Способы снижение токсичности отработавших газов автомобильного двигателя

Дата публикации: 20 декабря 2017 г.

Продолжим разговор об отработавших газах автомобильного двигателя, начатый на этой странице.

Пути снижения токсичности автомобильных выхлопов

Основной задачей для снижения токсичности автомобильного выхлопа является обеспечение равномерного распределения топлива по всем цилиндрам. Это требует очень тщательной отработки и изготовления впускного трубопровода с отдельным выводом патрубков внутри головки к каждому цилиндру. В случае разветвления каналов вблизи клапанных отверстий наибольшее количество топлива получает тот цилиндр, впускной клапан которого раньше откроется, оставляя смесь, поступающую в другой цилиндр обедненной. Неравномерное распределение топлива особенно сильно проявляется при частичных нагрузках двигателя, поэтому целесообразно смесь подогревать, поскольку пары топлива распределяются по цилиндрам гораздо равномернее, чем пассивные капли топлива. В связи с этим заводская инструкция по эксплуатации карбюратора Зенит рекомендует устанавливать впускные коллекторы системы Дуплекс (рис. 1).

Рис. 1. Впускные трубопроводы фирмы Зенит Дуплекс обеспечивают снижение концентрации токсичных веществ в отработавших газах автомобильного двигателя

При частичных нагрузках двигателя заслонки Е закрыты и смесь из карбюратора А проходит через заслонки D к участку В подогрева смеси. Здесь большая часть топлива испаряется и по трубопроводам С поступает в цилиндры двигателя. В случае необходимости получения максимальной мощности заслонки Е открывают и смесь поступает в цилиндры при более низкой температуре, что приводит к существенному увеличению коэффициента наполнения, а значит и мощности двигателя.

Существенное влияние на образование токсичных веществ отработавших газов автомобильного двигателя оказывает также форма камеры сгорания. Уже было сказано о преимуществах камеры сгорания в виде тела вращения Герона, расположенной в головке поршня. Некоторые мероприятия, направленные на снижение образования окислов азота, приводят к увеличению тепловых потерь. Так, например, выяснилось, что кольцеобразная форма камеры сгорания выгодна с точки зрения снижения эмиссии окислов азота; но при этом возрастают тепловые потери и эмиссия углеводородов. Неудачная на первый взгляд плоская форма камеры сгорания двигателей Ванкеля характеризуется образованием малого количества окислов азота, поэтому интерес к ней снова повышается.

Исследования процессов горения топлива в двигателях внутреннего сгорания с точки зрения образования токсичных веществ находятся в полном разгаре, и делать окончательные выводы пока преждевременно.

Токсичные продукты неполного сгорания топлива в цилиндрах двигателя удается также нейтрализовать в выпускном трубопроводе методом дожигания или с помощью окислительных катализаторов . Простейшим способом дожигания является подача дополнительного воздуха к выпускному клапану. На рис. 2 хорошо видна такая трубка подачи воздуха от компрессора с приводом от двигателя.

Рис. 2. Подача дополнительного воздуха к выпускному клапану для нейтрализации токсичности выхлопных газов

Воздух от компрессора поступает по патрубку, вставленному в выпускной коллектор, к выпускному клапану, охлаждая его и обеспечивая дожигание отработавших газов.

Воздух подается как можно ближе к тарели клапана, где температура отработавших газов еще достаточно высока для их догорания. При смешивании отработавших газов с воздухом углеводороды при достаточно высокой температуре взаимодействуют с кислородом, в результате чего происходит их дальнейшее окисление и образование безвредных углекислого газа и паров воды.

Окисление отработавших газов происходит более полно при наличии соответствующего катализатора, помещенного в выпускной трубопровод. Испытания, проведенные с катализаторами, дали очень хорошие результаты, однако недолговечность и высокая стоимость препятствуют их распространению.

Свинец, содержащийся в топливе (тетраэтиловый свинец является весьма эффективным антидетонатором), сильно снижает долговечность катализаторов; свинец осаждается на поверхности катализатора, блокируя его каталитические свойства.

Эффективным методом снижения эмиссии NO_х является рециркуляция отработавших газов. Охлажденные отработавшие газы подаются во впускной коллектор двигателя и снова проходят через камеру сгорания. На это свойство отработавших газов обратил внимание еще Гарри Рикардо в начале своих исследований в области процессов горения и рабочих процессов. Поскольку, однако, рециркуляция ведет к ухудшению наполнения цилиндров свежей смесью, а значит к снижению мощности двигателя, этому способу долго не уделяла особого внимания. Снижая максимальную температуру цикла, рециркуляция отработавших газов тем самым снижает интенсивность образования окислов азота. Снижение мощности стремятся компенсировать сжиганием более богатых смесей и большим открытием дроссельной заслонки (на частичных режимах), что в свою очередь ведет к более интенсивному образованию СО. Рециркуляция отработавших газов связана со снижением степени сжатия, увеличением перекрытия клапанов, установкой более позднего зажигания и т. д. и позволяет снизить эмиссию NO_х до 80%, но такой двигатель становится очень капризным в эксплуатации, в нем часто возникают самовоспламенения, а при прогреве двигатель развивает пониженную мощность.

Неблагоприятное воздействие свинца на долговечность катализаторов привело к попыткам отказаться от применения соединений свинца в качестве присадок бензина. Однако это повлекло за собой ряд серьезных перестроек в производстве высококачественных бензинов, что, естественно, встретило сильное противодействие нефтеперерабатывающих фирм. Кроме того, было обнаружено, что отсутствие свинца в бензине оказывает определенное влияние на износ седел клапанов. Фирмой Зенит был разработан бескаталитический способ дожигания отработавших газов. Было обнаружено, что окисление несгоревших компонентов отработавших газов происходит и без катализаторов, если температура газов достаточно высока и если на дожигание отводится достаточное время. Устройство такого дожигателя показано на рис. 3.

Рис. 3. Реактор Зенит для бескаталитического дожигания отработавших газов

Отработавшие газы с дополнительно поданным свежим воздухом поступают в хорошо изолированную камеру, где они задерживаются на некоторое время, более продолжительное, чем если бы они были просто выведены из системы выпуска.

Но более совершенную очистку отработавших газов удается получить только с помощью катализаторов. В этом случае газы сначала обрабатываются катализатором, который восстанавливает окислы азота, а перед поступлением отработавших газов в окислительный катализатор для дожигания СО и С_mН_n к нему добавляется чистый воздух, необходимый для окисления этих веществ. Такой каталитический реактор изображен на рис. 4.

Рис. 4. Каталитический реактор для обезвреживания токсичных веществ в отработавших газах

Для обезвреживания токсичных веществ в отработавших газах применен редукционный катализатор 1, затем в выпускную систему подводится чистый воздух по патрубку 2 и в работу вступает окислительный катализатор 3.

Наилучшими катализаторами являются благородные металлы, например, платина, палладий и др.; хорошо себя проявили также окислы меди, сплавы никеля и меди и др.

Вероятнее всего в будущем будут использоваться комбинации различных способов нейтрализации отработавших газов. Испарения из картера двигателя и топливного бака будут пропускаться через камеру сгорания, где они под воздействием высоких температур в процессе сгорания будут полностью окисляться и разлагаться.

—>

Главная
Новые материалы на сайте.

Автосамоделки
Самодельные автомобили, прицепы, дачи, вездеходы, тюнинг авто.

Мотосамоделки
Самодельные мотоциклы, мопеды, скутеры, снегоходы.

Автосервис
Ремонт и обслуживание автомототехники. Советы по ремонту автомобиля.

Гараж
Гаражное оборудование, обустройство гаража.

Разное, советы автомобилистам
Советы бывалых и опытных автолюбителей.

Устройство автомобилей

Способы борьбы с токсичностью выхлопных газов

Резкое повышение концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, особенно в крупных мегаполисах, связанное с интенсивным ростом автомобильного парка, не могло остаться без внимания специалистов и экологов. Очевидно, что без автомобильного транспорта невозможно представить динамичное развитие человеческого общества, но и смириться с тем, что ежечасно миллионы людей отравляют свой организм, вдыхая отраву, выбрасываемую из автомобильных глушителей, конечно же, нельзя.
Поэтому разработкам, связанным с уменьшением вредного влияния транспорта на окружающую среду, ученые, специалисты и инженеры в последние годы уделяют все более пристальное внимание.

Конечно же, наиболее привлекательным методом исключения пагубного влияния техники на условия среды обитания человека является внедрение технологий и разработок, позволяющих использовать экологически чистые и безвредные энергоресурсы.

К таковым, безусловно, можно отнести электрическую энергию и энергию, выделяемую при химических процессах, конечным продуктом которых являются безвредные для человека и природы вещества, например, вода, образуемая при соединении водорода и кислорода. Эта химическая реакция сопровождается значительным выделением тепловой энергии, которую можно было бы использовать для преобразования в механическую энергию посредством тепловых двигателей, однако в окружающей нас природе мало свободного водорода, который можно было бы использовать в виде автомобильного топлива.
Конечно, на нашей планете достаточно большое количество воды, в составе которой водорода более, чем достаточно, но расщеплять воду на составляющие элементы для последующего соединения – все равно, что изобретать вечный двигатель, поскольку затраты превысят эффект.

Электричество – экологически чистый и очень привлекательный источник энергии, но преобразовывать другие энергоресурсы в электроэнергию без значительных затрат человечество пока не научилось, как не научилось и запасать в достаточном объеме эту энергию впрок. Даже самый современный аккумулятор электрической энергии способен обеспечить работу автомобиля лишь в течение нескольких десятков километров пробега. Этого для удовлетворения возрастающих автотранспортных нужд, конечно же, недостаточно.

Привлекательным источником энергии является ядерная (атомная) энергия. Но на современном этапе развития технологий преобразования этого колоссального источника энергии в легкодоступные для практического использования виды говорить очень и очень рано.

По этим причинам в ближайшем будущем достойной замены нефтепродуктам, как основным источникам энергии для автомобильных двигателей, не предвидится.

В настоящее время определено несколько путей снижения токсичности выхлопных газов, выделяемых автомобилями и другой техникой, использующих тепловые двигатели, работающие на нефтяном топливе.
Основные направления снижения содержания вредных веществ в отработавших газах:

• совершенствование процессов сгорания топлива;
• повышение качества топлива;
• применение различных способов очистки отработавших газов от токсичных и вредных компонентов.

Полнота сгорания топлива

Совершенствование процессов сгорания топлива выгодно не только с точки зрения экологии, но и экономичности. Полностью сгоревшее топливо отдает максимум тепловой энергии для работы двигателя и выделяет в отходы значительно меньше вредных веществ, чем топливо, сгоревшее частично.

Совершенствование процессов горения топлива связано с решением многих задач – улучшение смесеобразования, повышение эффективности работы газораспределительного механизма, систем питания и зажигания двигателя.

В последние годы значительную долю этих задач конструкторы решают внедрением компьютерных технологий в процессы управления работой двигателя. Управляемые электроникой системы впрыска и зажигания, безусловно, способствуют повышению качества сгорания горючей смеси, и, конечно же, это благотворно сказывается на экологичности тепловых двигателей.

Повышение качества топлива

Повышение качества используемого для работы двигателей топлива, безусловно, имеет колоссальное значение для улучшения эклогичности автотранспорта. В любом топливе, используемом для извлечения тепловой энергии, лишь два химических элемента представляют энергетическую ценность – водород и углерод. Первый при окислении образует воду, второй – либо оксид углерода (при неполном сгорании), либо двуокись углерода (при полном сгорании).
При идеально отлаженной системе питания и зажигания эти два элемента сгорают полностью и отдают двигателю необходимую для его работы теплоту. Но идеального ничего не бывает, поэтому в выхлопных газах, как правило, присутствует некоторое количество оксида углерода, который в быту называют угарным газом.

Любое топливо, в том числе и получаемое из нефтепродуктов, содержит посторонние примеси, химические вещества и элементы в связанном или свободном состоянии. Безусловно, они тоже участвуют в процессах горения, образуя различные окислы, зачастую очень токсичные.
К таковым относятся, в первую очередь различные соединения серы и азота. Выделяя малое количество теплоты, эти вещества значительно обогащают отработавшие газы вредными примесями, т. е. являются крайне нежелательным топливным балластом.

Поэтому повышение качества топлива напрямую связано с его очисткой от механических, сернистых и азотных примесей в процессе переработки нефти. Очень выгодным в этом плане является применение газообразного топлива для двигателей, поскольку в нефтяных и природных газах посторонних примесей существенно меньше, что положительно сказывается на экологичности отходов сгорания.

Нейтрализация отработавших газов

Для очистки продуктов сгорания от токсичных и вредных веществ на двигателях, использующих в качестве топлива бензин, применяют системы нейтрализации отработавших газов вместе с системой их рециркуляции и системой улавливания паров топлива.

Основным элементом в системе нейтрализации отработавших газов является каталитический нейтрализатор, устанавливаемый в выпускной системе автомобильного двигателя.

Нейтрализатор внешне похож на обычный резонатор и часто устанавливается вместо него. Он представляет собой химический реактор с катализатором – веществом, активизирующим протекание реакций превращения одних веществ в другие.
Главными элементами каталитического нейтрализатора являются один или два каталитических сотовых блока, представляющие собой керамические или листовые гофрированные металлические цилиндры с множеством продольных каналов. На поверхность этих каналов (сот блока) нанесен пористый каталитический состав, содержащий благородные металлы (платина, палладий, родий).
Каталитический блок помещается в корпус из жаростойкой и коррозионно-стойкой стали.

Все современные нейтрализаторы являются трехкомпонентными, т. е. предназначенными для снижения выброса трех основных токсичных компонентов отработавших газов и сочетают в себе сразу две химические функции: окислительную и восстановительную.
Нейтрализатор одновременно дожигает (окисляет) не полностью сгоревшие частички топлива и продукты его неполного сгорания (в первую очередь — оксид углерода), а также восстанавливает очень ядовитые оксиды азота, разлагая их на исходные составляющие – азот и кислород.

При использовании каталитического нейтрализатора нельзя применять этилированный бензин, поскольку содержащийся в нем свинец, осаждаясь на внутренних поверхностях выпускной системы, нарушает газовую проницаемость микропор активного каталитического слоя.
В результате отработавшие газы свободно выходят в атмосферу, не соприкоснувшись с активной поверхностью катализатора.

Нейтрализатор отработавших газов начинает эффективно работать при температуре не менее 300 ˚С, при этом он начинает дополнительно разогреваться в результате происходящих в нем химических процессов. Важно так разместить нейтрализатор в системе выпуска отработавших газов, чтобы его температура во время работы не превышала 900…950 ˚С, иначе возможно разрушение каталитического слоя, сот и даже корпуса нейтрализатора.
В этом случае сгоревший нейтрализатор не только перестает выполнять свою функцию, но и существенно снижает мощность двигателя, оказывая сопротивление выпуску отработавших газов, и ухудшая тем самым наполняемость цилиндров свежим зарядом.

Особенно велика вероятность повреждения нейтрализатора при отказе в работе одного из цилиндров двигателя. При этом несгоревшая в цилиндре горючая смесь загорается в нейтрализаторе, интенсивно разогревая и сжигая активную каталитическую поверхность его сот.

Для обеспечения эффективной работы нейтрализатора отработавших газов и точного дозирования топлива, подаваемого в цилиндры двигателя, используется лямбда-зонд, или кислородный датчик, который отслеживает состав выхлопных газов и корректирует посредством электронного блока управления количество подаваемого в цилиндры топлива.