Системы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе ДВС - Экология - Скачать бесплатно
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ТЕПЛОТЕХНИКИ И ГИДРАВЛИКИ
РЕФЕРАТ ПО ТРАНСПОРТНОЙ ЭКОЛОГИИ
СИСТЕМЫ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЕЙ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В ВЫПУСКНОЙ СИСТЕМЕ
[pic]
ВЫПОЛНИЛ: студент группы АТ-312
Литвинов Александр Владимирович
ПРОВЕРИЛ: Захаров Евгений Александрович
ВОЛГОГРАД 2004
СОДЕРЖАНИЕ:
| |Введение |3 |
|1. |Способы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе |4 |
|2. |Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе бензиновых |4 |
| |двигателей | |
| |Эволюция каталитических нейтрализаторов |4 |
| |Устройство и принцип действия каталитических нейтрализаторов |5 |
| |Разогрев каталитических нейтрализаторов |6 |
| |Обратная связь |7 |
| |Кислородные датчики |8 |
| |Условия нормальной работы каталитических нейтрализаторов |10 |
|3. |Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизельных |11 |
| |двигателей | |
| |Комплексная очистка отработавших газов дизеля |11 |
| |Сажевые фильтры |11 |
| |Система DRNR (TOYOTA) |12 |
| |Плазменный нейтрализатор |13 |
| |Обратная связь дизеля |14 |
| |Система SCR (MERCEDES–BENZ) |15 |
| |Заключение |16 |
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:
|СОСТАВ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ |
|БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ДИЗЕЛЕЙ |
|Компоненты |Концентрация, % |
|отработавших | |
|газов | |
| |Бензиновый|Дизель |
| | | |
| |двигатель | |
|Азот |74-77 |74-78 |
|Кислород |0,3-8,0 |2,0-18 |
|Водяной пар |2,0-5,5 |0,5-9,0 |
|Оксиды |0,5-12 |0,005-0,4 |
|углерода | | |
|Оксиды азота |0,01-0,8 |0,004-0,6 |
|Диоксид серы |- |0,002-0,02 |
|Углеводороды |0,2-3,0 |0,01-0,3 |
|Альдегиды |0-0,2 |0,001-0,009 |
|Сажа, г/мз |0-0,04 |0,01-1,1 и |
| | |более |
Таблица 1 – Состав отработавших газов бензиновых и дизельных двигателей
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.
|ЕВРОПЕЙСКИЕ И КАЛИФОРНИЙСКИЕ (LEV, ULEV, |
|SULEV) СТАНДАРТЫ |
|Нормы |Бензиновый |Дизельный |
|токсичност|двигатель |двигатель |
|и | | |
|CO |CH |NOx |CO |NOx |CH+NOx |Сажа | |Евро III, с 2000 г. |2,3 |0,2 |0,15
|0,64 |0,5 |0,56 |0,05 | |Евро IV, с 2005 г. |1,0 |0,1 |0,08 |0,5 |0,25
|0,30 |0,025 | |LEV |2,1 |0,2 |0,15 |- |- |- |- | |ULEV |1,0 |0,02 |0,03 |-
|- |- |- | |SULEV, с 2004 г. |0,62 |0,006 |0,0125 |- |- |- |0,006 |
|Таблица 2 – Европейские и американские нормы токсичности отработавших
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.
1. 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 NOx, 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.
2. 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 NOх — 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 (300єС) – 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 (NOx). В трехкомпонентном
нейтрализаторе платина и палладий вызывают окисление СО и СН, а родий
”борется” с NOx. 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 єС. 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 1000-1050єС. 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
1300єС.
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 NOx 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 — NOX.
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 ? 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 (рис.9). 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.
Таким образом, датчик кислорода - это своеобразный переключатель,
сообщающий контроллеру впрыска о концентрации кислорода в отработавших
газах. Контроллер принимает сигнал с лямбда-зонда, сравнивает его со
значением, прошитым в его памяти и, если сигнал отличается от оптимального
для текущего режима, корректирует длительность впрыска топлива в ту или
иную сторону. Таким образом, осуществляется обратная связь с контроллером
впрыска и точная подстройка режимов работы двигателя под текущую ситуацию с
достижением максимальной экономии топлива и минимизацией вредных выбросов.
Бензиновому двигателю для работы требуется смесь с определенным
соотношением воздух-топливо. Соотношение, при котором топливо максимально
полно и эффективно сгорает, называется стехиометрическим и составляет
14,7:1. Это означает, что на одну часть топлива следует взять 14,7 частей
воздуха. На практике же соотношение воздух-топливо меняется в зависимости
от режимов работы двигателя и смесеобразования. Двигатель становится
неэкономичным.
Коэффициент избыточности воздуха при работе двигателя постоянно
меняется и диапазон 0,9 - 1,1 является рабочим диапазоном лямбда-
регулирования. В то же время, когда двигатель прогрет до рабочей
температуры и не развивает большой мощности (например, работает на холостом
ходу), необходимо по возможности более строгое соблюдение равенства [pic]
для того, чтобы трехкомпонентный катализатор смог полностью выполнить свое
предназначение и сократить объем вредных выбросов до минимума.
Лямбда-зонды бывают одно-, двух-, трех- и четырехпроводные.
Однопроводные и двухпроводные датчики применялись в самых первых системах
впрыска с обратной связью (лямбда-регулированием). Однопроводный датчик
имеет только один провод, который является сигнальным. Земля этого датчика
выведена на корпус и приходит на массу двигателя через резьбовое
соединение. Двухпроводный датчик отличается от однопроводного наличием
отдельного земляного провода сигнальной цепи. Недостатки таких зондов:
рабочий диапазон температуры датчика начинается от 300 єС. До достижения
этой температуры датчик не работает и не выдает сигнала. Стало быть,
необходимо устанавливать этот датчик как можно ближе к цилиндрам двигателя,
чтобы он подогревался и обтекался наиболее горячим потоком выхлопных газов.
Процесс нагрева датчика затягивается, и это вносит задержку в момент
включения обратной связи в работу контроллера. Кроме того, использование
самой трубы в качестве проводника сигнала (земля) требует нанесения на
резьбу специальной токопроводящей смазки при установке датчика в выхлопной
трубопровод и увеличивает вероятность сбоя (отсутствия контакта) в цепи
обратной связи.
Указанных недостатков лишены трех- и четырехпроводные лямбда зонды. В
трехпроводный кислородный датчик добавлен специальный нагревательный
элемент, который включен, как правило, всегда при работе двигателя и, тем
самым, сокращает время выхода датчика на рабочую температуру. А так же
позволяет устанавливать лямбда-зонд на удалении от выхлопного коллектора,
рядом с катализатором. Однако остается один недостаток - токопроводящий
выхлопной коллектор и необходимость в токопроводящей смазке. Этого
недостатка лишен четырехпроводный лямбда-зонд - у него все провода служат
для своих целей - два на подогрев, а два - сигнальные. При этом вкручивать
его можно так как заблагорассудится.
Ресурс датчика содержания кислорода обычно составляет 50 - 100 тыс. км
и в значительной степени зависит от условий эксплуатации, качества топлива
и состояния двигателя. Повышенный расход масла, переобогащенная смесь и
неправильно отрегулированный угол опережения зажигания сильно сокращают
жизнь лямбда-зонду.
|
