Конспект
Способы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе
Существует несколько способов нейтрализации отработавших газов в выпускной системе автомобиля:
1.Окисление отработавших газов путем 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.
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.
Нейтрализация 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 разработать системы нейтрализации.
В 1970году 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:CH-на 87%, CO-на 82% и NO-на 24%.
В 1975 ггоду 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 – CO и CH.Окислительными – потому,что происходившие реакции представляли из себя окисление молекул CO и CH с образованием углекислого газа CO2 и воды H2O.
Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор представляет собой корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска дот глушителя.В корпусе распологается 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 содержащийся в бензине серы, оказалась благородная платина. На долю катализаторов приходится до 60% себестоимости устройства. Именно благодаря им происходят необходимые химические реакции- окисление монооксида углерода (CO) и несгоревших углеводородов (CH), а также сокращение количества окиси азота (NOx).
Впрочем, все шире в качестве носителей каталитического слоя используются тончайшие металлические соты. Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, получить меньшее противодавление, ускорить разогрев каталитического нейтрализатора до рабочей температуры и,главное, расширить температурный диапазон до 1000-1050C.
Делают это на Западе, конечно же, не для применения карбюраторов – там они почти забыты.Просто с появлением современных двигателей, работавших 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 NOх окисляются или востанавливаются до углекислого газа CO2, азота N2 и воды H2O.
Широкое использование нейтрализаторов,,взорвалo”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, находится в пределах 250-3500C. Время же, необходимое для разогрева, может достигать несколько минут и зависит от типа автомобиля, способа его эксплуатации и температуры воздуха.Холодный катализатор практически неэффективен – следовательно, необходимо уменьшить время достижения температуры активации.
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”.
Обратная связь
Трехкомпонентный нейтрализатор наиболее эффективен при определенном составе отработавших газов.Это значит, что нужно очень точно выдержать 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 CO и CH, если беднее - NOх
Если кислорода осталось много – значит, смесь слишком бедная,если мало – то богатая.А по результатам мгновенного анализа, которым занимается электроника,можно быстро корректировать состав смеси в ту или иную сторону. Напряжение на выходе кислородного датчика принимается два уровня. Если смесь бедная, то низковольтный сигнал дает команду на обогащение топливной смеси, и наоборот.
Таким образом, датчик кислорода – это своеобразный переключатель, сообщающий контроллеру впрыска о концентрации кислорода в отработавших газах. Контроллер принимает сигнал с лямба-зонда, с равнивает 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.
Коэффициент избыточного 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,необходимо по возможности более строгое соблюдение равенства для того, чтобы трехкомпонентный катализатор смог полностью выполнить свое предназначение и сократить объем вредных выбросов до минимума.