Системы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе ДВС

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

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 двигателей	4
	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 двигателей	11
	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 отработавших газов	Концентрация, %
Бензиновый двигатель	Дизель
Азот	74-77	74-78
Кислород	0,3-8,0	2,0-18
Водяной пар	2,0-5,5	0,5-9,0
Оксиды углерода	0,5-12	0,005-0,4
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 токсичности	Бензиновый двигатель	Дизельный двигатель
CO	CH	NO>x>	CO	NO>x>	CH+NO>x>	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 NO_>x>, 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 NO_>х> — 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 СО_>2> и воды Н_>2>О.

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 (300ºС) – 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.

Х

Рисунок 1 – Керамические соты

имикам 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 (NO_>x>). В трехкомпонентном нейтрализаторе платина и палладий вызывают окис­ление СО и СН, а родий ”борется” с NO_>x>. 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 ºС. 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.

В

Рисунок 2 – Соты нейтра­лизаторов Metalit

прочем, 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 1000-1050ºС. 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 1300ºС.

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+O_>2> -> CO_>2>+H_>2>O; NO+CO -> N_>2>+CO_>2>;

C

Рисунок 3 – Реакции в нейтрализаторе

O+O_>2> -> CO_>2>; NO+H_>2> -> N_>2>+H_>2>O.

В результате токсичные со­единения CO, CH и NO_>x> окисля­ются или восстанавливаются до углекислого газа СО_>2>, азота N_>2> и воды Н_>2>О (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

Рисунок 4 – Каталитический нейтрализатор с электроподогревом

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”.

Ч

Рисунок 5 – Оптимум нейтрализа­ции всех трех ком­понентов (около 80%) достигается только в узкой зоне стехиометрического состава смеси

тобы 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>.

П

Рисунок 6 – Современная компоновка системы нейтрализации с системой бортовой диагностики OBD-II (on-board diagnostics)

оддерживать 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. 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.

В

Рисунок 7 – Современный нейтрализатор

первые 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

Д

Рисунок 8 – Кислородный датчик

атчик 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.

Т

Рисунок 9 – Зависимость сигнала датчика от коэффициента избытка воздуха

аким образом, датчик кислорода - это своеобразный переключатель, сообщающий кон­троллеру впрыска о концентрации кислорода в отработавших газах. Контроллер принимает сигнал с лямбда-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.

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 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 ºС. 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. Дольше служат, как  правило, датчики  с  подогревом.  Рабочая  темпера­тура для  них  обычно  315-320°C.  В конструкцию  этих датчиков  включен  нагревающий  элемент,  имеющий на  разъеме свои кон­такты.  Проверку  работоспособности нагревательного  элемента  та­ких  датчиков  можно производить обычным  омметром.  Сопротивле­ние  их  обычно составляет  от 3 до 15 Ом.

Правильно  работающий  лямбда-зонд может многое сказать о том, в каком состоянии находится двигатель и его системы. На некоторых автомобилях с помощью датчика можно достаточно точно отрегулиро­вать содержание СО в выхлопных газах. Неисправный лямбда-зонд не­минуемо вызовет повышенный расход топлива и снижение мощностных характеристик двигателя. Следует отметить, что далеко не все неис­правности лямбда-зонда фиксируются блоком управления, а если фик­сируются, то блок управления переходит в режим управления впры­ском по усредненным параметрам, что тоже приводит к перечисленным выше результатам. Поэтому рекомендуется при малейших подозрениях провести диагностику, а при выявлении неисправности заменить лям­бда-зонд.

Условия нормальной работы каталитических нейтрализаторов

В наши дни каталитические нейтрализаторы распространяются по странам и континентам. Докатились они и до российской глубинки. А здесь их часто встречают... свинцом и ломом. Причина в том, что для нормальной работы катализатора необходимо соблюдать пустяковые по европейским понятиям условия. Посмотрим, какие же это "пус­тячки".

Во-первых, как известно, даже случайная заправка бака этилиро­ванным бензином выводит катализатор из строя. Он окончательно "от­равляется" свинцом - остается только выбросить прибор.

Во-вторых, катализатор эффективно работает только при строгом соблюдении состава топливной смеси - 14,7 весовых частей воздуха на одну часть бензина. Любой карбюратор, даже с электронной систе­мой управления, такой точностью и быстродействием для поддержания требуемого состава смеси не обладает.

Таким образом, катализатор эффективен лишь в сочетании с сис­темой впрыска топлива с электронным управлением. На автомобиле появился микропроцессор, который, анализируя данные о температуре, расходе воздуха через коллектор, оборотах и т.п., а главное - сиг­налы, поступающие от каталитического нейтрализатора, регулирует работу электромагнитных форсунок впрыска топлива. Однако в случае выхода из строя свечи зажигания, перебоев в подаче топлива и т.д. мгновенно нарушается тонкое равновесие состава рабочей смеси - ка­тализатор теряет свою эффективность, причем в некоторых случаях навсегда. Поэтому микропроцессор контролирует работу систем и аг­регатов автомобиля, а о неисправностях сообщает водителю.

Есть и еще одна проблема - каталитический нейтрализатор хорошо справляется с окислами азота, только когда их мало. Упрощенно кар­тина такова: окислов азота тем больше, чем выше температура в ка­мере сгорания, а чем она выше, тем больше КПД мотора. Для борьбы с окислами азота нашли простой выход. Соединили выпускной коллектор со всасывающим патрубком, направив часть выхлопных газов обратно в камеру сгорания со свежей рабочей смесью, что снижает наполнение цилиндров и, следовательно, мощность. Получается, что нейтрализа­тор вредит двигателю.

Но и мотор не остается в долгу. Явный вред катализатору прино­сит так называемое перекрытие клапанов - момент, когда одновре­менно открыты впускной и выпускной клапаны. В цилиндре возникает, так сказать, сквозняк: рабочая смесь вылетает в выхлопную трубу через открытый выпускной клапан и отравляет чувствительный катали­затор. Однако перекрытие клапанов способствует лучшему наполнению цилиндров и повышению мощности мотора, поэтому пока ни один совре­менный двигатель без этого не обходится. Здесь приведены лишь не­которые примеры, показывающие, что в автомобиле все не просто.

3. Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизель­ных двигателей

В

Рисунок 10 – Автомобиль с дизельным двигателем

дизельном двигателе (рис.10) топливо впрыскивае тся 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

Ф

Рисунок 11 – Фильтр «Опеля»: 1 - вход газов с частицами сажи; 2 - фильтрующий элемент; 3 - датчики давления; 4 - датчик температуры; 5 - выход. А - стадия накопления сажи; В - стадия ее выжигания

Рисунок 12 – Совмещенный фильтр «Мерседес-Бенц»: 1 - лямбда-зонд; 2 - обычный окислительный нейтрализатор; 3 - фильтр частиц сажи; 4 - датчики давления; 5 - датчики температуры

ирмы, 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.

А

Рисунок 13 – Новый фильтр длиной 150-300 ми устанавливают рядом с выпускным коллектором (двигатель «Рено» 2,2 л)

ктивные 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.

Система DRNR

"

Рисунок 14 – Система DPNR

Тойота" разработала свою, не менее эффективную систему очи­стки, названную DPNR (рис.14). Она одно­временно обезвреживает и канцероген­ные частицы сажи, и про­сто вредные окислы азота (о СН и СО сегодня говорить уже стыдно – прой­денный этап). Главную роль играет новый микропористый керамический фильтр, покрытый слоем накапливаю­щего азот материала и катализатором на ос­нове платины. Во время работы дви­гателя на бед­ной смеси частицы сажи окисляются атомарным кисло­родом, освобождаю­щимся при соединении NO и О_>2> из выхлопных газов в процессе накопле­ния NO_>2>.

Периодически, когда компьютер кратковременно обогащает смесь, эти частицы окисляются кислородом, возникающим теперь уже при раз­ложении накопленных окислов в безвредный азот.

DPNR показала снижение содержания сажи и NO_>x> на 80% по срав­нению с действующими сегодня нормами, но применима лишь для дизелей последнего поколения, работающих с системой "коммон рейл" высокого давления на топливе с пониженным содержанием серы.

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.

П

Рисунок 15 – Схема плазменного нейтра­лизатора:

1 – узел подвода от­работавших газов;

2 – кварцевая трубка (диэлектрик);

3 – центральный электрод;

4 – внешний элек­трод.

ринципиальная 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.

Обратная связь дизеля

К

Рисунок 16 – Обратная связь дизеля

омпания 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.

Система SCR

С

Рисунок 17 – Система SCR

овсем скоро, в октябре 2005 года, в странах Евросоюза для ав­томобилей начнут действовать более строгие экологические нормы Евро 4, которые сменят ныне действующие Евро 3. И сегодня мировые авто­производители активно работают над тем, чтобы сделать выхлоп двига­телей как можно чище.

В то же время необходимо считаться с покупателем, для которого важно, чтобы автомобиль был относительно дешев и прост в эксплуата­ции. Все это требует эффективных и вместе с тем недорогих систем. Специалисты DaimlerChrysler создали одну из них – SCR (Selective Catalytic Reduction, что можно перевести как «селектив­ный каталитический преобразователь»).

Принцип действия системы SCR (рис.17) заключается в химической реакции аммиака с окисью азота выхлопных газов, в результате кото­рой образуются безвредный азот и водяной пар.

Здесь, правда, возникает один вопрос: а как перевозить на ав­томобиле аммиак – довольно токсичное вещество? Известный концерн Total в свое время создал безопасный заменитель аммиака, разрабо­танный на водной основе и соответствующий стандартам DIN 70070. Сегодня он широко применяется в сельском хозяйстве, текстильной промышленности, а также при изготовлении косметики и парфюмерии. Данная жидкость – совершенно не токсичная, без цвета и запаха – в «автомобильном» исполнении называется AdBlue.

Селективный преобразователь состоит из двух основных узлов: непосредственно каталитического нейтрализатора с сотовой структу­рой, вмонтированного в глушитель автомобиля, и дополнительного бака под аммиачный заменитель AdBlue. Так что установка системы SCR на автомобили с моторами Евро 3 не потребует кардинального из­менения их конструкции.

Средний расход «голубой» жидкости – около 6% от потребляемого автомобилем дизтоплива: например, для магистрального тягача он со­ставляет около 2 л на 100 км. Таким образом, 100-литрового бака с AdBlue хватит на 5000 км пути.

Двигатель оснащается дополнительным модулем, совмещенным с электронной системой управления мотором, который точно дозирует количество жидкости AdBlue, подаваемой в выпускной коллектор.

Но это еще не все. Очень важно, что моторы с системой SCR су­щественно экономичнее: например, на дальнобойных грузовиках расхо­дуется на 30% меньше топлива. А чем выше экономия – тем меньше со­держание вредных веществ в выхлопных газах.

Работы над технологией очистки SCR были начаты еще в 90-е гг. Сегодня система практически готова к серийному производству. Осна­щать грузовики и автобусы Mercedes-Benz системой SCR должны начать в I-м полугодии 2005 года, с тем, чтобы к октябрю 2006 года – пре­дельному сроку перехода на Евро 4 – все вышеуказанные машины марки имели селективный преобразователь выхлопных газов. После небольшой модернизации системы SCR оснащенные ею дизельные моторы будут со­ответствовать экологическим нормам Евро 5, введение которых наме­чено на октябрь 2008 года.

Однако нужно решить еще одну важную проблему – создать раз­ветвленную сеть специальных АЗС, на которых можно будет заправ­ляться «голубым» топливом AdBlue. Концерн Total и другие произво­дители уже активно работают над этим. Результат не заставил себя долго ждать: 26 ноября 2003 года в Штутгарте была торжественно от­крыта первая автозаправочная станция AdBlue. Пока на ней будут за­правляться только проходящие испытания с системой SCR автомобили Mercedes-Benz.

Заключение

Увы, нам пока не до таких нюансов, как токообогрев нейтрализа­торов или индивидуальный контроль сгорания с помощью специальных датчиков в каждом из цилиндров. Россия по уровню автомобильной техники находится сейчас на пороге первой фазы эры нейтрализации — нам надо хотя бы внедрить нейтрализаторы на отечественные автомо­били. Как это было сделано 30 лет назад в Америке и Японии, при­дется правительственными решениями "закрутить гайки" всем без ис­ключения автозаводам и принудить их к выпуску автомобилей, отве­чающих реально выполнимым экологическим требованиям. Правда, от этого немедленно пострадаем мы, покупатели, — ведь автомобили с впрыском и нейтрализатором немедленно станут дороже!

А еще надо обязательно решить проблему с этилированным и не­чистым, с большим количеством вредных примесей, бензином — иначе нейтрализаторы будут очень быстро терять свои способности. И пере­оборудование для этой цели нефтеперерабатывающих заводов по всей стране — это тоже вопрос государственного уровня.

Помимо этого, есть еще масса проблем. Оборудовать ли нейтрали­заторами те автомобили, что уже выпущены? В Соединенных Штатах, например, разрешено эксплуатировать старые карбюраторные машины — это позволяет высокая скорость обновления автопарка. В Германии это тоже разрешено, но владельцы машин без нейтрализаторов платят больший налог. И стремятся от них побыстрее избавиться.
У нас же автомобиль служит до тех пор, пока не сгниет второй кузов и не застучит после четвертой переборки мотор. А как будут обра­щаться с нейтрализаторами гаражные умельцы, уверенные в том, что "катализаторы" сильно ухудшают динамику и экономичность? Будут пробивать их ломом или вырезать из выпускного тракта?
Словом, пока у внедрения нейтрализаторов в России больше врагов, нежели сторонников. Но — "иного нет у нас пути"!

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

Аркадий Алексеев, Михаил Козлов. «Экологический триптих». «За рулем» №6, 1998

Леонид Голованов. «Дышать! Лучше поздно, чем никогда». «Авто­ревю» №1, 1998

Алексей Воробьев-Обухов. «Освежить дыхание». «За рулем» №12, 2000

Юрий Дацик. «Дизельный лямбда-зонд». «Автоцентр» №47, 2002

Алексей Воробьев-Обухов. «Задержать и уничтожить». «За ру­лем» № 12, 2003

Юрий Гоголев. «Будут сверхчистые Mercedes». «Автоцентр» №6, 2004

Алексей Воробьев-Обухов, Витольд Стрелков. «Плазматрон-нейтра­лизатор». «За рулем» №3, 2001

Владимир Корницкий. «Катализаторы с обратной связью». «Авто­центр» №49, 2002

Алексей Воробьев-Обухов. «Датчик кислорода на дизеле». «За ру­лем» №9, 2002

Юрий Макаров. «Нейтрализатор или наше будущее?». «За рулем» №7, 1997

Михаил Гзовский. «Твердый курс ЕВРО». «За рулем» №5, 2002

Сергей Мишин. «Дышите глубже – мы в Европе». «За рулем» №11, 2000

Игорь Мельников. «Не пора ли очиститься?» «Автопрофи» №23, 2003

Оксана Сердюк. «Экология и автомобилестроение». «Автостан­дарт» №4, 2004

Николай Казаков, Ирина Масленникова. «Экологическая безопас­ность транспорта». «Автобизнесмаркет» №14, 2004