датчика является тот факт, что при малых отклонениях от идеального напряжение на выходе изменяется скачкообразно. В холодном состоянии выходной сигнал датчика отсутствует, так как в этом состоянии его внутреннее электрическое сопротивление составляет несколько Ом.

Циркониевый датчик (источник ЭДС) определяет парциальное давлением кислорода в ОГ. При сгорании богатой смеси содержание кислорода относительно меньше и датчик создает относительно высокое напряжение (7001000) мВ. При обеднении смеси парциальное давление кислорода в ОГ сильно увеличивается, напряжение датчика падает до (50100) мВ. Высокая чувствительность датчика позволяет отслеживать состав смеси с погрешностью 0,5%.

По мере прогрева датчика сопротивление уменьшается и восстанавливается способность генерирования выходного сигнала. Для эффективной работы датчик должен иметь температуру не ниже 360 оС . Для быстрого прогрева после запуска двигателя датчик снабжен внутренним электрическим подогревающим элементом. В процессе работы ЭБУ включением или выключением подогревателя управляет температура датчика.

Если температура датчика выще 360 оС, то в момент перехода через точку стехиометрии, выходной сигнал датчика переключается между низким уровнем (100200) мВ и высоким (700800) мВ. Низкий уровень соответствует бедной смеси (наличие кислорода), высокий богатой (кислород отсутствует).

При прохождении ОГ через катализатор платина и родий ускоряют процесс химического разложения вредных ВВ. Катализатор необходимо использовать только в случае применения неэтилированного бензина, так как свинец осаждается на поверхности катализатора и препятствует контакту с драгоценными металлами. ЭБУ первоначально рассчитывает длительность импульса впрыскивания форсунки по входным параметрам. После впрыскивания топлива в двигатель датчик кислорода можно использовать для корректировки расчетов длительности импульса впрыскивания форсунки. В нейтрализатор поступает больше топлива, где оно интенсивно сгорает и температура нейтрализатора достигает недопустимых значений свыше 900С.



4.5.2 Активность и селективность нейтрализатора ОГ

Активность и селективность нейтрализатора ОГ относятся к числу наиболее важных его параметров. Активность представляет собой способность катализатора инициировать определенный химический процесс. Она обычно характеризует степень превращения реагирующих компонентов при определенной температуре.

з = (cвх - свых )/cвх = Дс/cвх (4.28)

где Дс = cвх - свых разность между входящей и выходящей концентрациями. Степень превращения реагентов ОГ в зависимости от температуры реакции при сжигании компонентов в пламени и присутствии катализатора приведено на рис.4.3. Степень эффективности нейтрализатора является функцией рабочей температуры. Нейтрализатор начинает работать при достижении температуры 250 ?С. Рабочая температура в диапазоне (400800)?С обеспечивают оптимальные условия для получения максимальной эффективности и большого срока службы нейтрализатора.

Рисунок 4.3. Степень превращения реагентов ОГ в зависимости от температуры реакции при сжигании: 1- сжигание СО в присутствии катализатора; 2- СmНn в присутствии катализатора; 3- сжигание СО и СmНn в пламени



Активность катализатора должна снижаться также и в тех случаях, когда его поверхность будет закрыта механическим путем, например пленкой расплавленного вещества. Постороннее вещество является антикатализатором

Расчет каталитического нейтрализатора двигателя сводится к определению необходимого количества каталитических элементов, т.е. к определению объема его реактора и определению количества воздуха необходимого для окисления продуктов неполного сгорания.

Объем реактора нейтрализатора определяется количеством проходящих через него ОГ двигателя и активностью каталитических элементов, которая определяется объемной скоростью газа, проходящей через катализатор. Количество выбрасываемых ОГ прямо пропорционально мощности двигателя, удельному расходу топлива и коэффициенту избытка воздуха. Объем каталитических элементов (реактора) определяют по формуле

Vк = Qог *1000/Wг (4.29)

где Vк объем каталитических элементов (реактора), л;

Wг объемная скорость, час-1.

Эффективность работы трехкомпонентного нейтрализатора приведена на рис.4.4. Наибольшая величина К, одновременно по трем нормируемым компонентам достигается при работе двигателя на слегка обогащенной смеси вблизи ее стехиометрического состава ( = 0,981,01), так как в этом случае количество кислорода, освобождающегося при восстановлении NO,



Рисунок 4.4 Эффективность работы трехкомпонентного катализатора:

1-Nox; 2-СmНn; 3-СО; 4-область эффективной работы оказывается достаточным для окисления Н2, СО и СmНn. Вблизи стехиометрической смеси коэффициенты преобразования изменяются очень резко, поэтому для эффективной работы нейтрализатора требуется обеспечить поддержание состава смеси ( = 1,0) с высокой точностью, что удается достичь только путем использования систем дозирования топлива с электронным управлением.

Выбор объемной скорости зависит от химической активности катализатора, формы и размеров каталитических элементов и от состава ОГ. Для нейтрализаторов бензиновых ДВС объемная скорость алюмоплатиновых каталитических элементов принимается равной 100 000 час-1. Степень превращения СО в зависимости от температуры и объема приведено на рис.4.5. Путем регулирования температуры в реакционной камере можно поддерживать оптимальный температурный диапазон.



Рисунок 4.5. Степень превращения реагентов ОГ в зависимости от температуры реакции и объемной нагрузки реакционной камеры:

1- 3500 1/ч; 2-5000 1/ч; 3-25000 1/ч;

Степень превращения зависит от реакционно-кинетических свойств используемого катализатора. И тем самым также от температуры реакции. В начале катализатора температура реакции будет соответствовать температуру ОГ, а у его конца увеличится на величину, соответствующую скрытой энтальпии.

Если температура в начале катализатора слишком низка, то ее можно повысить, установив в системе теплообменник. Перед выходом в атмосферу ОГ, нагретые за счет теплоты сгорания до более высокой температуры, отдают свое тепло еще не сожженным ОГ.

При эксплуатации температура в нейтрализаторе составляет (400600) С для чего располагают вблизи выпускного клапана.

Наибольшее распространение получили нейтрализаторы 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 нейтрализатор объемом 1,5 л содержит 1,8 г платины и 0,36 г родия. С середины 90-х годов наряду с платиной стали применять палладий Pd. Палладий обладает высокой эффективностью на режимах прогрева холодного двигателя, стойкость.ю к высоким температурам.

Катализаторы, используемые для ускорения реакции окисления СО и СmНn, обычно содержит (12) г платины и палладия. Каталитическое превращение СО при t > 400 оC может достигать (9599) %.

Углеводороды разделяют на быстро и медленно сгорающие реакции. К последним следует отнести предельные СmНn малой молекулярной массы и в первую очередь метан. Если быстро сгорающие СmНn окисляются до 95%, то метановые СmНn окисляются приблизительно до (1070) %. Окисление медленно сгорающих СmНn достигается изза действия платины. Что же касается палладия, то он особенно активен при окислении СО и быстро сгорающих СmНn. Если на выходе из нейтрализатора количество СmНn велико, то можно увеличить Qзаж, что увеличивает в нем температуру и уменьшает выброс СmНn.

Блокноситель каталитического нейтрализатора изготавливают из керамики сотовой структуры, гофрированной фольги из нержавеющей стали толщиной (0,030,04) мм или в виде гранул из оксида алюминия, которые укладываются в металлический цилиндр, закрытый по торцам сетками. Чтобы обеспечить необходимый массоперенос между ОГ и каталитической поверхностью, ее площадь увеличивают путем нанесения на нее гамма-оксида алюминия (с пористой структурой), содержащего каталитический материал.

4.5.3 Классификация и виды нейтрализации ОГ

Различают нейтрализаторы двух типов: пламенные термические и каталитические. В пламенных нейтрализаторах реакция окисления осуществляются за счет дожигания продуктов неполного сгорания, а во втором за счет интенсивного протекания беспламенных процессов окисления в присутствии катализатора.

По характеру основной реакции нейтрализации отработавших газов нейтрализаторы могут быть подразделены на окислительные, восстановительные и трехкомпонентные или бифункциональные. Каталитические нейтрализаторы окислительного типа обеспечивают окисление СО и СmНn за счет избыточного воздуха в обедненных смесях или подачи дополнительных порций воздуха.

Нейтрализаторы восстановительного типа могут работать при дефиците воздуха, так как они обеспечивают снижение NOx без подачи воздуха. Каталитические нейтрализаторы восстановительного типа могут быть выполнены комбинированными для получения двухсекционных нейтрализаторов. Трехкомпонентный нейтрализатор с зондом является наиболее эффективной системой очистки ОГ. Он обеспечивает необходимый уровень всех основных компонентов ОГ, при работе на стехиометрической смеси. Такой нейтрализатор называется трехкомпонентного или бифункциональным, т.е. восстановительным и окислительным.

Пламенные нейтрализаторы. Термический нейтрализатор представляет собой реакционную камеру, в которой при высокой температуре (порядка 900°С) происходит окисление СО и СmНn.

На режимах работы бензиновых двигателей, выбрасывающих большое количество СО, для пламенного дожигания периодически применяют электрическую искру. Горение осуществляется самостоятельно.

Если ДВС работает на обогащенной смеси, то требуется подача воздуха перед нейтрализатором. Если ДВС работает на обогащенной смеси, то требуется подача воздуха перед нейтрализатором с помощью компрессора. Нейтрализатор начинает работать при существенно более высокой температуре (t = 600 oC), чем каталитический. Низкая долговечность термического нейтрализатора из-за невозможности обеспечить достаточную прочность материалов для деталей нейтрализатора в условиях высоких температур и коррозионной стойкости ОГ. Поэтому термические нейтрализаторы не получили распространение на автомобилях общего назначения.

Существенным недостатком термических нейтрализаторов является отсутствие положительного эффекта на режимах пуска и прогрева, когда выбросы СmНn и СО особенно велики. Термический нейтрализатор начинает работать при существенно более высокой температуре (t = 600 °С), чем каталитический. Термические нейтрализаторы не получили распространения на автомобилях общего назначения.

Размещение нейтрализатора непосредственно за выпускным трубопроводом двигателя ускоряет его прогрев до рабочей температуры, обеспечивающий эффективный тепловой режим его работы. Одновременно с этим возрастают высокие тепловые нагрузки. Максимальная допустимая температура рабочей зоны нейтрализатора может достигать 1000 ?С. Пропуски воспламенения в работе двигателя могут привести к увеличению рабочей температуры нейтрализатора, а затем и его разрушению..

Каталитический нейтрализатор. Принципиальное отличие каталитического нейтрализатора от пламенного, заключается в том, что процессы окисления происходят на его поверхности. Отсутствие высокотемпературных очагов окисления исключает возможность образования дополнительного количества окислов азота.

В выпускном тракте двигателя температура составляет (300-800) оС. Скорость реакций невелика. За время пребывания в системе выпуска состав газов изменяется незначительно. Для ускорения протекающих реакций используют катализаторы, являющиеся веществами, способные увеличивать скорость реакции, приводящей к получению желаемого продукта. При этом количество активного вещества катализатора остается неизменным.

Активный каталитический слой состоит из тончайшего покрытия благородными металлами (Pt, Rh, Pd), чувствительными к содержанию свинца в топливе, при отложении которого активность каталитического слоя быстро падает. Поэтому двигатели с каталитическими нейтрализаторами должны эксплуатироваться исключительно на неэтилированном бензине.

Окислительными катализаторами являются платина и палладий. Они добавляют кислород к углеводородам и окиси углерода, содержащимся в ОГ, преобразуя углеводороды в водяной пар, а окись углерода - в двуокись углерода.

Восстановительным катализатором является родий. Он ускоряет химическую реакцию, отнимая кислород из окислов азота и преобразуя окислы азота в безвредный азот., являющийся одной из основных составляющих воздуха.

Трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы. Для нейтрализации образующегося в процессе сгорания смеси оксида азота NOх используются реакции его восстановления до азота N2 и аммиака NH3. В качестве восстановителей используются находящиеся в ОГ СО, СmНn и Н2. При работе двигателя на стехиометрической смеси основным продуктом восстановления NO является NO2, а на богатых смесях больше образуется NH3.

Для большего образования N2 при восстановления NO2 и меньшего NН3 катализатор, кроме платины, должен содержать родий Рh. Ряд фирм для снижения стоимости нейтрализатора применяют триметаллический катализатор: платина, палладий, родий в соотношении 1:16:1 или 1:28:1. На один нейтрализатор расходуется от 1,5 до 3 г платины.

В бифункциональном катализаторе применяют подачу дополнительного воздуха между двумя секциями. Это позволяет осуществлять снижение не только NОх, но также СmНn и СО.

Недостатками нейтрализатора является конструктивная его сложность и необходимость работы двигателя в условиях высоко расхода топлива (л=0,9).

Принцип действия трехкомпонентных нейтрализаторов основывается на процессе одновременной и эффективной очистки (до 80%) на катализаторе всех трех основных токсичных компонентов ОГ бензиновых двигателей (окиси углерода, углеводородов и окислов азота) при условии строгого контроля состава горючей смеси.

Блок-носитель помещают внутри корпуса нейтрализатора из жаропрочной нержавеющей стали толщиной около 1,5 мм. Между блокомносителем и корпусом ставится специальная терморасширяющаяся прокладка. Скорость процесса окисления на поверхности катализаторе зависит от концентрации реагирующих компонентов.

Быстрый прогрев нейтрализатора очень важен для уменьшения ВВ , так как при пуске и прогреве к холодного ДВС Ог имеют наибольшую концентрацию ВВ. Нейтрализатор начинает работать при температуре 300 оС, а для достижения высокой эффективности нейтрализатора требуется температура выше 600 оС. За первые 2 мин после пуска холодного ДВС содержание СmНn может составлять до 75%, окислов азота до 50% общего количества выбросов за весь испытательный цикл автомобиля на токсичность. До введения «Евро4» контроль ОГ проводился при температуре ОС выше 20 оС. Устанавливают дополнительный нейтрализатор после выхлопа. Новшеством, повышающим эффективность катализатора, стало введение в состав материалов, аккумулирующих кислород. Принцип действия таких добавок заключается в том, при наличии в газах свободного кислорода такие вещества вступают с ним в реакцию , т.е. аккумулируют избыточный кислород.

2 СeO3 +O2 4 Ce O2 (4.30)

Сe2 O3 +HO2 2 CeO2 + H2 (4.31)

В восстановительной среде, несмотря на отсутствие свободного кислорода, оксидирование СО и СН происходит благодаря накопленному кислороду по схемам



2 СeO3 +СO 2 Ce2O3 + СО2 (4.32)

2СeO2 +H2 Ce2O3 + H2O (4.33)

В этом случае обеспечиваются оптимальные условия для протекания реакции нейтрализации даже при неизбежном отклонениях состава смеси от теоретического.

Керамические блоки (носители катализатора) стали более совершенными с большей удельной поверхностью проходных каналов. Керамические блоки содержат 900 каналов на 645 мм2 площади поперечного сечения блока. Удельная суммарная поверхность каналов увеличена с 3 и 3,5 м2/л объема блока до 4,2 и 5 м2/л., а толщина стенок каналов уменьшилась до 25 мк.

4.5.4 Устройство и принцип работы нейтрализатора

Рисунок 4.6. Принципиальная схема трехкомпонентного нейтрализатора:

1-входной патрубок; 2- уплотнение ; 3- сетка; 4- корпус; 5- выходной патрубок; 6- окислительная ступень 7- восстановительная ступень

Принципиальная схема трехкомпонентного нейтрализатора ОГ приведена на рис.4.6. Нейтрализатор представляет специальное устройство, заключенное в нержавеющий стальной корпус. За стальной оболочкой находится специальный мат из керамических волокон и смол. Каталитический нейтрализатор конструктивно состоит из входного и выходного устройства, служащих для подвода и выхода нейтрализуемого газа, корпуса и заключенного в него реактора, представляющего собой активную зону, где протекают каталитические реакции.

С целью исключения опасности разрушения слишком длинного одиночного блока внутри оболочки нейтрализатора располагаются два керамических блока. Эти блоки, содержащие веществокатализатор, должно быть надежно закреплены внутри оболочки . Между оболочкой и керамическими блоками уложена металлическая сетка, обеспечивающая правильную установку блоков и исключающая чрезмерные механические нагрузки на них.

Каталитический нейтрализатор имеет внутри корпуса носитель, на поверхность которого наносят покрытие из каталитического материала. В качестве носителя применяется гранулированная или монолитная керамическая основа. Монолитная структура характеризуется максимальным использованием каталитической поверхности, долговечностью, физической прочностью и низкой тепловой инертностью. Он содержит керамический блок сотовой структуры с нанесенным каталитическим покрытием, размещается в двух штампованных полукорпусах и удерживается от перемещений посредством сжатия через терморасширяющуюся прокладку.

Каталитический преобразователь представляет собой камеру, входящую в состав выхлопной системе, в которой происходит преобразование ВВ в безвредные. Преобразователь изготовлен из керамики с множеством продольных каналов для пропуска ОГ. Поверхности каналов покрыты тонкой пленкой благородных металлов - платиной и родием. При нормальной работе преобразователя благородные не расходуются.

В качестве катализатора используется платина (Рt) и родий (Rh), нанесенные на керамический сотовый блок. При температуре 300 оС он разбухает и надежно предохраняет самый дорогой элемент катализатора - монолит. Кроме этого, мат предотвращает утечку ОГ вдоль корпуса. Монолит изготавливают из керамики или металла. Он имеет сотовую структуру. Поверхность монолита составляет площадь 3 м2. Если на поверхность каналов монолита нанести тонкий специальный слой (промежуточное покрытие), то общая активная поверхность катализатора увеличится до 2400 м2.

Зависимость напряжения -зонда от коэффициента избытка воздуха от температуре датчика 500-800 оС: 1-условная точка средних значений приведена на рис.4.7. Когда = 1 даже небольшое изменение приводит к скачку выходного напряжения. Это изменение сигнала вблизи =1 позволяет ЭБУ легко обрабатывать сигнал.

Рисунок 4.7. Зависимость напряжения л-зонда от коэффициента избытка воздуха, от температуры датчика 500-800оС:

1- условная точка средних значений (Uвых=0,5 В при б=1,1)

I- обогащение смеси уменьшение кислорода в ОГ;

II-увеличение кислорода в выхлопе;

Существуют датчики на основе двуокиси циркония и двуокиси титана. Схема циркониевого датчика кислорода приведена на рис.4.8. Он содержит корпус 3, керамический элемент 1, керамический изолятор 5. Два электрода внешний и внутренний выполненные из пористой платины и ее сплава, разделены слоем твердого электролита. В качестве электролита используют диоксид циркония со стабилизирующими добавками оксида иттрия.

Внешний 13 и внутренний 16 электроды зонд выполнены из пористой платины или ее сплава и разделены слоем твердого электролита 1 из двуокиси циркония. Внутренний электрод 16 находится в воздухе с постоянным парциальным давлением кислорода, а внешний 13 омывается отработавшими газами в выпускной системе двигателя. Ионная проводимость твердого электролита, возникающая в результате разности парциальных давлений кислорода на внешнем и внутреннем электродах, обусловливает появление разности потенциалов между электродами. Циркониевый датчик можно рассматривать как гальниванический элемент.

Рисунок 4.8.

Схема датчика кислорода: 1-защитный элемент; 2-защитный колпачок с прорезями; 3-корпус; 4-керамический уплотнитель; 5-керамический изолятор; 6-уплотнитель; 7- выводы нагревателя; 8-вывод сигнала; 9-12- контакты; 10-нагревательный элемент; 11-кожух; 13-16-соответственно внутренний и наружный пластиновые электроды; 14- вольтметр; 15- полость; 17-выпускной трубопровод; А-устройств; Б-схема размещения;

При низком уровне парциального давления кислорода в обогащенной смеси (б<1)датчик генерирует остаточно большое напряжение (7001000) мВ.

При переходе состава смеси через стехиометрическое значение в область обедненных смесей (>1) парциальное давление кислорода в ОГ заметно увеличивается, что приводит к резкому падению напряжения на выходе от (7001000) мВ до (50100) мВ.

Характеристика -зонда позволяет определить стехиометрический состав смеси с погрешностью не более ±0,5 %. Нагреватель датчика кислорода представляет собой спираль, расположенную внутри датчика кислорода. Он предназначен для скорейшего прогрева и выхода датчика на рабочий режим. ЭБУ подает напряжение на нагреватель до момента когда датчик начинает генерировать быстроменяющиеся напряжение-рабочий режим.

Датчик кислорода позволяет проверить сопротивление нагревателя, отсоединив разъем от датчика R вd =(510) Ом. Можно измерить опорное напряжение ЭБУ при снятом разъеме и при включенном зажигании равное

U = 0,45 В.

Наиболее совершенными в настоящее время являются нейтрализаторы с блочным катализатором. Использование блочных катализаторов позволяет по сравнению с гранулированными катализаторами уменьшить объем, массу и площадь поперечного сечения нейтрализаторов. Необходимо указать также и на то, что малая удельная масса монолитного катализатора и его высокоэффективная геометрическая поверхность существенно уменьшают время разогрева нейтрализатора при холодных пусках, что является важным положительным качеством. Для уменьшения вибрационных нагрузок со стороны ДВС нейтрализатор подключают к выпускному трубопроводу или приемной трубы через соединение или через компенсатор колебаний.

При нормальной работе этого датчика напряжение на этом датчике изменяется скачкообразно от 0 до 0,9 В. По мере отравления датчика изменения уменьшаются. При полностью отравленном датчике величина напряжения будет равна 0,4 В.

Датчики концентрации кислорода подразделяются на элетрохимические и резистивные.

Первый тип датчиков работает по принципу элемента, вырабатывающего электрический ток. Второй работает как резистор изменяя свое сопротивление от условий среды, в которой он находится.

Обычно используют датчики на основе твердого электролита двуокиси циркония (ZrO2 ) и на основе полупроводниковой керамики ТiO2 (двуокиси титана) с использованием иттрия (Y), платины (Pt), палладия (Pd), сложных соединений на основе алюминия (Al). Действие циркониевых датчиков основано на электрохимическом принципе. Нормальная работа таких датчиков зависит от температуры, поэтому их выполняют подогреваемыми.

Наибольшее распространение в настоящее время получили электрохимические датчики кислорода. В них используется свойство диоксида циркония создавать разность электрических потенциалов (напряжение) при разной концентрации кислорода (в ОГ и ОС).

Керамический наконечник находится в потоке ОГ, поступающих через отверстия в защитном экране. Эффективная работа датчика возможна при температуре не ниже (300350) оС. Поэтому датчик снабжен подогревательным элементом, представляющим из себя керамический стержень со спиралью накаливания внутри. Керамический нагревательный элемент входит внутрь циркониевого элемента. В один конец нагревательного стержня герметично заделан толстослойный проводник тепла.

Нагревательный элемент подвижно поддерживается закрепительной втулкой, которая также передает напряжение датчика от внутреннего электрода. Диапазон рабочих температур находится в пределах (300800) оС.

Чувствительным элементом титановых датчиков на основе Тi являются преобразователи резистивного типа, т.е. их проводимость меняется вследствие физико-химического взаимодействия с кислородом ОГ. Эти датчики работают на принципе изменения проводимости окиси титана.

Датчик автомобиля «Святогор» размещен на ВТ. По содержанию кислорода в ОГ датчик информирует ЭБУ о составе горючей смеси. Анализируя информацию от кислородного и других датчиков, ЭБУ нормализует состав смеси за счет изменения времени открытия ЭМФ. Разъем жгута снабжен контактами «А», «В», «С» и «Д». Исправный датчик имеет напряжение 0,10,9 В при частоте вращения КВ равной 2500 мин-1.

Двуокись циркония при высоких температурах приобретает свойство электролита. Датчик становится гальваническим элементом. Закрытый его конец рабочего элемента помещают в приемный трубопровод, а открытый остается снаружи и сообщается с атмосферой. Если в приемном трубопроводе содержание кислорода меньше по сравнению с окружающей средой, то между внутренний и внешний циркониевыми поверхностями возникает разность потенциалов.

Схема подключения датчика приведена на рис.4.9. Датчик без нагревателя могут иметь один или два сигнальных провода, со встроенным электрическим нагревателем 0- три или четыре провода. Провода светлых цветов относятся к нагревателю , а темных - к сигнальному проводу.

Рисунок 4.9. Схема подключения л-зонда:



1-сигнальный на ЭБУ (черный); 2-3-подогрев (белый); 4-земля датчика (серый);

Все элементы датчика кислорода изготовлены из жаростойких материалов, так как его рабочая температура может достигать 950 оС. Выходящие провода имеют термостойкую изоляцию. Датчик кислорода без нагревания устанавливают в выпускном трубопроводе ближе к двигателю, а с нагревательным элементом перед нейтрализатором.

Датчик кислорода имеют неразборную конструкцию и не требуют обслуживания. Ресурс электрохимических датчиков кислорода составляет 60..80 тыс. км. при соблюдении условий эксплуатации. Иногда устанавливают два датчика - до нейтрализатора и после него.

Рекомендуется проверять датчики кислорода при каждом техническом обслуживании автомобиля.

Работа нейтрализатора. При работе двигателя на режиме ХХ ОГ поступают в корпус через входной патрубок, через запорный клапан проходят в расположенный за ним реактор, очищаются и через выходной патрубок выходят из нейтрализатора. При работе двигателя на режиме частичных нагрузок, т.е. при увеличении количества проходящих через нейтрализатор ОГ, они дополнительно открывают впускной клапан и часть ОГ проходит через расположенный за ним реактор.

Для снижения сопротивления потока газов со стороны катализатора площадь всех отверстий сот примерно в 1,5 раза больше, чем подводящих или отводящих труб. Поверхностный катализ может быть использован как в процессе окисления, так и в процессах восстановления. Для устранения вредных компонентов используется только окисление в присутствии катализатора, которое получило известность как дожигание в присутствие и катализатора. В ходе его происходит преобразование СО и СmНn в СО2 и Н2О. Восстановление в присутствии катализатора можно было бы использовать также для преобразования окиси азота в молекулярный азот.

Работа датчика основана на том, что керамический материал является пористым и производит диффузию кислорода, присутствующего в воздухе (твердый электролит). При высоких температурах керамика становится проводящей и если концентрация кислорода на одном из электродов отличается от концентрации на другом, то между ними генерируется напряжение.

Внешний и внутренний электроды выполнены из пористой платины или ее сплава и разделены слоем электролита из двуокиси циркония. Внутренний электрод находится в воздухе с постоянным парциальным давлением кислорода, а внешний электрод омывается ОГ в выпускной системе ДВС.

Ионная проводимость твердого электролита, возникающая в результате разности парциальных давлений кислорода на внешнем и внутреннем электродах, обуславливает появление разности потенциалов между электродами.

Устанавливают два -зонда. Это позволяет скорректировать управление по сигналу первого датчика и уменьшить амплитуду периодических колебаний, а следовательно увеличить каталитические превращения СО, CmНn и NOх. В системе нейтрализации СНОГ 45% неисправностей приходится на -зонд, нейтрализатор 16% и систему зажигания 6%. Субъективно определить их трудно.

Надежность нейтрализатора в значительной мере зависит от состава топлива. Особенно на нейтрализатор воздействует свинец. Он оседает на поверхность катализатора. блокирует или отравляет катализатор при испытаниях автомобилей с нейтрализатором согласно нормам должен применяться бензин с содержанием свинца не более 5 мг/л.

При тепловых напряжениях керамические блоки нейтрализатора могут разрушаться (закупориться) вызвав повышение противодавления. На работающем двигателе (при n=2500 мин) величина противодавления должна составлять не более 8,62 кПа (измеряется с помощью манометра устанавливаемого в отверстие вместо датчика концентрации кислорода).

Применение зонда. В США, Европе и Японии только каталитическая очистка отработавших газов с использованием трёхкомпонентных нейтрализаторов и системой с обратной связью обеспечивает удовлетворение существующим нормам по предельным концентрациям СО, NОх и СmНn в ОГ. Коэффициент избытка л используется для определения пропорций воздуха и топлива в рабочей смеси и отношений между действительным и стехиометрическим составами смеси. В основном для двигателя с искровым зажиганием для оптимизации состава отработавших газов используются две разновидности обратной связи.

Расчет нейтрализатора сводится к определению необходимого объема катализатора для окисления заданного количества основного токсичного компонента при обеспечении процесса необходимым количеством кислорода. Затем определяют параметры реактора и длину каталитического слоя, зависящего от скорости кинетических превращений и скорости потока. Объемная скорость, представляющая собой отношение часового объемного расхода газа к объему катализатора, предложенного нейтрализатора равна 25000 час-1, температура ОГ на входе равна 400 оС, а на выходе составляет 575 оС. Средняя температура равна 485 оС. Исходная концентрация равна 2,0 %, а конечная - 0,1%. . Содержание ВВ в ОГ с нейтрализатором и без нейтрализатора приведено в таблице 4.1.

Таблица 4.1 Содержание ВВ в ОГ с нейтрализатором и без нейтрализатора

Вещество	Концентрация, %	Степень очистки %
	до нейтрализации	после нейтрализации
СО	0,06	0,05	20
NОх	0,002	0,001	50
Альдегиды	0,0144	0,003	98
SO2	0,008	0	100

При применении нейтрализатора с двумя ступенями очистки во время работы двигателя по внешней характеристике были снижены выбросы: оксида углерода в 1,42-1,45 раза; оксида азота в 2,03-2,05 раза; углеводородов - в 2,21 - 2,24 раза; твёрдых частиц - в 2,83 - 2,85 раза.

При переходе на одну ступень очистки снизилось противодавление выпуску с 6,37 по 3,92 кПа (с 650 до 400 мм.вод.ст). Причём было обнаружено, что каталитический нейтрализатор успешно выполнял функцию глушителя шума выпуска. Если стандартный глушителей КамАЗ - 740 снижал уровень шума выпуска до 113 дБА, то каталитический нейтрализатор с двумя ступенями очистки - до 111 дБА.

Наблюдение за работой каталитического нейтрализатора в течении 1200ч эксплуатации в различное время года показало, что эффективность очистки газов за указанный период ухудшилась: содержание СО уменьшилось в 1,05-1,14 раза; NОх - в 1,14 - 1,15 раза; CmНn -1,44 - 1,31 раза; твёрдых частиц - в 2,49 -2,50 раза. Однако после промывки каталитических блоков в растворе нашатырного спирта и моющем растворе эффективность очистки нейтрализатора восстановилась на 85-90 %.

Каталитический нейтрализатор отработавших газов на блочных носителях с сотовой структурой. В настоящее время для очистки отработавших газов ДВС применяются преимущественно катализаторы из блочных носителях с сотовой структурой, а не с гранулами. Это в первую очередь связано с тем, что слой гранулированного катализатора создаёт значительное сопротивление газам, а значит. Однако гранулированные катализаторы имеют ряд преимуществ перед блочными, в частности, меньшее содержание драгоценных металлов, более высокие механическую прочность и термическую стойкость, простую технологию изготовления.

Реакция окисления окиси углерода при катализаторах, содержащих драгоценные металлы, легко переходит в гетерогенно-гомогенный режим, когда происходит скачкообразное увеличение степени превращения окисляемого вещества до ~ 100%. Однако реализуется этот режим лишь при определённой температуре катализатора - так называемого температуре «вспышки» процесса. Причём после её достижения объёмную скорость газового потока можно увеличить более чем на порядок, без снижения эффективности очистки.

Эти особенности были использованы при разработке новой конструкции реактора палладий содержащего нейтрализатора. Идея, заложенная в конструкцию, проста: снизить скорость потока газа через слой зернистого катализатора, чтобы тем самым увеличить время пребывания молекул газа в контакте с катализатором и, как результат, уменьшить температуру «вспышки». Реализуется эта идея тоже не сложным образом: в зону контакта вводятся одна или несколько сетчатых трубок, и часть газа проходит мимо катализатора с большей скоростью. Оставшаяся часть всё же попадает на гранулы, но её скорость уменьшается. Поэтому данная часть и задерживается там на значительно большее время, чем было бы при отсутствии трубок. Молекулы нейтрализуются, а их температура повышается настолько, что они сами становятся инициаторами догорания газов, которые проходят по трубкам. Это ведёт к уменьшению температуры вспышки, а увеличение свободного объёма в зоне катализатора благоприятствует протеканию процесса в гетерогенно-гомогенном режиме.

На первом этапе были разработаны конструкции каталитических нейтрализаторов, в которых автоматическое выключение из работы отдельных ступеней нейтрализации в зависимости от режимов работы двигателя обеспечивало экономию топлива до (57) % по сравнению с аналогичными одноступенчатыми нейтрализаторами.

...